高海況漂浮物打撈網具的研究試驗

林禮群， 諶志新， 劉 平， 徐志強

(農業部漁業裝備與工程技術重點實驗室，中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，上海 200092)

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高海況漂浮物打撈網具的研究試驗

林禮群， 諶志新， 劉 平， 徐志強

(農業部漁業裝備與工程技術重點實驗室，中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，上海 200092)

為在高海況下安全打撈落水人員和重要的漂浮物，設計了一種打撈網具。為此研究了打撈過程中船舶行進速度、網口高度、打撈物體吃水深度等參數對打撈網性能影響；通過網具模型試驗，模擬網具打撈作業，測試網具在打撈體進網前后力的變化，分析了打撈物體吃水深度與進網匹配性、進網的拖網速度以及網具受到的最大撞擊力等。結果顯示，試驗用打撈體的進網條件受其吃水深度和網具拖速的影響較大。在打撈體吃水深度一定時，打撈體可在拖速≥2.5 kn時順利進入網內；但當拖速過大，網口垂直擴張系數越小，不利于進網。試驗范圍內的最大撞擊力隨著拖速的提高而增大，最大值為27.84 kN。研究表明，網具最大撞擊力的參數值對網線材料的選擇與強度設計、網具支撐攔截臂架的結構強度計算具有指導意義。

高海況；打撈網具；模型試驗；拖網速度；最大撞擊力

隨著水上運輸、海洋油氣工程及海洋捕撈業、養殖業等日益發展，海上裝備、人員數量和密度不斷加大，救助打撈裝備為海上生命、財產、環境救助、沉船沉物打撈以及其他對海上運輸和海上資源開發等提供安全保障[1]。目前，對于海上漂浮物只能進行近距離打撈，或在低海況條件下通過輔助工作船進行打撈[2]。但在高海況(是指風力作用下的海面外貌特征，用海況等級表標志，即0～9級，等級越高，海況就越高，高海況一般要求大于4級以上)條件下，打撈工作相當危險，甚至無法進行打撈作業。這對一些需要及時打撈上船的物體，比如落水人員、影響海洋環境的物體或對物主有重要價值的物體，就會因延誤最佳打撈時機或遺失打撈物而造成重大損失。

在高海況條件下，使用打撈設備打撈落水人員或重要漂浮物品時，一般要求在打撈過程中被打撈物體嚴禁與打撈船船體發生硬性碰撞，以免破壞重要物品或威脅被救助人員的生命安全。本文研究的漂浮物打撈設備[2]，其原理是利用海洋漁業臂架式浮拖網技術方法，以專業救助船為母船，采用舷側拖曳柔性網對物體進行打撈[3-5]。其中的打撈網具作為船舶打撈救助過程中建立船舶與被打撈物體的一種柔性連接載體，其性能對打撈設備系統的安全可靠性具有重要意義。目前國內外關于高海況打撈網具的研究很少，本文主要借鑒捕撈學中漁具的研究方法對打撈網具進行研究[6-12]。為研究打撈過程中船舶行進速度、網口高度、打撈物體吃水深度等參數對打撈網具性能的影響，通過網具模型試驗，分析被打撈物體吃水深度與進網匹配性、進網的拖網速度條件以及網具受到的最大撞擊力等，試驗結果可對打撈網具的設計和改進提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 網具及其模型

實物網為高海況漂浮物打撈網具(圖1)[2]。該網具在4～6級海況條件下沉重強度為3.3 t，其規格為30.4 m×31.3 m，網口目數76目，網口網目尺寸400 m，網衣為尼龍材料(PA)，上綱長度34.4 m，下綱長度31.8 m，網衣拉直長度31.3 m。模型換算采用田內相似準則[14]。模型網按相關方法[15-16]換算、制成。模型網的大尺度比λ=4，小尺度比λ′=3，網口目數56目，網口網目尺寸134 mm，網衣材料PA。

圖1 打撈網結構示意圖Fig.1 The schematic of fishing net

1.2 儀器設備

試驗在中國水產科學研究院東海水產研究所漁具模型試驗水池內進行。靜水池主尺度為90 m(長) × 6 m(寬) × 3 m(深)。軌道拖車模擬打撈船體，其拖車速度精度為v≥2 m/s時，相對精度為P≤1%，可實現無級變速；測力傳感器：量程500 N，非線性誤差0.04%FSC；網高儀距離分辨率10 mm。試驗打撈模型外形為鐘形，主要尺寸：高0.6 m，最大直徑0.55 m，可通過改變打撈模型艙體配重調整其吃水深度。

1.3 試驗方法

試驗條件見表1，表中數據均為實物換算值。試驗共分成2組，試驗組A測試網具阻力和網口高度試驗；試驗組B模擬網具打撈作業試驗，測試網具進網前后力的變化。試驗模型網具試驗組在0.5～4.5 kn，每隔0.5 kn取一檔，共分為9檔速度。每組試驗有效重復3次，并對拖曳實驗數據進行觀察分析和記錄，通過測定模型網的水動力性能，再換算為實物網在不同條件下的受力情況與網形變化。

表1 打撈網試驗條件Tab.1 Fishing nets experimental conditions

注：Ld—短袖端拖曳點距水面，m；Lz—短袖端曳綱長，m

1.4 實物與模型試驗數據的換算關系

實物網阻力Fs與模型網實驗阻力Fm的比例關系[15]：

Fs=1 000×Fmλ2λ′

(1)

式中：Fs—實物網在該拖速下的計算阻力，kN；Fm—模型網在該拖速下的計算阻力，N；λ—模型網大尺度比；λ′—模型網虛擬小尺度比。

通過公式計算出實物網具總阻力，根據模型網網口高度與拖速的回歸公式計算出實物網在不同拖速下的實際網口高度。實物網的垂直擴張系數計算公式[12,17-18]：

Ch= (Hs/Cs)×100%

(2)

式中：Ch—實物網在某設定拖速下的垂直擴張系數，%；Hs—實物網在該速度下的計算網口高度，m；Cs—實物網口拉緊周長，m。

2 結果與分析

2.1 不同拖速下的網具阻力和網口高度變化

在試驗組A的試驗中，通過觀察，發現網型展開良好，網身線形順暢，由于拖曳點較低，網袖無明顯離水現象。所測得模型網具阻力(Fm)、網口高度(Hm)，袖端水平擴張距離(Lw)與拖速(vm)關系數據見表2。經公式(1)、(2)換算得到實物網具阻力(Fs)、網口高度(Hs)、袖端水平擴張距離(Ls)與垂直擴張系數(Ch)試驗數據見表3。網具的阻力(Fs)、網口高度(Hs)與速度(vs)回歸后關系如圖2所示。從圖2中可以看出，當拖速增加，網具阻力指數增大，網口高度指數減小。袖端水平擴張距離(Lw)不變，同一個網具的垂直擴張系數隨著拖速變化情況與網口高度隨拖速變化情況相一致，當拖速為 1.0 kn 時，實物網垂直擴張系數達到最大(19.01%)，網口高度隨著拖速增加而減小，當拖速達到 5.5 kn時，實物網具的垂直擴張系數最小(5.53%)。

表2 模型網具阻力和網口高度試驗數據Tab.2 The drag and net port height experimental data of the fishing net

表3 實物網具換算值Tab.3 Experimental data scaled value of the net prototype

圖2 阻力、網口高度與拖速變化關系曲線Fig.2 Relationship curve of resistance and net opening & speed

2.2 物體進網與速度關系

試驗組B開始試驗時，打撈體吃水較深(0.4 m)，模型網具試驗組在0.5～4.5 kn，每檔0.5 kn共分為9檔的拖速下，打撈體均卡在上綱上，沒有進網。經調整打撈體吃水深度，為0.2 m，打撈體可在拖速≥2.5 kn時進入網內，在試驗拖速范圍內，沒有出現從上綱上面滑出的現象。各拖速下模型網具與打撈體模型接觸前后阻力的變化曲線如圖3所示。圖中共記錄了8組力值變化，每組速度增加0.5 kn，其橫坐標為試驗記錄時間，每秒記錄點數為2 500個，縱坐標為打撈體進網前后測得的阻力變化值。當拖速<2.5 kn時，打撈體模型沒有入網，隨著上綱一起向前；當拖速≥2.5 kn時，打撈體均順利入網。由圖可見，物體與模型網具撞擊時，力瞬間變大，產生峰值，且峰值隨著拖速的增大而逐漸增大。從圖3a～3c可看出，拖速1.0 kn時，模型網具短袖段和長袖段拉力值在進網前后幾乎相等，隨著拖速的增加，長袖端拉力明顯大于短袖段的拉力值。圖3d～3h顯示了打撈體進網前后力的變化，打撈體進網前，網具長袖端的拉力明顯大于短袖段的拉力，且其差值幾乎保持恒定，而當打撈體進網后，長袖端與短袖段的拉力發生波動，但幅值變化小。

經換算得到實物網具最大撞擊力試驗數據(表4)，表中：Fd,max—短袖端瞬間最大力，kN；Fc,max—長袖端瞬間最大力，kN。在試驗速度范圍內，實物網具與打撈物體最大撞擊力為27.84 kN。實際打撈過程中，如果拖速過大，會造成網具慣性過大，導致其與打撈物體碰撞力過大，不僅容易造成網具(或打撈物體)損壞，而且船速過快不易控制打撈體進網，造成漏網，影響打撈效率。因此，選擇適當的速度范圍有利于打撈物體，并且在該速度范圍內，網具最大撞擊力對網線材料選擇與強度設計具有重要意義。

表4 實物撞擊瞬間最大力Tab.4 The maximum force of the prototype object crash

3 討論

在網具的性能研究中，網口高度是評價拖網性能的重要指標之一[19-20]。但是，對于不同吃水深度的同一個打撈對象，則有不同的要求。本研究中，在漂浮物吃水較深時，打撈網具無法打撈到漂浮物體，通過調整漂浮物的吃水深度到一定范圍，才順利打撈到模型漂浮物。而在實際打撈救助過程中，漂浮物的吃水深度不是由試驗決定的，需要調節打撈網口高度、網具曳綱長度、吃水深度與入水角度等來確定。受時間和工藝等因素限制，目前只完成了1頂打撈網的水動力試驗，模型試驗的系統性有待進一步完善，如增加蓋網、增加網具有效打撈寬度和網口高度等，可進一步提高進網概率。

圖3 打撈體模型碰撞網具前后阻力的變化Fig.3 The force change caused by the salvage object model colliding with the fishing net

此外，由于水池試驗條件的限制，無法模擬真實海況作用下海浪對打撈網具以及打撈體的作用，試驗測試的數據和結果會產生一些偏差。今后將通過改變網具結構和大小以及網身寬度、長度、浮力調整等，模擬實際海浪條件進行全方位的模型試驗，以設計出切實適合海上實際狀況的漂浮物打撈網裝備。

4 結論

以打撈重要的海上漂浮物為研究目標，圍繞打撈體的形狀與吃水深度，根據相似準則制作相應模型——打撈網具與模型漂浮物，通過進行打撈網具水池模型試驗，模擬網具打撈漂浮物試驗，測試網具進網前后力的變化，分析打撈物體吃水深度與進網匹配性、進網的速度條件以及網具受到的最大撞擊力等。結果表明，打撈體的進網條件受其吃水深度和網具速度的影響較大；在打撈體吃水深度一定時，打撈體可在拖速≥2.5 kn時順利進入網內；試驗范圍內的最大撞擊力隨拖速提高而增大。網具最大撞擊力的參數值對網線材料選擇與強度設計、網具支撐攔截臂架的結構強度計算具有指導意義。

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LIN Liqun,CHEN Zhixin,LIU Ping,XU Zhiqiang

(KeyLaboratoryofFisheryEquipmentandEngineering,MinistryofAgriculture,FisheryMachineryandInstrumentRestitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Shanghai200092,China)

A kind of fishing net was designed for safe salvaging drowning person and important floats in high sea state.The influence of factors such as the ship speed,fishing net opening and the draft depth of the salvage object on the performance of the fishing net was studied.Model test and simulating salvage operation were conducted to test the change of net force before and after the floating salvage object getting into the net,analyze the salvage object draft depth and the match conditions of the salvage objects into the net,the trawl speed for the floating object getting into the net,and the maximum impact force on the fishing net.Results show that the condition of the salvage object getting into the net is largely affected by the salvage object draft depth and the trawl speed of the ship.At a certain draft depth,when the trawl speed is greater than or equal to 2.5Kn,the salvage object can successfully enter into the net.However,when the drag speed is too fast,the vertical expansion coefficient would become smaller and is not conducive to net entering.The maximum impact force increases with the increasing of the trawl speed within the range of the test speed,and the maximum value is 27.84kN.The study shows that,the value of maximum impact force plays a guiding role in material selection,strength design of the fishing net,and calculating the structural strength of the net crane boom.

high sea state; fishing net; model test; speed of the net; maximum impact force

10.3969/j.issn.1007-9580.2016.05.011

2016-08-01

2016-09-27

國家科技支撐計劃課題(2013BAD13B02)

林禮群(1988—)女，碩士，研究實習員，研究方向：海洋漁業裝備。E-mail：linliqun@fimir.ac.cn

諶志新(1969—)，男，研究員，研究方向：海洋漁業裝備，E-mail：chenzhixin@fmiri.ac.cn

S972.21

A

1007-9580(2016)05-057-05