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漁具力學是研究漁具在作業時,漁具及其構件周圍的流態及水動力,水動力與各種物理參數的關係、漁具形狀和作用力之間的關係,以及有關計算方法的科學。

1 漁具力學 -內容與方法

  人類從事漁業活動的歷史悠久,並很早就提出了漁具的概念。從廣義上講,漁具指的是在水域直接進行水產經濟動物生產及適應的工具;而從狹義上講,漁具是指敷設在水域中的捕撈工具、養殖設施等。就捕撈漁具分類來講,中國按其作業方式分為12大類:拖網、圍網、刺網、地拉網、張網、敷網、抄網、掩網、陷阱類、釣具、耙刺類、籠壺類,網漁具佔了較大部分,而海水網箱可以歸屬為一種特殊的定置漁具。在各種生產手段和條件下,漁具的設計將涉及多方面的問題,而其關鍵之一是與海洋環境(水流和波浪等)的相互作用。與其他海洋工程結構物不同是網漁具主體部分大多是由柔性線編織或絞捻而成的網衣和綱索,在水中既要承受浪和流等條件影響產生的水動力,也要保證一定的生產形狀,這與各類漁具的作業方式和漁具不同構件有著密切的聯繫。為此人們在設計、製作漁具和進行漁業生產時必須研究其構件在水中受力,同時由此進行漁具整體的受力分析。從研究物體和相互作用的對象來看,顯然是屬於流體力學範疇,但由於漁具種類的不同,其生產原理和方式均各不相同,無論是某一類構件或不同構件組合的漁具整體都帶來了多方面和獨特的要求,這些導致了問題的複雜性,因此傳統的流體力學又不是很適應漁具的多樣性和複雜性。當然各種漁具都有時間、空間的約束,在生產過程中有穩定的受力和形狀存在,即有可探明的一定變化規律,因此又分別是傳統的靜力學、運動學和動力學問題。另外漁具是以生產水產經濟動物為對象,它們對漁具在水體中的運動也有一定的影響,反過來漁具的運動也要適應魚類行為,兩者之間相互作用。因此不論採取什麼方法處理,既要遵循力學的基本原理,又要考慮到漁具的作業特點,在此基礎上,人們探索漁具及其構件與水體產生相對運動后的形狀和受力變化規律,即形成了漁具力學。

  漁具力學是研究漁具在作業時,漁具及其構件周圍的流態及水動力,水動力與各種物理參數的關係、漁具形狀和作用力之間的關係,以及有關計算方法的科學。漁具力學是建立在多門學科基礎上,既是與力學、海洋學有關的學科,也是與材料學、數學等有關,依靠各學科的支撐而發展的。因此漁具力學是一門專業性強的學科,隨著漁業生產的需要而產生、發展,並著重解決漁業工程中的生產實際問題。

  正因為漁具力學起源於生產,服務於生產實踐,並隨著生產的發展而發展,所以研究漁具力學的主要方法是通過生產試驗、實驗觀察和數據分析及計算機數值模擬等方法,找出各種因素間的相互關係,推導出經驗公式或半經驗公式。其中模型試驗方法由於具有條件可控性、可重複性的特點而成為最重要的研究手段。模型試驗的目的首先是觀察設定條件下的系統應答,再者是能夠將該設定條件下的系統應答參數換算到實物上去。因此模型實驗設計、實驗手段和數據處理是研究漁具力學的重要關鍵,並隨著實驗設備和條件的改善、處理方法的進步、計算模擬速度的提高,漁具力學得到了快速的發展。其研究結果可為改進漁具性能、增加生產安全、降低成本、提高生產效率等方面提供依據。現階段,漁具力學發展到了一定的階段,積累了大量的研究成果,可為我們今後的學習和研究借鑒。

  由於漁業生產有其特殊性,其研究方法也有本身特點。從研究手段來看,一般採用理論分析、實驗室實驗與海上現場觀測三者相結合的方法進行,這是一種理論與實際相結合的方法,這種方法無論在國內還是國外經長期實踐證明對於海洋結構物的研究是卓有成效的。而從研究角度來看,可從微觀的角度來研究構成漁具的最小單元的力學性質,如一個結節、一個目腳或單個網目的水動力;然後研究漁具部件的力學性質,如網衣、綱索的張力和形狀;再研究漁具整體的力學性質,如拖網系統運動;最後通過建立數學模型來分析或模擬漁具運動,以上方法又可交差綜合使用。

2 漁具力學 -研究歷史與現狀

  在二十世紀30年代開始,一些主要的漁業國家學者就開始注意到漁具設計、製作與生產中所涉及到的物理學問題,相繼就以理論計算分析與實際測試來研究漁具力學,其中代表性的有前蘇聯學者巴拉諾夫編著《漁具理論與計算》,並在後來發展、增加內容的基礎上,撰寫了《工業捕魚技術》;日本學者田內森三郎編著的《水產物理學》;中國上海水產大學樂美龍編著的《漁具理論與計算一般原理》。他們從網線和綱索的結構著手,應用理論分析、相近學科的研究成果和水槽試驗方法探討綱索和網衣的受力與形狀,如應用力學模擬法來解決網衣在水中形狀和力學性能。但由於物體在流體中運動的複雜性,特別是柔性的網漁具,當時除了極個別情況外,要從理論上運用數學和力學方法來準確提出邊值求解,實際上是難以做到的,而模型試驗和探索漁具的模型試驗準則研究則加強了漁具力學的研究方法論,有些問題將會得到一定程度的解決。在這方面做出貢獻的有:日本學者田內森三郎在《日本水產學會志》上發表了「A relation between experiments on model and on full scale of fishing net」的論文;以後狄克遜、弗里德曼、克列斯登生等對漁具模型試驗做出了探索和貢獻。

  20世紀80年代,中國實行改革開放,海洋漁業得到了迅速發展,漁具的設計和製作水平有了相應的提高,漁具力學研究技術和設備有了較大改善,研究水平處於世界先進水平。1988年東海水產研究所建成了中國第一個專用於漁具模型試驗的靜水槽實驗室,在探索模型試驗的準則和規範積累了大量的經驗,極力推進了漁具力學的發展。

  當然隨著計算機技術的突飛猛進,在各個重要的工程技術領域發揮著舉足輕重的作用,使大量過去難以解決的問題都迎刃而解。這不僅對漁具構件如綱索、網衣受力和形狀有更具體的了解,而且還可以用來對結構比較複雜的網漁具進行分析和研究,通過建立數學模型來分析或模擬漁具運動,這也是漁具力學發展現階段的主要體現。國內這方面的學者較多,主要代表人物如佘顯煒,在2001年出版了他幾十年來的研究成果《計算漁具力學導論》,國外在這方面的研究也是很活躍。從目前的漁具力學整體發展來看,這對於漁具設計、製造和漁業生產等方面都有極大的便利。

  另外,近年來海上測試手段的更新也促進漁具設計和製作水平的提高,利用大型感測器、自動記錄儀來記錄漁具在水中的受力和形狀,用超聲波技術測量漁具的位置,用水下電視來監控漁具在水中的運動狀態,用激光技術來測量漁具周圍水體各斷面流態的變化等等。這些技術和設備均使漁具研究的實驗手段得到較大的改進,也有力地促進了這門學科的發展。

3 漁具力學 -研究貢獻與今後的發展思路

  漁具工作的環境是在波濤洶湧的海洋,在水中深處要進行這方面的生產和科研是很難的事情,其研究的方法和手段同樣非常困難。網衣是柔性體,網漁具在水中作業過程中,其形狀和受力相互制約,在外力的作用下網衣形狀會發生變化,而形狀的變化又會影響作用力的分佈,進而又帶來了形狀和作用力的相互影響,導致了問題的連續性。而傳統的物理學、流體力學和海洋學等學科不能解決這複雜的問題,因而要求漁具力學是專門解決漁具這方面問題等的唯一學科,克服工作環境和研究方法上帶來的困境,能使漁業得到了穩步健康的發展。同時快速發展的漁業又促進了這門學科的發展,要求能跟上產業的步伐。

  但是,傳統的漁具力學是建立在其他學科理論基礎上,是通過建立模型來模擬漁具生產現象。因此無論從哪方面看,漁具力學的研究結論與實際生產有一定的差距,主要表現在以下幾個方面:一是研究跟不上生產的實際需要、滯後於生產,二是漁具模型試驗與工作環境很難完全模擬,三是對水中漁具進行全面的觀察和測定尚有一定的困難,四是現有的漁具力學研究範圍主要是涉及漁具在水流中的作用,而沒有考慮其他如波浪因子的作用。因而需加強這些方面的研究。

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