网衣波浪水动力学研究
网渔具和网箱是海洋渔业生产(海洋捕捞和海水养殖)的重要工具和设施，网衣是它们的主要构件。与其他海洋结构物一样，网衣及其构成的渔具和渔业设施在海洋中要承受风、浪、流等水文环境因子的作用，其生产效能和安全性能与所承受的水动力相关。水流作用的水动力研究可借鉴传统的渔具力学理论，而与波浪作用的研究未受到足够重视，引起波浪对水表层网渔具和海水网箱养殖设施等的作用超出了承受限度，带来了一系列的生产损失，削弱了海洋渔业向纵深发展的动力，也制约了渔具力学的进一步发展。
本研究是在依据波浪理论和渔具力学理论的分析基础上，利用现代设备与技术，设计了网衣波浪水动力的水槽试验，研究了网衣在波浪中的水动力特性和波浪响应，计算得到了网衣波浪力的计算公式和处理方法，同时与实际渔用网衣的波浪试验进行对比分析，提出传统的渔具力学在网衣波浪力计算中的修正方法，并在小尺度网箱波浪力学中计算应用和实验论证，由此可推广到实际网箱及网渔具的波浪水动力计算应用，为远洋渔业和设施渔业可持续发展提供技术依据，为渔具力学的发展提供基础理论。
在理论上，本文结合传统的渔具力学和海洋工程波浪力学理论，提出了网衣波浪力学的概念、成因和组成。按因次和谐方法，导出了网衣波浪力的一般公式，分析了与网衣波浪力的相关物理量，它们分别为网衣的主体尺寸(宽度和高度)、特征参数(网线粗度、网目大小和缩结装配)，波浪参数(波高、波长和周期)及海域条件(水深、网衣与波向的冲角及系泊方法)。各种物理量在波浪中共同作用，形成网衣在波浪中的一些相似现象。同时网衣在波浪中有六种运动趋势：沿波向、侧向和垂向的振荡移动及绕这三个方向的振荡转动，形成复杂的迭加运动。
在网衣水槽的波浪试验中，根据波浪运动的复杂性，采用了自制的传感器与应变采集仪、应变放大器、波高仪和计算机联机，组成网衣波浪水槽试验的采集系统，开发了数据采集处理软件，波浪力的测试精度达到99.91％。设计10种网衣，与HDPE框架装配成系列网衣构件，首先应用预加张力放射法来约束构件在波浪中的运动，分别按不同的波浪工况、网衣尺度和冲角分别进行波浪试验，同步采集网衣构件水平波浪力和波浪参数。在试验数据处理中，应用“三次样条”方法对网衣构件和框架波浪试验进行拟合，得出网衣的水平波浪力数值。当网衣垂直于波向时，水平波浪力的变化规律与波浪的一致(周期性和不对称性变化)，和波面图极其相似，通过波浪力和波浪的相位差计算，波浪力变化曲线呈现司托克斯二阶波形状，波峰较陡，波谷较平坦，作用在网衣上的波浪力从水面到水下逐步减少分布；网衣波浪力大约与波高的2.5次方、波长的0.8次方成比例，与网衣的宽度、特征参数d／a线性相关；网衣沉没在一定水深时，网衣高度变化对波浪力峰值影响不大。当网衣平面与波向有冲角时，波浪力与冲角的构成形式相关，冲角为左右倾时，波浪力均与冲角弧度数的1.58次方相关；后倾和前倾时，波浪力分别与倾角的．2.15和2.04次方相关，并且后者在每个变化周期内，至少出现了两次峰值。
其次，应用单点系泊方法进行网衣构件的波浪水槽试验，构件在水槽中作来回周期性直线运动，当试验波浪周期较小时，构件的来回运动不明显，主要以波浪运动为主，水动力峰值大体上呈周期性均匀变化；而当周期较长、波高较高时，构件在水动力的作用下产生了与波向相反的长周期漂移运动，有较大振幅的位移、速度和加速度，诱发了水动力的最大值。水动力变化呈现：峰值短周期不均匀变化、最大值长周期变化和零拉力周期变化的规律。试验结果显示，在周期1．2、1.4、1.6、1.8s情况下，参数d／a最大值的网衣构件，其单点系泊试验水动力最大值是固定系泊计算水动力最大值的平均1.71、1.83、2.13、2.24倍，最大达3.61倍，表明在波浪条件下单点系泊构件水动力有较大的增加。
再次对波浪力成分进行了分析，作用在网衣上的波浪力主要由拖曳力和惯性力组成，而网衣水平波浪力极大值一般由拖曳力组成，惯性力只在迭加过程中起作用。应用多元逐步相关分析和多元线性回归计算，当网衣垂直于波向时，得出网衣水平波浪力最大值的经验公式：F=2669．4F-L<'0.79>，a<'-1.48>d<'1.06>l<'1.05>物理量依次为波高(H)、波长(L)、网目大小一半(口)、网线直径(d)、网衣宽度(l)。由上述五个物理量组成回归复相关系数为0.9742，偏相关系数依次为：0.9989、0.9307、0.9985、0.9986、0.9185，相对来说波浪力与波高是紧密相关。进而又根据网衣前后波浪参数的变化情况，初步探讨了网衣的消浪能力，网衣的波浪反射系数和透射系数(消浪能力)与网衣尺度、参数等有一定的关系。
然后依据莫里森方程和巴拉诺夫计算方法，分析和推导了网衣波浪力的计算方法，并与实际渔用网衣波浪试验进行计算对比分析，以上两者的理论计算值一般要大于试验值，平均误差分别为10％和20％以上。结合网衣波浪试验的经验公式，提出了水平波浪力系数的调整建议，从而系统给出了应用不同的波浪理论来计算网衣水平波浪力的三种计算方法，初步补充了网衣波浪力学内容。另外应用以上计算方法，对网衣试验的波浪力系数进行分析，通过无因次量计算发现，网衣波浪力系数不是一个恒定值，有很大的离散性，与波浪参数、网衣尺寸、结构和相应的一些无因次量相关。
最后，应用网衣水平波浪力计算公式，对小尺度方形网箱波浪力学进行计算，并与该网箱的波浪水槽试验进行对比分析，发现这三种方法计算结果与试验情况比较接近；同时分别应用正弦波理论和司托克斯二阶波理论来计算网箱波浪力，与试验情况进行对比研究，说明了不同的波浪理论在网衣波浪力计算中的必要性；然后根据以上计算方法，对实际网箱和表层拖网在极限生产海况条件下进行了水动力的计算，为网箱和渔具的设计制作与海上生产提供理论依据。
网衣;波浪力学;水槽试验
中国海洋大学
博士
捕捞学
梁振林
2006
中文
S972.1
132
2007-08-07（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）