1、本科毕业论文（20 届）波浪条件下的网衣水动力特性研究所在学院 专业班级 海洋技术 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 目 录摘要 .IAbstracts.II1.前言 .12.网衣水动力学研究概况 .22.1 渔具力学的研究内容和方法 .22.2 渔具力学的研究与贡献 .23.网衣波浪学概念 .43.1 波浪理论 .43.1.1 小振幅波(线性波)理论 .43.1.2 有限振幅波（非线性波）理论 .63.2 .63.2.1 的分类和成因 .63.2.2 影响海洋工程物体波浪力的主要因素 .73.3 莫里森方程 .73.3.1 作用在柱体上的波浪力 .74. 波浪环境下的网衣水动
2、力学特性和计算方法 .114.1 网衣波浪力变化特性和成分 .114.2 网衣水平波浪力计算方法 .114.2.1 莫里森公式在平面网衣水平波浪力计算中的应用 .124.2.2 平行于波向且垂直于水平面的网衣波浪力 .145. 结论和展望 .178. 参考文献 .419. 致谢 .43I摘要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，引起海
3、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，消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实验，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里的计算公式和处理方法，同时与实际渔用网衣的波浪实验进行对比分析，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，为远洋渔业和可持续发展提供技术依据，为渔具力学的发展提供理出理论。关键词 网衣； 波浪
4、力学；水槽实验；计算方法IIAbstracts The netted-fishing gears are important produced tools and facilities in marine fisheries(marine catching and marine aquaculture mainly), which the main structure is the net. The netted-fishing gears with the structures are withstood by the storm events like as the other ocean
5、 engineering structures responded by the wave and current conditions, and then the perspective of durability., security and productiveness of the netted-fishing gears are correlated with the mechanics of ones under the ocean field conditions. Although current factors mechanics witch could be used fo
6、r reference of the classical fishing gear hydrodynamics have been well documented, the knowledge of wave force on the fishing gears has not received much attention in the literature. The developing motive and creative advancement of the fisheries industry has become weaken because that the potential
7、 security hidden caused the wave events of the fishing gears and sea-cages have hampered the fisheries, and then fisheries economic loss have become more and more, so the insufficient knowledge of the wave force is also a hindrance of development about fishing gear hydrodynamics.In the present study
8、, the experiment methods of the netting structures in the wave flume were designed based on the theories of the wave machines and fishing gear hydrodynamics by using the modern facilities and developing technique. The experiments were carried out under regular wave; the wave force and response on th
9、e netting structures and the wave parameter were recorded synchronously. The force on the netting panel was examined under different wave condition, the relationships between the wave force and the parameters of the wave conditions and the net panels dimension were analyzed. The experimental formula
10、 of calculating the wave force on the netting panel was derived and the simulated result was then compared with actual netting panel of lab flume test, and then the views of revision to the conventional method in calculating the wave force on the netting panel were presented, at last the formula was
11、 used in simulating the wave force on the sea-cage and proved in the lab flume test. Therefore, the calculation formula and analyses methods can be used in calculating the wave force on the actual sea-cage and netted-fishing gear, it is acted on a role in fishing gear hydrodynamics developed. Key wo
12、rds netting panel；wave mechanics；flume experiments；calculation methods11.前言对于占地球四分之三的海洋来说，海洋经济动物利用是人类开发海洋的重要内容，而其中首先是鱼类资源的开发与利用 海洋渔业（海洋捕捞业和海水养殖业等） 。我国是世界渔业大国，海洋渔业产量连续多年保持世界第一。然而，由于过度捕捞和环境污染等问题，世界范围内渔业资源的不足和衰退已成为全球性的严重问题，特别是底层渔业资源的枯萎，减低了海洋捕捞业的传统优势。并且，自联合国海洋公约法诞生后，我国海洋捕捞总量将受严重影响。目前表层疏目拖网是大洋开发中上层鱼类资源的选
13、择之一，而养殖质量较高、经济效益显著的鱼类为对象的大型深水网箱养殖业是今后的重要方向之一。我国海洋捕捞业在 1988 年以前主要是近海捕捞，传统的底托作业占了六成以上，严重损害了底层渔业资源，破坏了海底地貌，对海洋环境产生了极大的影响，因此，我国采取了一系列措施来解决这种困境，如捕捞产量“另增长” 、发展远洋渔业等，鼓励和提倡捕捞渔民转产专业等。通过近二十年来的不断摸索，外海和远洋渔业得到了蓬勃发展，生产从无到有，规模从小到大，发展比较快。生产形式主要集中在远洋鱿鱼和金枪鱼等的钓鱼业、与他国合作的过洋性捕捞业等，但并未在公海形成大型的网渔具捕捞规模。主要原因之一是我国缺乏这方面的技术，特别是大
14、型表层疏目拖网的设计和生产技术与控制犯非法，其关键问题之一就是网渔具（主要构件网衣）在风、浪、流联合作用下的水动力学尚未真正解决。因此，开展网衣波浪水动力学研究非常重要。网渔具和网箱等渔业设施结构为刚形体（主要是框架、浮子和沉子等）和柔性体（主要是网衣和绳索）的复合体，倘若进行网衣波浪水动力试验，也需要刚形体来装配敷设。而刚形体属于海洋工程学的研究领域，柔性网衣属于渔具力学的分析范围，因此网衣波浪水动力学研究是在两种学科理论指导下的延伸和发展，有非常重要在理论研究意义本文是在传统海洋工程波浪力学和渔具力学的研究基础之上，理论分析网衣波浪力学的概念和成因及特性，设计和进行网衣构件的水槽波浪试验，
15、分析计算影响网衣波浪力的因素和相关系数，得到网衣波浪力的经验计算公式，依次进行水槽试验和理论计算对比验证，并在网箱波浪力学的研究中应用和实验验证，促进了渔具水动力学的发展22.网衣水动力学研究概况2.1 渔具力学的研究内容和方法人类从事渔业活动的历史悠久，并很早提出了渔具的概念。从广义上讲，渔具指的是在水域直接进行水产经济动物生产及适应的工具；而从狭义上来讲，渔具是指敷设在水域中的捕捞工具、养殖设施等。就捕捞渔具分类来讲，我国按其作业方式分为 12 大类：拖网、围网、刺网、地拉网、张网、敷网、抄网、掩网、陷阱类、钓具、靶刺类、笼壶类，网渔具占了较大部分，而海水网箱可以归属为一种特殊的定罩渔具。
16、在各种生产手段和条件下，渔具的设计将涉及多方面的问题，而其关键之一是与海洋环境（水流和波浪）的相互作用。与其他海洋工程结构物不同的是网渔具主题部分大多是由柔性线编织而成的网衣和钢索，在水中既要承受浪和流等条件影响产出的水动力，也要保证一定的生产形状，这与各类渔具的作业方式和渔具不同构件有着密切的联系。为此人们在设计、制造渔具和进行渔业生产时必须研究其构件在水中受力，同时由此进行渔具的整体受力分析。渔具力学是研究渔具在作业时，渔具及其构件周围的流态及水动力，水动力与各种物理参数的关系、渔具形状和作用力之间的关系，以及有关计算方法的科学。渔具力学是建立在多门学科基础上，既是与力学、海洋学有关的学科
17、，也是与材料学、数学等有关，依靠各学科的支撑而发展的，因此渔具力学是一门专业性强的学科，随着渔业生产的需要而产生、发展，并着中解决渔业工程中的生产实际问题。正因为渔具力学起源于生产，服务于生产时间，并随着生产的发展而发展，所以研究渔具力学的主要方法是通过生产试验、实验观察和数据分析及计算机数值模拟等方法，找出各种因素间的相互关系，推到出经验公式或半经验公式。其中模型实验方法是由于具有条件可控性、可重复性的特点而成为最重要的研究手段。模型实验的目的首先是观察设定条件下的系统应答，再者是能够将该条件下的系统应答参数换算到实物上去。因此模型实验设计、实验手段和数据处理是研究渔具力学的重要关键，并随着
18、实验设备和条件的改善、处理方法的进步、计算模拟速度的提高，渔具力学得到了加速的发展。其研究结果可为改进渔具性能、增加生产安全、降低成本、提高生产效率等方面提供依据。现阶段，渔具力学发展到了一定的阶段，积累了大量的研究成果，可为我们今后的学习和研究借鉴。2.2 渔具力学的研究与贡献渔具工作的环境是在波涛汹涌的海洋，在水中要进行这方面的生产和科研是很难的事情，其研究的方法和手段同样非常困难。网衣是柔性体，网渔具在水中作业过程中，其形状和受力相互制约，在外力的作用下网衣形状会发生变化，导致了问题的连续性。而传统的物理学及流体力学和海洋学等都不能解决这复杂的问题，因而要求渔具力学是专门解决渔具这方面问
19、题的唯一学科，客服工作环境和研究方法上带来的困难，能使渔业得到稳步健康的发展。同时快速发展的渔业又促进了这门学科的发展，要求能跟上产业的步伐。1.网衣水动力概念网渔具在水中作业时，与其相对的水流运动将对网衣产生作用力，形成了网衣水动力。见右图 2-1，建立直角坐标系，坐标原点为 ，相对的水流 方向为 轴，垂直向上为 oz 轴，oVox3流体作用于网衣上的水动力为 ，在三个方向的分力为 、 、 。而按渔具作业情况来RxRyz看，这三个分力分别称为水阻力、侧向力、和升力。图 2-1 网衣的水动力在相对水流的作用下，网衣承受着一定的载荷，因此在网渔具设计计算和应用时，对网衣水动力的分析与计算是非常重
20、要的，这也是渔具力学的重要内容之一。而网衣水动力成分中的水阻力，关系到网渔具的安全生产和渔业效率等主要的问题，因此水阻力的计算和研究是网衣水动力学首先面临的内容。根据网衣在水中的运动特性，水阻力主要是由摩擦力、形状阻力、兴波阻力组成。由于水具有粘性作用，当网衣在水中相对运动时，和网衣紧密接触的边界层内的水也具有一定的前进速度，并且速度具有梯度，水流之间相互摩擦，消耗着网衣向前运动的能量，造成摩擦阻力。其次，在网衣表面周围的边界层改变了网衣周围的流体压力分布，特别是尾部区域界层分离形成的漩涡，使尾部区压力降低，形成首位压差，产生形状阻力（漩涡阻力）。同时由于网衣在相对运动时，扰动了平静的水面，在
21、网衣后部留下一个扰动区，而被扰动的水质点在重力作用下产生了波动，网衣兴起的波浪所需要的能量来自网衣本身，这些损耗的能量也就相当于网衣所遭受到得阻力，于是就形成兴波阻力。前两者主要是由于水的粘性引起的，摩擦阻力的形成是由于粘性引起的表面切应力，形状阻力的形成是由于粘性引起的前后压力差，而兴波阻力的形成是由于水体重力和惯性力作用引起的。传统的渔具力学理论认为绝大多数渔具是沉默在水中运动的，因此兴波阻力较小，常常不予以考虑。但对于表层拖网、一些定罩渔具，以及养殖网箱等设施来说，兴波阻力会对网衣结构产生较大影响。影响网衣水阻力的因子非常多，主要有以下几个方面：一是与运动环境有关，主要指网衣与水体相对运
22、动的水流、波浪状况，以及网衣与水体的空间位置。二是指网衣的主尺度和形状、网目尺寸、网线直径、缩结系数、结节类型等。三十外界条件、渔具的附庸具、鱼类活动及其他因素。43 网衣波浪学概念3.1 波浪理论在重力场处于平衡流体的自由面，在外界的扰动下，流体自由表面的各个水质点将离开其平衡位置，而各个水质点在重力和惯性力的作用下，有恢复到初始平衡位置的趋势，便形成了流体质点的震荡运动，并以波得形式沿整个表面传播，从而在流体的表面出现了波浪运动。以下分别用正弦波和司托克斯二阶波浪理论来介绍线性波和非线性波理论3.1.1 小振幅波(线性波)理论小振幅波是一种简化的最简单的波动，又称为了正弦波。其水面呈现简谐
23、形式的起伏，水质点以固定的圆频率 作简谐振动，同时波形以一定的速度 c 向前传播，波浪中线（平分波高的中线）与静水面相重合，见图 3-1.图 3.1 小振幅波的波面图此时波高和波长相比或波高和水深相比为小量，以二维正弦波为例，其速度势为： 22 211 1 2.sinhH=coskxtts/,0/zz zxDxMxkzdTgp uDMdFCudCzdtDtdauU （3.1）波面方程为：(3.2)0corxt式中 为波高， 为振幅（=H/2） ， 为重力加速度， 为波浪频率，T 为周期（=1/ ） ，0rgf f=2 ，位相 ， 为波数， 为波长， 为水深， 和 分别为在水深和水平f=ktL5
24、方向上的位置。由于 ， ，式（2.1）转化为：2=gtanhfkd2g=tanhTLkd（3.3）2561sinhcokDzd因为 ， ， ， ，水质点运动速度和加速度分别为：xuzxuatzztcoshHcoskinixtsixzkdTzu（3.4）22cohHsinkxtsicotixzkzdaT（3.5）根据贝努力方程式，在波浪中任一点处得波压力分布为：（3.6）coshcoskxt2kzdgpz式中第一部分为静水压力，纵坐标 在静水面以下为负，第二部分为净波压力。在一个z波长范围内单位宽度波动水体的总能量为：（3.7）218EgH3.1.2 有限振幅波（非线性波）理论实际海洋中的波浪波
25、高相对于波长（或相对于水深）一般是有限的，称为有限振幅波。以司托克斯而二阶波为例，水质点运动的速度和加速度分别是：（3.4.1） 4 4coshcosh2H3Hcskxt coskxt4ininit itsi sixzkzdkzduTTLk6（3.5.1） 2 2 4 2 2 4coshcoshHHsinkxt3sin2kxti ict cotsi sixzzdkzdaTTL3.2 海洋工程波浪力的概念 3.2.1 的分类和成因在海洋工程中，对于海洋工程物都承受着强大相当大的波浪作用力，在设计时必须考虑波浪力是作用在结构物上一项主要外力。波浪对结构物的作用不外以下四种效应：（1） 由于对流体的
26、粘滞性而引起的粘滞效应；（2） 由于流体的惯性以及结构物的存在，使结构物周围的波动场得速度分布发生改变而引起的附加质量效应；（3） 由于结构物体本身对入射波浪的散射作用而产生的散射效应；（4） 由于结构物本身的相对高度（结构物的高度与工作水深之比值）较大，结构物与自由表面扰动了原波动场的自由表面而产生的自由表面效应。波浪对于小尺度海洋结构物得作用力是与流体绕物体流动时所产生的绕流现象紧密联系的，因此结构物的波浪力又分为绕流拖拽力和绕流惯性力。这已在上章网衣水阻力的成因中介绍过。拖拽力主要是由于流体的粘性引起的，惯性力是由于流体的重力和附加惯性力造成的。网衣可以看成是由许多网目组成的，而每个网目
27、是由圆柱形网线的目脚和结节组成，因此就网衣在波浪中的作用来看，考虑单层平面网衣、较细的网线粗度与较大的网目大小及敷设时与波浪传播方向的同时，可认为网衣是尺度较小的特殊海洋工程结构物，其对波浪运动无显著影响，认为波浪对网衣的作用主要是粘滞效应和附加质量效应，网衣波浪力也是由拖拽力和惯性力组成的。同时考虑到网渔具水阻力计算的重要意义，本文主要讨论网衣水平波浪力的特性和计算方法3.2.2 影响海洋工程物体波浪力的主要因素影响海洋工程物体波浪力的主要因素较多，主要有以下几个方面。一是波浪因素，也就是水域环境条件，很显然表征波浪的主要因素是波浪的波高、波长、周期和波速，以及该水域的深度、波浪传播形式等，而归根结底是研究波动海域的速度势，结合边界条件（静力学、运动学和动力学的边界条件） ，由此找出波浪中水质点的速度和加速度。二是海洋结构物的因素，包括物体的结构、材质、形状和在海域中的敷设方法，而关键是物体的形状，如网渔具形状是由渔具的主要尺寸、网衣大小和网目尺寸、缩结系数和网衣特征参数等，及在生产环境中的作业形式所决定。三是由此产生的各种水动力学研究方法。如研究刚性物体，一般为海洋工程波浪力学；
