Page 227 - 《水产学报》2026年第01期

1 期 水 产 学 报 50 卷

[10]
[5]
动。Huang 等 、张琳 [11] 通过水槽试验发现三股 后可得 3 个椭圆，如图 1-a 所示 。绳索公称直径
4
4
聚乙烯绳索在自动模型区 (1.19×10 ≤Re≤3.0×10 ， 指 3 个椭圆的外切圆直径的理论值，单股直径指
Re 为雷诺数)阻力系数约为 1.4，并建立了雷诺数、 椭圆绳股的长轴长度。变股径三股绳索横截面
冲角与绳索水动力系数的关系。Nebres 等 [12] 利用 结构及模型如图 1-b 所示。本研究以公称直径
烟线流场可视化技术研究了六股捻绳与圆柱尾流 40 mm、捻系数 3.6 的等股径三股绳索为原型绳
[13]
场的结构差异。理论研究方面，Choc 等 、Sato 索 (编号为 40-40)。在此基础上，构建以公称直
等 [14] 分别构建了圆柱状缆绳、三股纤维绳、铁链 径 48、44、36 和 32 mm 三股绳索中的单股替代原
和钢丝绳阻力系数与雷诺数的经验关系式。数值 型绳索单股的 4 组变股径绳索模型 (编号 40-48、

模拟研究方面，Wang 等 [15] 通过二维绳索模拟验 40-44、40-36、40-32)，模型基本参数见表 1。变
证了数值模拟方法的可行性。Cheng 等 [16] 采用大 股径的三股绳索模型的构建以编号 40-32 模型为
涡模拟研究了三股绳索周围流场特征，发现绳索 例说明 (图 1-b)。以原型绳索水平横截面作为基准
与圆柱结构尾涡特征存在显著差异。李玉岩 采 面，将 32 mm 绳索的单股椭圆替换原型绳索的 1
[5]
用 k-ε 模型模拟了圆柱与三股绳索的水动力特性， 个椭圆，3 个椭圆中点与圆点的连线互相呈 120°，
发现同雷诺数下绳索前后压差小于圆柱前后压差。 按照原型绳索捻度和捻距构建变股径三股绳索
上述研究主要聚焦于不同绳股数量的等股径绳索 模型。
[5]
水动力特性以及绳索与圆柱体的水动力性能对比。 本研究参考李玉岩 的三维绳索方程，使用
近年来有学者研究发现改变绳索的结构 (包括绳索 Solidworks 2020 软件构建绳索三维模型 (图 1-c)。
的捻距、捻向、公称直径、单股直径等) 能够影响 由于实物绳索较为柔软，试验时难以固定并保持
绳索的水动力特性。Kebede 等 [17-18] 通过水槽试验 原有形状，因此本研究通过 3D 打印技术制作刚
和数值模拟，比较了应用于拖网的螺旋绳与传统 性绳索模型进行试验 (图 1-d)。3D 打印材料选
绳索 (编绳和捻绳) 的水动力性能，发现相同条件 择 1.75 mm 的聚乳酸，打印精度为层高0.10 mm，
下螺旋绳的阻力系数和升力系数均高于传统编绳 壁厚 1.00 mm，填充密度为 20.00 %。
与传统捻绳。 1.2 模型试验
合成纤维等股径三股绳索作为渔业上常用的
仪器设备 水槽试验在山东大学 (威海) 海
纲索材料，在实际使用中会出现摩擦力不足、打
洋学院水动力循环水槽中完成。水槽观察段尺寸
结和绑扎容易滑动的现象。通过改变三股绳索的
为 2.00 m (长)×0.85 m (宽)×1.00 m (深)，最大水深
单股直径可增大打结和固定时结构间的摩擦力，
0.75 m， 流 速 0~1.00 m/s； 通 过 三 分 力 仪 (量 程
提升网衣系统的整体稳定性，同时绳索结构改变，
0~10 kg，精度±0.30 %) 测量绳索所受水动力。
可能改变其阻力、侧向力，有利于改善网衣系统
试验布设 试验布设如图 2 所示，x 方向
的水动力性能，是未来创新设计新结构绳索的重
沿水流方向，y 方向与水槽侧壁垂直，z 轴垂直于
要方向之一。
水面；模型轴向设有直径 10 mm 的孔，通过一根
本研究以渔业生产中广泛使用的合成纤维三
细螺纹杆 (直径为 10 mm) 将绳索固定在三分力仪
股捻绳为对象，依据绳索截面数学方程构建绳索
上，三分力仪安装在水槽观察段中部。绳索顶端
三维模型，通过水槽试验和数值模拟方法研究单
距水面 7.50 cm (设置离水面较近，忽略固定螺杆
股直径变化对等股径三股绳索阻力系数、侧向力
对绳索水动力的影响)，底端距水槽底面 7.50 cm。
系数和流场分布特性以及绳索表面压力的影响，
试验水温为 20 ℃。
本研究结果可为渔具水动力学研究及绳索等渔具
1.3 数值模拟
材料的创新设计提供理论参考。
湍流模型 本研究使用 k-ω SST 湍流模型
1 材料与方法
进行数值模拟。k-ω SST 湍流模型是目前综合性
能最佳的湍流模型之一，近年来得到非常广泛的
1.1 绳索模型
应 用 [19] 。 该 模 型 由 Menter 在 1993 年 提 出 [20-23] ，
传统合成纤维等股径三股绳索取水平横切面 在近壁处采用 k-ω 模型，在主流区域采用 k-ε 模型，

https://www.china-fishery.cn 中国水产学会主办 sponsored by China Society of Fisheries
2