基于田内准则的网渔具模型试验尺度效应的影响评估

An essential approach to obtain insights into the dynamics and kinetic behavior of prototype in actual fishing operations is reconstructing it with alternative model net of small scale in flume tank experiment. This practice has been widely used for the evaluation and optimization of fishing gears on their efficiencies of harvest, selectivity, and safety. Unfortunately, model nets are often set up by reduced scale on a theoretical basis of model criterion that makes the necessary neglect to some similarities, and thereby produce the scale effect. It remains unclear as to how much biases will be induced between model net and prototype so that it is unknown on the reliability of model rule in application. In this study, we will further qualify the hydrodynamics and geometry deformation responded by mesh and net of multiple scaled models based on Tauti’s law by combining with fluid dynamics, physical model experiment, and numerical simulation. The mechanics and consequence of scale effect caused by the dissatisfactions of Reynold law and Froude law will be interpreted. The study aims to make a complement of Tauti’s law and furthermore, to propose the correction method based on the dynamics of porous structural panels in order to reduce scale effect. A series of experiment theory and methodology to decrease the system bias under the restriction of test field, manufacture technology and confliction of similarities will be further refined to improve the ability of model test on predicting and evaluating the performance of fishing gear.

渔具模型试验是研究实物渔具在实际生产捕捞中动力学和运动形态的重要替代方法，至今广泛应用于渔具捕捞性能、选择性能和安全性能的评估和优化中。然而，在使用渔具模型准则构建模型网时由于简化相似条件从而引发尺度效应，导致模型与实物之间存在一定的误差。目前，尺度效应引起的误差大小和产生机制仍不明确，导致模型准则的应用是否准确可靠具有不确定性。本项目将结合网渔具流体动力、物理模型试验和计算机数值模拟的理论和方法，量化基于田内准则的典型网渔具变尺度模型的水动力、网目和网具形变响应，阐释并评估尺度效应的发生机制和影响变化，并基于网片水动力特征修正力学相似关系，建立田内准则的误差修正方法以进一步减小尺度效应。通过本项目的研究，能够进一步完善受试验设备、制作工艺以及相似条件矛盾等限制条件下减少系统误差的试验技术理论和方法，有助于提高模型试验对渔具性能的预测和评价能力。

渔具模型准则由于简化相似条件而引发尺度效应，导致模型还原至实物时产生系统误差。阐释其发生机理和影响变化、判断准则的适用条件和预测能力并以此构建误差修正方法减小尺度效应在渔具作业性能、选择性能和生态保护性的评估和优化方面具有重要意义。本项目系统地开展了定常流和线性波浪场中网片水动力测试，建立了阻力系数和惯性力系数的多元函数表达式，基于集中质量法的结构模拟和计算流体力学（CFD）模拟系统量化评估了全几何相似模型、双尺度模型、三尺度模型的水动力和形变响应的误差效应以及网片内外流场变化趋势、背流端的流速衰减效应和阻力误差，并对尺度效应的发生机理进行了阐释，并由此提出了模型准则特征速度、力和几何比的修正公式。研究结果表明：①阻力系数Cd可被表达为冲角、占空率和雷诺数的函数，垂直、平行和倾斜状态下占空率对阻力系数的影响不同；②波高对附加质量系数Cm的变化趋势无显著影响，随着周期的变大，Cm值逐渐变小，占空率对Cm值具有正效应；③采用相似网孔尺寸和捻度直径的方案能够较好地恢复网片后端的流速衰减，但需考虑阻力的负偏差校正。选取较小的比例（λ < 10），保持网目尺寸和网线直径的比例不变，可以较好地还原实际结果；④以水利平均深度以及直径与占空率的乘积分别作为刺网和囊形网的雷诺数特征长度对田内准则修正效果良好，与传统模型准则不同，修正的特征速度比中应包含网目长度和网线直径的比例尺。研究结果完善了有关减少渔具模型试验田内准则尺度效应的试验技术方法，包括试验材料的选取、多尺度比的选择以及换算关系的修正方法等，进一步丰富了渔具力学基础理论，为提高模型试验对渔具性能的预测和评价能力提供了科学依据。