автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.17, диссертация на тему:Научное обоснование конструктивного совершенствования тралов для лова мезопелагических рыб

Жуков Валерий Павлович

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНОГО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТРАЛОВ ДЛЯ ЛОВА МЕЗОПЕЛАГИЧЕСКИХ РЫБ

05.18.17 Промышленное рыболовство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 4 ?соо

Калининград - 2009

003468769

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Калининградский государственный технический университет" (ФГОУ ВПО «КГТУ»)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, заслуженный работник высшей школы РФ Розенштейн Михаил Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Наумов Владимир Аркадиевич

кандидат технических наук, доцент Мейлер Леонид Ефимович

Ведущая организация Федеральное государственное унитарное предприятие «Атлантический научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии» (ФГУП «АтлантНИРО»)

Защита состоится 29.05.2009 г. в 16.00 ч на заседании диссертационного совета Д 307.007.01 при Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Калининградский государственный технический университет", по адресу: 236022 г. Калининград, Советский проспект, 1, ауд. 255.

Факс: 8(4012)91-68-46

E-mail: serpunin@klgtu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет».

Автореферат разослан 27 апреля 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В настоящее время большие сырьевые ресурсы мезопелагических рыб (светящийся анчоус, мавролики и др.) практически не используются отечественной рыбной промышленностью. Одна из причин сложившегося положения связана с конструкцией сетных частей и мешков тралов, используемых для облова малоразмерных рыб. Из-за малых размеров ячеи сетных частей и мешка этих тралов при их буксировке внутри сетной оболочки возникает гидродинамический подбор, который препятствует прохождению обловленных рыб в траловый мешок. В этой связи возникла необходимость в исследовании процесса истечения жидкости через мелкоячейную сетную оболочку трала, по результатам которых могли бы быть усовершенствованы конструкции сетных частей и мешков тралов для лова мезопелагических рыб.

Актуальность темы диссертации определяется практической потребностью проектировщиков в рекомендациях о конструктивном оформлении сетной части и мешка трала, обеспечивающих высокую его уловистость малоразмерных рыб. Такие рекомендации должны базироваться на результатах исследования процессов истечения воды через сетную оболочку, чему в значительной мере посвящена настоящая диссертация.

Цель работы: заключается в научном обосновании конструктивных мер по повышению уловистости тралов для облова мезопелагических рыб.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- выполнен анализ научных исследований полей скоростей в сетных оболочках тралов;

- проведены эксперименты с физическими моделями тралов для изучения процессов истечения воды через сетную оболочку;

- разработаны и проверены путем проведения экспериментов с физическими моделями конструктивные меры по изменению процесса истечения воды через сетную оболочку;

- выполнена экспериментальная Проверка разработанных конструктивных мер в морских условиях;

- разработан метод расчета конструктивных характеристик траловых мешков.

Научная новизна работы состоит в установлении ранее неизвестных зависимостей гидродинамического поля скоростей от относительной площади сетной оболочки тралового мешка, его конструктивных характеристик (посадочных коэффициентов, циклов кроя сетных пластин, наличия зеркальных ячей, «окон», шлейфообразователей и т.д.), геометрических параметров (угла атаки меридиана оболочки тралового мешка).

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты физических экспериментов по определению гидродинамического поля скоростей (внутри и снаружи) в различных конструкциях траловых мешков.

2. Результаты аппроксимации опытных данных гидродинамического поля скоростей внутри и снаружи сетных оболочек траловых мешков в зависимости от углов атаки сетных частей, относительного удлинения и относительной площади.

3. Алгоритм расчета конструктивных характеристик траловых мешков для облова мезопелагических объектов.

4. Усовершенствованные конструкции траловых мешков для лова малоразмерных рыб.

Практическая ценность заключается в разработке конструктивных мер, которые позволяют снизить гидродинамический подпор в траловых мешках и тем самым увеличить уловы мезапелагических объектов. Результатом этих работ явилось несколько авторских свидетельств на изобретения и патентов, в разработке которых непосредственное участие принимал автор диссертации. Важным практическим результатом выполненных исследований также является разработка для проектировщиков метода расчета конструктивных характеристик траловых мешков.

Личный вклад автора. Автору принадлежит разработка методики и проведение экспериментальных исследований физических моделей траловых мешков в гидроканале и условиях промысла, а также разработка методики расчета конструкции траловых мешков для лова малоразмерных рыб.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались автором на Всероссийском рабочем совещании «Освоение водных биоресурсов в Мировом океане» (Москва, 2005); на симпозиуме «Водные биологические ресурсы, их использование» (Москва, 2005); на симпозиуме «Промышленное рыболовство и флот» (Москва, 2005); на У-й Международной конференции ФГОУ ВПО «КГТУ» «Инновации в науке и образовании - 2007» (Калининград, 2007).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 26 печатных работ. Из них шесть работ в издании, рекомендованном ВАК. Зарегистрированы, том числе, - 8 авторских свидетельств и 6 патентов.

Объем и структура диссертации. Работа изложена на 170 страницах, состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 177 источников, включая 32 иностранных, содержит 32 таблицы, 53 рисунков и 17 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и приведен перечень задач исследования.

В первой главе рассматривается современное состояние промысла мезопелагических рыб {МуЫорЫйае - светящиеся анчоусы, ОопоМотаИйае -мавролики (МаигоНсиз ¿р.), а также эффаузиды - антарктический криль ЕирНашш ьирегЪа. Рассматриваются перспективные районы промысла, где могут образовываться плотные скопления объектов мезопелагиали и технические характеристики тралов.

Обозначены проблемы промысла мезопелагических рыб, связанные со следующими обстоятельствами:

- плотность скоплений объектов мезопелагиали в открытых районах океана, как правило, значительно ниже, чем в традиционных районах промысла на шельфах;

- применение традиционных технических средств (в том числе известных конструкций тралов), на разреженных скоплениях не дает должного промыслового эффекта;

- в зоне трала, ограниченной сетями - «критическая зона», возрастает гидродинамический подпор, который способствует значительному отсеву, выбросу малоразмерных объектов лова из тралового мешка;

- совершенствование конструкции пелагических тралов для облова малоразмерных рыб в основном идет по пути увеличения фильтрационной способности трала, в том числе как за счет увеличения габаритов трала и его частей, так и за счет применяемого ассортимента делей и различных способов их посадки.

На основании анализа исследований, выявлено следующее:

- выбор ассортимента делей трала с наилучшим значением угла атаки сетного полотна а дает возможность частично улучшить фильтрационные качества сетной малоячейной приставки разноглубинного трала, но устранить отрицательные последствия влияния «критической зоны» на уловистость трала в существующих серийных тралах полностью не удается;

- именно скорость траления в значительной степени определяет район образования «критической зоны» в мелкоячейной концевой части трала;

- с увеличением скорости траления возрастает разность между скоростями буксировки трала и скоростью потока внутри трала, что влечет за собой возникновение гидродинамического подпора, который оказывает существенное влияние на поведение рыб в зоне трала. Чем выше скорость траления, тем ближе

к устью трала смещается область повышенного давления и может наступить такой момент, когда трал для рыбы будет практически закрыт.

Во второй главе дается обзор литературных источников, посвященных теоретическим, аналитическим и экспериментальным исследованиям полей давления в сетных оболочках тралов, изложенных в работах Cumberbatch, Тейлора, Ко, Джамеса, F.G. O'Neill, Г.Н. Степанова, Ф.И. Баранова, М. Paschen, Н. Winkel, Н. Le Dret, R. Lewandowski, D. Priour, F. Chagneau, E.E. Вишневского, B.H. Войниканис-Мирского, M.A. Мизюркина, B.M. Костюкова, А.И. Шевченко, В.И. Габрюка, В.В. Черенцова, M.JI. Зафермана, В.А. Белова, В. Enerhaug, S.H. Gjosund, К. Hansen, B.K. Короткова, JI.E. Мейлера, W. Kcipnick, F. Shigeru, N. Jun, E. Keigo, K. Taisei, H. Mamoru, L.H. Knudsen, D.A. Wileman, S J. McKay. Из анализа этих работ можно сделать следующие выводы:

1. Определена связь поля относительной скорости потока внутри сетной оболочки с числом Рейнольдса, с характеристикой колебаний тралового мешка/, с конструктивной характеристикой тралового мешка - сплошностью F0, с геометрическим характеристиками тралового мешка: углом атаки меридиана сетной части тралового мешка а и диаметром основания тралового мешка d.

2. Установлено, что в моделях траловых мешков с большим значением сплошности (или F0—>1) происходят наиболее существенные изменения относительной скорости потока. Течение внутри конструкций практически отсутствует. Снаружи на боковых стенках существует застойная область. На входном основании и снаружи сетной оболочки формируется обратное течение. Установлено, что коническая часть моделей траловых мешков создает течение на внешней стороне сети. Наиболее существенное изменение скорости потока происходят в районе самой сети. Цилиндрическая часть моделей создает спутное течение, как внутри, так и снаружи образца. Максимальное изменение скорости потока происходят непосредственно у сети.

3. Зона торможения потока соответствует зоне повышенного давления в трале, характеризующейся максимальными нормальными скоростями и углами отклонения вектора скорости от поверхности сетного полотна. С увеличением скорости траления зона повышенного давления смещается по направлению к устью трала.

4. Течение воды в сетном цилиндре зависит от двух групп факторов. Во-первых, от наличия развивающегося по длине цилиндра пограничного слоя, обусловленного касательными напряжениями на границе сеть-вода; во-вторых, от давления на воду дна (выходного отверстия) цилиндра, если оно имеет полностью закрытую или перфорированную стенку.

5. Относительная скорость потока V/Vm возрастает с ростом скорости V; убывает с увеличением угла атаки меридиана оболочки а; убывает с увеличением сплошности сети Fc.

6. В диссертации приведены диапазоны физических условий и конструктивных характеристик сетных оболочек, для которых справедливы указанные выше выводы

В ходе проведения анализа литературы не были определены в конечном виде количественные зависимости, позволяющие оценить изменение относительной скорости потока V/V„ от сплошности сети F0 и угла атаки меридиана оболочки а.

На основе анализа отечественной и зарубежной литературы по рассматриваемой проблеме сформулированы задачи исследований, решенные в диссертации. Основной из них являлось экспериментальное определение зависимости относительной скорости потока вблизи границ траловой сетной оболочки (внутри и снаружи) от ее сплошности, формы и расстояния от передней кромки по направлению к концу мешка.

В третьей главе излагается методы проведения экспериментальных исследований процессов истечения воды через сетную оболочку тралов и данные обработки полученных результатов.

Для определения величины образующегося в мелкоячейном мешке трала гидродинамического подпора были поставлены и проведены эксперименты в гидроканале «МариНПО» в г. Калининграде. Моделировались мелкоячейные траловые мешки, которыми обычно оснащаются разноглубинные трала, конструктивные характеристики которых приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Конструктивные характеристики моделей траловых мешков

Номер модели тралового мешка Сплошность Fo Конструктивный параметр Рх 10"4

1 0,315 3,75

2 0,315 2,97

3 0,315 2,46

4 0,315 1,07

5 0,226 7,23

6 0,25 8,02

, где / - число пластей, щ - поперечный посадочный

коэффициент, Ск - цикл кройки сетных пластин.

В качестве исследуемых образцов были приняты: однородная сетная модель тралового мешка (базовый вариант). Схема расположения сечений в моделируемых образцах сетных траловых мешков, где производились измерения скоростей потока показана на рисунке 1. Методика проведения экспериментов

7

заключалась в следующем: к кольцу, на который были посажены модели траловых мешков, крепились оттяжки, соединенные с однокомпонентным динамометром на 2000 Н.

I

*г

ъ" •в' ю и

1/21

1/21 2м 2м

Рисунок 1 - Схема расположения сечений в моделируемых образцах сетных

траловых мешков (й1, ¿2, с!з, с14, - диаметры сечений тралового мешка, I - длина мешка)

Когда поток устанавливался (при скоростях набегающего потока - К(ю=1,0; 1,25; 1,5; 1,75 м/с), снимались следующие показания: усилие в оттяжках Т, при пересчете позволяющее определить сопротивление тралового мешка Я/, скорости потока внутри и снаружи траловых мешов по их длине; углы наклона оттяжек к вектору скорости потока воды в гидроканале /?; диаметры сечений сетных конструкций траловых мешков 4- и длины моделей в потоке Ь.

В качестве примера в таблице 2 приведены результаты эксперимента с моделью тралового мешка №1.

Таблица 2 - Параметры модели тралового мешка в зависимости от скорости потока У„ (базовый вариант)

V„ ¿г ¿г ¿3 ¿4 ¿5 Ь Л*, Гх, № -Гх) баз Н с,

м/с м м м м м м Н Н

1,0 1,1 0,8 0,54 0,52 0,51 8,8 380 17 363 0,13

1,25 1Д - - - - - 610 26 584 0,13

1,50 1,1 0,77 0,54 0,48 0,48 8,9 900 38 852 0,14

1,75 1Д - - - - - 1250 52 1198 0,14

2,0 1Д 0,78 0,54 0,48 0,48 8,98 - - 1577* 0,14

гх - сила гидродинамического сопротивления кольца, Н; сх- коэффициент силы сопротивления модели.

Аналогичные результаты получены и для остальных моделей мешков, приведенных в таблице 1. По полученным экспериментальным данным о скорости потока в заданных точках были построены эпюры скоростей для моделей траловых мешков при обращенном движении. Установлено, что сопротивление в потоке модели № 2 увеличивается на 17 - 22% по сравнению с моделью №1; для модели номер 3 - на 37 - 44%; модели № 5 - на 28 - 33%. Сопротивление модели № 4 уменьшается на 8 - 16%; модель № 6 имеет равное

сопротивление с моделью №1. Так же установлено, что изменение скорости набегающего потока происходит как по длине, так и по ширине модели, поэтому скорость потока в фиксированной точке образца следует рассматривать как функцию координат X и У.

Среднее значение ошибки измерения гидродинамического коэффициента сопротивления по всем проведённым экспериментам составило 9,5 %.

Для указанных групп сетных моделей траловых мешков №№ 1 - 6 устанавливалась зависимость отношения относительной скорости потока VIV^ от угла атаки а меридиана сетной оболочки в выбранном поперечном сечении, где V - измеренная скорость потока около сетной поверхности модели.

На рисунке 2 показаны экспериментальные данные для шести моделей мешков изменения V1УЮ внутри мешка в зависимости от безразмерного угла атаки меридиана сетной оболочки мешка (кх).

К 1

Гсс

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 к

Рисунок 2 - Зависимость Ух = /(кх) для внутренней границы сетных конструкций №№ 1-6 (х - модель №1; □ - модель №2; • - модель №3; о - модель №4; + - модель №5; А - модель №6)

Подбор эмпирических формул осуществлялся методом наименьших квадратов. Установлено, что наиболее точная аппроксимация экспериментальных данных (погрешность не превышает 11%) обеспечивается экспоненциальной зависимостью.

Кривая на рисунке 2 отображает аппроксимирующую формулу. Связь между безразмерной скоростью потока внутри сетных мешков и характеристикой формы кх определена в виде формулы:

УХ/ГК= 0,52-е0-55*', (1)

где кх=ах/а0 - отношение значений углов атаки меридиана сетной части, ах -угол атаки меридиана сетной оболочки в измеряемой области, ац -конструктивный угол атаки сетной оболочки мешка.

9

X □ - сетная конст --//-//-//-№2 »укция Ч"1 1 Л

• о —+- А --/А//-//-№3 -.//.//.//-№4 --//-//-//-№ 5 --//-//-//-№ 6 < !

1 ------

;

х п □

!

В формуле (1) принято:

кх =а,1а0, при условии а0> а/, кх = а0 / а,, при условии а0 < ах.

ах = агсБ1п

Зависимость (1) справедлива в диапазонах физических характеристик:

ах = 0 + 8°;

Р0 =0,226 + 0,315; , (3)

Р =(1,07 + 8,02)-10'4.

Формула для определения поля скоростей снаружи сетных конструкций имеет вид:

Г,/Г„= 0,5-е0'™'-. (4)

На рисунке 3 приведены экспериментальные данные о безразмерной скорости потока около внешней границы сетных конструкций и аппроксимирующая их кривая, соответствующая выражению (4). Зависимость (4) справедлива в диапазоне физических характеристик (3) с ошибкой аппроксимации не более 10%.

V 1

Ко

0,9 -

0, 0,7 0,6 0,5 0,4'

X □ - сетная конст --//-//-//-№ 2 "уклня №1

• о - -11-11-11- № 3 --//-//-//-№ 4

▲ --//-//-//-№ 6 1 | / |

¡У

А —1-1— ИГ"

X СП" | 1 1 о и— ! 1 1

ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 к

Рисунок 3 - Зависимость Ух / = /(кх) для внешней границы сетных конструкций №№ 1 - 6 (х - модель №1; □ - модель №2; • - модель №3; о - модель №4; + - модель №5; 1 - модель №6)

В результате выполненных экспериментов установлено изменение гидродинамического поля скоростей для внутренней части сетной конструкции тралового мешка в зависимости от его безразмерной его длины: / = -£,/£„,где, Ц - расстояние сечения тралового мешка от кольца, Ьп - длина от кольца до последнего сечения.

Зависимость У/У„ = /(0 приведена на рисунке 4.

ю

К 1

Ус

0,9 О,! 0,7 0,6 0,5 0,4

1 1 А ! х I □ - сетная конст --//-//-//-№ 2 рукцня №1

м • О - -//-//-//- № 3 --//-//-//-№4

1 I -К4' А + А ■ -11-11- /-№ б

! 3 "> О

_ □

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 I

Рисунок 4 - Зависимость У/Ую = /(0 для внутренней границы сетных конструкций №№ 1 - 6 (х - модель №1; □ - модель №2; • - модель №3; о - модель №4; + - модель №5; А - модель №6)

Полученные экспериментальные данные аппроксимируются выражением:

Г/К„=0,55-/2-/ + 1.

(5)

Изменение гидродинамического поля скоростей снаружи сетной конструкции тралового мешка в зависимости от его безразмерной длины описывается выражением:

К/К =/2-1,45-/ + 1.

(6)

На рисунке 5 приведены соответствующие экспериментальные данные и график аппроксимирующего выражения (6). Зависимости (5) и (6) справедливы в диапазоне физических характеристик (3) с ошибкой аппроксимации не более 15%.

V 1 Уса 0,9

0,:

0,7

0,6

0,5

0,4

X о - сетная конст - -//-//-//■ № 2 эувдия Ма 1

N. 1 • о - -//-//-/А № 3 --11-11-11- №4

А А г/-Яя 6

■ □ : +с>

• 3 4 • ■ □ X ------ 1

1 а

0,9

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Рисунок 5 - Зависимость К/К„ = /(/) для внешней границы сетных конструкций №№ 1-6 (х - модель №1; □ - модель №2; • - модель №3; о - модель №4; +• - модель №5; Ж - модель №6)

На основании проведенных исследований поля скоростей в сетных конструкциях можно сделать следующие выводы:

1. Поле скоростей у сетных конструкций зависит главным образом от угла атаки меридиана сетной оболочки а, а также от сплошности данной сетной конструкции Р0. Это подтверждается исследованиями Белова В.А.. Известно, что сплошность сетной оболочки Р„ влияет на угол атаки меридиана сетной оболочки а.

2. Изменение поля скоростей снаружи и внутри сетной конструкции тралового мешка У/У„ зависит от его безразмерной длины /.

3. Испытания моделей мешков трала в гидроканале показали, что скорость потока внутри мелкоячейных сетных конструкций резко падает, в результате чего образуется гидродинамический подпор. Последний не позволяет находящейся внутри мелкоячейной сетной части трала рыбе свободно проходить в мешок. Поэтому мелкоразмерные рыбы принудительно просеиваются через сетное полотно.

В четвертой главе приведены конструктивные разработки по изменению истечения воды через сетную оболочку тралов.

Промысловые объекты воспринимают гидродинамические щитки и отходящие от них следы - шлейфы как сильные раздражители, отпугиваются ими, отходя в зону облова. Анализ экспериментальных данных показывает, что шлейфы не только оказывают отпугивающее действия, но и способствуют концентрированию объектов в зоне облова по оси движения трала в канатной и крупноячейной частях, сгоняя объекты облова в мелкоячейную часть трала.

Предложения по совершенствованию конструкций тралов для облова мезопелагических объектов с комплексом гидродинамических устройств (щитков-шлейфообразователей, буферных поясов, других устройств) позволяют изменить общую гидродинамику сетных оболочек трала, увеличить фильтрацию воды через сетную оболочку, снизить гидродинамический подпор и увеличить уловистость трала.

Для повышения эффективности лова мезопелагических объектов предложено использовать специальные устройства: щитки-шлейфообразователи.

В пятой главе излагается метод проведения экспериментальных исследований процессов истечения воды через сетную оболочку тралов с вышеперечисленными устройствами и обработка полученных результатов. Экспериментальные исследования были проведены в гидроканале МариНПО промрыболовства (в г. Калининграде) и в море с натурными образцами макета экспериментального трала.

При испытании моделей траловых мешков с указанными выше гидродинамическими устройствами в гидроканале, как видно из данных таблице 3, соблюдалось условие Р к 4 -10"4 =соп5?. Это позволило исключить влияние

этого параметра, а значит - циклов кройки и коэффициента посадки, на поле скоростей.

Таблица 3 - Конструктивные характеристики моделей траловых мешков

Номер модели Сплошность Конструктивный Конструктивное исполнение

тралового мешка ^ параметр РхЮ"4

7 0,315 4,1 усеченный конус + цилиндр

8 0,28 4,0 усеченный конус + цилиндр

9 0,28 4,0 усеченный конус с «окнами» + цилиндр

10 0,34 4,0 усеченный конус с «окнами» и «щитками-шлейфообразователями» + цилиндр

11 0,25 4,01 усеченный конус с «окнами» + цилиндр

Методика проведения экспериментов была аналогичной с испытаниями моделей мешков тралов. В качестве исследуемых образцов были приняты: однородная сетная модель тралового мешка (базовый вариант); модели с вырезанными в конической части "окнами"; модель с установленными в "окнах" гидродинамическими щитками-шлейфообразователями.

Модели изготавливались из капроновой дели текс 93,5 х 3-8. Передняя кромка моделей сажалась с коэффициентом посадки их = 0,35 на обруч диаметром 1,4 м. Линейные размеры базовой модели мешка были выбраны так, чтобы на одной сетной пластине в заданном сечении могло располагаться не менее четырех малых «окон» или двух больших окон.

Во время экспериментов измерялись линейные размеры и сопротивление моделей; рассчитывались коэффициенты сопротивления сх; площадь нитей число Рейнольдса. Измерение параметров моделей производилось на скорости потока воды в V = 1,0; 1,25; 1,5; 1,75 м/с. На втором этапе проводились исследования влияния «окон» и гидродинамических щитков на поле скоростей моделей, для чего исследовалась базовая модель; затем модель с «окнами» и модель с гидродинамическими щитками-шлейфообразователями.

В качестве примера в таблице 4 приведены экспериментальные данные, полученные с моделью №7, снабженной шлейфообразователями.

По полученным экспериментальным данным о скорости потока в заданных точках построены эпюры скоростей в моделях траловых мешков при обращенном и нормальном движении.

На рисунке 6 приведены экспериментальные данные о безразмерной скорости потока внутри моделей траловых мешков и аппроксимирующие зависимости, определяемые выражением (7).

13

Таблица 4 - Зависимость параметров модели тралового мешка № 7 от скорости потока Ую (базовый вариант)

Ко ¿1, Л г, ¿3, ¿4, 1, Гх, (К,-г,) сх Шх^ьО

м/с м м м М м Н Н Н (К* - г«) баз.

1,0 1,4 1,22 0,73 0,51 8,45 600 45 555 0,18 0,96

1,25 1,4 1,25 0,70 0,49 8,50 950 70 880 0,18 0,98

1,50 1,4 1,22 0,70 0,50 8,55 1440 100 1340 0,19 0,98

1,75 1,4 1,2 0,68 0,47 8,60 1900 136 1764 0,19 0,89

У 1

V«,

0,9 0.8 0,7 0,6 0,5 0,4

О - сетная конструкция; М - № 8 | | 4° 7

.+ ■1 V» 10 (с V? 11 щнтка мн)

~Р0 = 0,26-

■ А

я, = 0,3 ' < ►

! О

1 4^ = 0,34 1

0

к

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Рисунок 6 - Зависимость вида УХ/УК = /(кх) для внутренней границы сетных

конструкций №№ 7-11 (о - модель №7; ■ - модель №8; Д - модель №9; ♦ - модель №10 (с щитками); + - модель №11)

Максимальное отклонение экспериментального значения Ух/Уа от расчетного его значения составило 15%.

Как следует из графиков на рисунках 2 и 6 установка гидродинамических щитков на моделях тралового мешка с значениями сплошности = 0,26-ь 0,28 способствует повышению безразмерной скорости потока у внутренней его поверхности. Зависимости внутреннего гидродинамического поля скоростей по результатам экспериментов записываются в виде формул:

К / К, = 0.48 • е°'55 к', при наличии щитков и ^ = 0,34, (7)

Ух/Уа= 0,52 • е>'55 к", при условии ^ = 0,31,

Ух/Уа = 0,65 ■ е0А2к-, при условии ^ = 0,26.

Зависимости (7) справедливы в диапазонах физических характеристик: ах =0-^38°;

=0,25 + 0,34; , (8)

Р = (4,01 * 4,1) • 10"4.

14

Поле скоростей снаружи сетной конструкции (рядом с сетной частью), при установке на них гидродинамических устройств может быть описано следующими выражениями:

КIV* = • е0,36 , при наличии щитков = 0,34, (9)

Ух= 0,5 • е0'7 , при условии ^ = 0,31,

Ух/У„ = 0,75• е0'28, при условии ^ = 0,26.

Соответствующие экспериментальные данные и аппроксимирующие зависимости приведены на рисунке 7. К 1

Ко 0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 к

Рисунок 7 - Зависимость Ух/У„ = /(кх) для внешней границы сетных

конструкций №№ 7-11 (о - модель №7; ■ - модель №8; Д - модель №9; ♦ - модель №10 (с щитками); + - модель №11)

Как следует из приведенных на рисунке 7 данных, наличие шлейфообразующих устройств увеличивает безразмерную скорость у внешней границы сетных мешков с указанным выше значением сплошности на 10 - 60%.

Зависимость безразмерной скорости потока у внутренней границы сетных мешков с установленными на них шлейфообразующими устройствами от безразмерной длины мешков и относительной площади ниток показана на рисунке 8.

Из приведенных данных следует, что установка на мешке шлейфообразователей также повышает относительную скорость потока по его длине в среднем на 20%.

Соответствующие аппроксимирующие формулы имеют вид:

У/Ут = 0,55 ■ /2 -1 +1, при условии = 0,31;

К / К„ = 0,4 ■ /2 - 0,7 • / +1, при условии Г, = 0,26; (10)

У/Ко = 0,7• /2 -1,18- / + 1, при наличии щитков и при условии Р0 = 0,34.

о- -д.- + -1 етная конструкция № 7 М 1 1 1

10 (с Ча 11 диткал- и) н р — 3.26— уд

1 Л / /

-1 ♦ —Я, = 0.34- ■ \

+ ! !

= 0,31 О |

! 1 • 1 1

Рисунок 8 - Зависимость У/У„ = f(l,F0) для внутренней границы сетных

конструкций №№ 7-11 (о - модель №7; ■ - модель №8; Л - модель №9; ♦ - модель №10 (с щитками); + - модель Xsl 1)

Для гидродинамического поля скоростей снаружи сетных конструкций полученные данные для моделей 7-11 приведены на рисунке 9.

Рисунок 9 - Зависимость = /(¿,Р0) для внешней границы сетных

конструкций №№ 7-11 (о - модель №7; ■ - модель №8; Л - модель №9; ♦ - модель №10 (с щитками); + - модель №11)

Из него следует, что установка на мешках шлейфообразователей может повысить относительную скорость потока у внешней границы сети до 40%. Соответствующие аппроксимирующие формулы имеют вид: У/У„ = I2 -1,45•/ + 1, при условии ^ =0,31;

У/Уа - 0,5- /2 - 0,75- / + 1, при условии = 0,26; (11)

К/^=0^-/2-0,7'/+1, при наличии щитков и при условии ^ = 0,34.

В шестой главе приведен анализ экспериментальных данных, полученных в морских условиях в результате испытаний предлагаемых конструкций траловых мешков.

На поисковых судах БПО «Запрыба», «Севрыбпромразведка», ПИНРО, «Севрыбпроект», Мурманская ФОЛ прошли опытную промысловую проверку разноглубинные тралы для облова мезопелагических рыб. Проводившиеся исследовательские разработки позволили найти принципиально новые технические решения, выполненные на уровне изобретений, повышающие производительность орудий лова. Результатом этих работ явилось несколько авторских свидетельств на изобретения и патентов, в разработке которых непосредственное участие принимал автор.

В ходе сравнительных работ по испытанию на уловистость штатного трала и экспериментального трала со щитками-шлейфообразователями и буферными поясами, выявлено следующее: щитки-шлейфообразователи способствовали концентрации светящегося анчоуса в траловом мешке. Об этом можно было судить по отсеву в пластях приставки и по вылову. Уловистость опытного трала со шлейфообразователям в процессе испытаний оказалась выше на 40%. Критерием сравнения уловистости трала брался улов за 1 час траления. Секция с буферными поясами способствовала концентрации светящегося анчоуса в кутке. В ходе испытаний опытного трала было замечено, что щитки-шлейфообразователи увеличивают сгон объекта к траловому мешку; секция буферных поясов тралового мешка опытного трала уменьшила общее сопротивление трала; с увеличением скорости траления около 4 уз наблюдается улучшение концентрации улова в траловом мешке с секцией буферных поясов и, как правило весь улов светящегося анчоуса концентрировался в кутке трала; секция буферных поясов позволила увеличить процеживающие способности цилиндрической части мешка. Результаты экспериментальных исследований работы опытного трала показали, что его уловы были на 14% выше контрольного, а на вылове анчоуса уловы повысились на 43%.

При установке щитков отсев анчоусов снижается отдельными частями в 1,2-2,0 раза. Удельный отсев через сетную поверхность мелкоячейной приставки с уменьшенной конусностью был ниже, чем штатного в 2-5 раз.

В седьмой главе приведен метод расчета конструктивных характеристик траловых мешков. Разработанный метод может быть представлен в виде алгоритма. Приведем один из примеров определения конструктивных характеристик тралового мешка для облова мезопелагических объектов, когда шаг ячеи а в мешке известен. Входные данные, необходимые для обоснования конструктивных характеристик траловых мешков на основании разработанной

методики, включают в себя: геометрические и конструктивные характеристики канатно-сетной части трала за исключением характеристик тралового

мешка; безразмерные силовые характеристики канатно-сетной части трала за исключением характеристик тралового мешка; характеристики предполагаемых условий эксплуатации трала, включающие плотность воды р, ее кинематическую вязкость V и скорость траления У„; необходимое значение скорости потока воды у внутренней стороны сетной оболочки тралового мешка Ух из расчета минимально допустимого значения гидродинамического поля Ух/Ук в конце мешка; значение шага ячеи в траловом мешке а; значение диаметра нитки в траловом мешке с!н; значение количества ячей по верхнему основанию пласти тралового мешка п1; длина тралового мешка Ьп. При расчете конструктивных характеристик тралового мешка необходимо выполнение следующих расчетных операций:

1. Определяем количество ячей по длине тралового мешка тяч: Ь.

2-а-иу

(12)

2. Определяем значение сплошности тралового мешка:

—. (13)

а их-иу

3. Определяем значение угла атаки меридиана канатно-сетной части трала а0 без учета тралового мешка:

а0 = Л(т,е,х)+ПО.«""4*- -0,02), (14)

где, а(т,4,%) - параметр, зависящий от безразмерных сил.

В зависимости от поставленной задачи (с использованием гидродинамических щитков или нет) определяем расчетную формулу для поля скоростей К, .

4. Определяем значение угла атаки ах меридиана оболочки тралового мешка по следующим формулам:

1.1л А

I £ Ъ К

, при условии кс=ах1а0, или (15)

а, = ' ПрИ Условии = "о/я*• (16)

5. Для выбранной Р0 определяем безразмерное удлинение тралового мешка по следующим формулам:

I,

д1 -4-с-

1-Ь.

V.„

2-е

(17)

6. Так как а=ахс&т((с1-с11)121 где (1-2¡ап^л; с1х=11ап2Хих1ж\ 1х=2атхиу (/ -количество пластей тралового мешка; щх - количество ячей по нижнему основанию пласта тралового мешка; ттх - количество ячей длине пластины тралового мешка), запишем:

их

а, = агсБш

2-к-т.,

(18)

7. Для сетного детали, имеющей оболочку вращения, имеем:

ах = 7,4 +110• ■ {Рх -0,02). (19)

8. Решаем систему трех уравнений (20) относительно неизвестных конструктивных параметров тралового мешка: I, п2х и тячх. В системе уравнений (20) принято обозначение: Рх = 1и]12-я-(Скх +0,5) где, Схх - цикл кроя сетной пластины тралового мешка.

2-я-т„,

1.1»

И 1К,

= 0

7,4 +110•е-6,7'"* • (Р, -0,02)-а. -Щ

I.

1

9±.

-4-е-

2-е

1-{п,-пъ) и,

= 0

-а,-

А А

= 0

7,4 +110-е'

9±\ *чх__1

1 Vх_

ь'у„

при к„ = а1/а0

= 0}при кх=а0/ах

д* -4-е-

1-И

(20)

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертационной работе получены следующие основные результаты: 1. На основании выполненного анализа теоретических и экспериментальных исследований определено наличие связи поля скоростей Ух/Ую с характеристикой потока воды - Яе, с характеристикой колебаний тралового мешка ~/,с конструктивной характеристикой тралового мешка - с геометрическими характеристиками тралового мешка (углом атаки меридиана сетной части тралового мешка а и диаметром основания тралового мешка с1\ с относительным удалением тралового мешка). Установлено, что в моделях

19

траловых мешков с большим значением сплошности или происходят

наиболее существенные изменения потока Ух /У„.

2. Экспериментами с физическими моделями траловых мешков установлено, что на величину гидродинамического поля скоростей Ух влияет отношение кх значений углов атаки меридиана сетной части ах к конструктивному углу атаки а0 сетной оболочки мешка при условии а0>ах, и кх-аа1 ах при условии а0 < ах соответственно. Это влияние охарактеризовано следующим: уменьшение значения кх снижает величину Ух/Уа, что увеличивает гидродинамический подпор; чем выше значение сплошности Р0, тем влияние кх на Ух/У„ сильнее.

3. Экспериментами с физическими моделями траловых мешков установлено, что на величину гидродинамического поля скоростей Ух/У„ влияет относительное удлинение тралового мешка 1Х. Это влияние охарактеризовано следующим:

- уменьшение значения [х увеличивает величину Ух/У„, что снижает гидродинамический подпор;

- чем выше значение сплошности Р0, тем влияние 1Х на Ул /У„ сильнее.

4. Получены эмпирические формулы (1) и (4) для расчета гидродинамического поля скоростей Ух/У„ внутри и снаружи траловых мешков в зависимости от отношения значений углов атаки меридиана их сетной части кх.

5. Получены эмпирические формулы (5) и (6) для расчета гидродинамического поля скоростей Ух /У„ внутри траловых мешков в зависимости от их относительного удлинения 1Х.

6. Разработаны конструктивные элементы (щитки-шлейфообразователи, буферные пояса, сетные пласта с зеркальной ячеей), позволяющие снизить гидродинамический подпор в траловых мешках.

7. Экспериментами с физическими моделями траловых мешков установлено, что на величину гидродинамического поля скоростей Ух/У„ влияет их конструктивное исполнение (щитки-шлейфообразователи):

- щитки-шлейфообразователи, расставленные по периметру сетной части, увеличивают значение относительной скорости потока УХ1У„ на 10-60% (в среднем на 30%).

8. Получены эмпирические формулы (7) и (9) для расчета гидродинамического поля скоростей Ух 1У„ внутри и снаружи траловых мешков в зависимости от отношения значений углов атаки меридиана их сетной части к„

относительной площади тралового мешка Р0 и соответствующей конструкции (со щитками-шлейфообразователями).

9. Получены эмпирические формулы (10) и (11) для расчета гидродинамического поля скоростей Ух/У„ внутри и снаружи траловых мешков в зависимости от их относительного удлинения 1Х, относительной площади тралового мешка Р0 и соответствующей конструкции (со щитками-шлейфообразователями).

10. Предпринятая оценка точности проведенных экспериментов дала удовлетворительный результат: ошибка не превышает 15 %.

11. Приведенные результаты полностью охватывают диапазон характеристик применяемых в настоящее время на практике траловых мешков для облова мезопелагических рыб.

12. Разработан алгоритм расчета конструктивных параметров траловых мешков с учетом гидродинамического поля скоростей.

13. На основе выполненных экспериментальных исследований предложены конструкции тралов, защищенные авторскими свидетельствами на изобретения для облова объектов мезопелагиали.

18. На основании натурных экспериментов, выяснено что наибольшие гидродинамические возмущения создаются поперечными элементами в трале. Интенсивность гидродинамических шлейфообразований можно увеличить за счет установки на трал специальных шлейфообразователей, которые позволяют усилить направляющие свойства трала и его уловистость.

Результаты промысловых испытаний на НПС «Вильнюс» показали, что уловы опытного трала с щитками-шлейфообразователями в 1,5 раз выше, чем у штатного промыслового трала. Для опытного трала улов за час траления составил в среднем 0,6 т, а у штатного 0,4 т, что подтверждает эффективность применения предложенных устройств;

Экспериментальные работы по изучению характера отсева светящихся анчоусов сетных частями трала позволяют сделать вывод, что щитки-шлейфообразователи и канатная часть трала обладают направляющими свойствами. При установке щитков отсев анчоусов снижается отдельными частями в 1,2-2,0 раза. Удельный отсев через сетную поверхность мелкоячейной приставки с уменьшенной конусностью был ниже, чем штатного в 2-5 раз.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В издании рекомендованном ВАК:

1. Жуков В.П. Оптимальные размеры пелагических тралов // Рыбное хозяйство. 1975. №3. С. 48-49.

2. Жуков В.П. Выбор оптимальных параметров трала и схема его вооружения//Рыбное хозяйство. 1976. № 1. С. 40-42.

3. Жуков В.П. Использование гидродинамических устройств «Гиплан» на промысловых судах Северного бассейна // Рыбное хозяйство. 1980. №1. С. 5559.

4. Жуков В.П. Промысел рыбы в зоне Перу // Рыбное хозяйство. 2005. № 4. С. 4-5.

5. Розенштейн М.М., Жуков В.П. Экспериментальные исследования гидродинами-ческого поля скоростей около траловых мешков // Известия ТИНРО. Владивосток. 2008. Т. 154. С. 324 - 335.

6. Жуков В.П. Алгоритм расчета конструктивных характеристик траловых мешков для облова мезопелагических рыб // Известия ТИНРО. Владивосток. 2008. Т. 155. С. 287-291.

В других изданиях:

7. Жуков В.П. Сырьевые ресурсы экономической зоны Перу // Водные биологические ресурсы, их состояние и использование: Обзорная информация ВНИЭРХ. М. 2005. Вып. 2. С. 2-21.

8. Жуков В.П. Современные средства повышения показателей специализированных тралов для промысла объектов мезопелагиали // Промышленное рыболовство и флот: Аналитическая и реферативная информация ВНИЭРХ. М. 2005. Вып. 4. С. 2-24.

9. Жуков В.П. Экономическое обоснование по организации промысла в исключительной экономической зоне Перу // Материалы Всероссийского рабочего совещания «Освоение водных биоресурсов в Мировом океане». Федеральное Агентство по рыболовству. М. 2005. С. 50-52.

10. Розенштейн М.М., Жуков В.П. Экспериментальные исследования гидродинамического поля скоростей около траловых мешков : сб. науч. тр. / Инновации в науке и образовании - 2007. ФГОУ ВПО «КГТУ». Калининград. 2007. С. 203-206.

11. Жуков В.П. Алгоритм расчета конструктивных характеристик траловых мешков для облова мезопелагических рыб : сб. науч. тр. / Инновации в науке и образовании - 2007. ФГОУ ВПО «КГТУ». Калининград. 2007. С. 189192.

12. Розенштейн М.М., Жуков В.П. Экспериментальные исследования гидродинами-ческого поля скоростей около траловых мешков// Известия КГТУ. 2007. №13. С. 33-37.

Авторские свидетельства:

13. Авторское свидетельство № 700080 СССР. - Трал / В.П Жуков, В.М. Глухов; заявл. 06.08.1979; опубл. 07.08.79; Бюл. № 7. 3 с. : ил.; приоритет от 01. 07.1976. 3 с.

14. Авторское свидетельство № 797627 СССР. Гидродинамическая насадка к тралу/ В.М. Глухов, В.П. Жуков; заявл. 19.02.79; опубл. 22.09.80. Бюл. № 9. 3 с.

15. Авторское свидетельство № 1215650 СССР. Трал/ В.П. Жуков, В.М. Глухов (СССР); заявл. 05.03.84.; опубл. 07.03.86.; Бюл. № 9. 2 с.

16. Авторское свидетельство № 1134147 СССР. Трал для лова водных организмов/ В.П. Жуков, В.М. Глухов, В.П. Торохов; заявл. 10.09.82; опубл. 15.09.84.; Бюл. №9.3 с.

17. Авторское свидетельство № 1584159 СССР - Трал для облова малоразмерных объектов промысла/ В.М. Глухов, В.П. Жуков, В.П. Торохов, С.Ф. Лисовский, P.C. Кулахметов, М.Т. Басков, Ю.А. Кондратюк; заявл. 12.10.1987. опубл. 12.02.1988; приоритет 12.10.1987. 3 с.

18. Авторское свидетельство № 1584159 СССР. - Трал/ В.П. Жуков, В.М. Глухов; заявл. 08.04. 1990; опубл. 02.07. 1990; приоритет от 26. 12. 1988. 3 с.

19. Авторское свидетельство № 1134147 СССР. - Трал для лова водных организмов/ В.П. Жуков, В.М. Глухов, В.П. Торохов; заявл. 08.04. 1984; опубл. 15.09. 1984; приоритет от 10.09.1982. 3 с.

20. Авторское свидетельство № 1223868 СССР. - Трал для лова морских объектов/ В.П. Жуков, В.М. Глухов, В.П. Торохов; заявл. 15.12. 1985; опубл. 15.03. 1986; приоритет от 05.05.1982. 3 с.

Патенты:

21. Патент № 2021719 СССР. - Трал для лова водных организмов/В.П. Жуков В.М. Глухов; заявл. 08.04.1986; опубл. 12.07.1986; приоритет от 06.02.1986. 3 с.

22. Патент № 2021719 СССР. - Трал (с щитками-шлейфообразователями)/ В.П. Жуков, В.М. Глухов; заявл. 08.03.1982; опубл. 22.07.1982; приоритет от 06.01.1982. 3 с.

23. Патент № 2021733 Российской Федерации. Трал с повышенной эффективностью лова / В.М. Глухов, В.П. Жуков, В.П. Торохов, С.Ф. Лисовский, С.Ф. Серов, P.C. Кулахметов, Ю.А. Кондратюк; заявл. 12.04. 1986; опубл. 20.08.1986; приоритет от 07.03.1986.3 с.

24. Патент № 1215650 Российской Федерации. Трал для лова водных организмов / В.М. Глухов, В.П. Жуков, М.И. Басков, В.П. Торохов, P.C. Кулахметов; заявл. 02.02.1986; опубл. 10.05.1986; приоритет от 05.01.1986.3 с.

25. Патент № 1134147 Российской Федерации. Трал для лова водных организмов / В.М. Глухов, В.П. Жуков, ВЛ. Торохов; заявл. 08.09.1985; опубл. 23.11.1985; приоритет от 01.07.1985.3 с.

26. Патент № 1223868 СССР на основе а.с. № 1223868 Трал для лова морских объектов/ В.П. Жуков, В.М. Глухов, В.П.Торохов; заявл. 05.05. 82; опубл. 15.12.85; Бюл. № 12. 3 с.

Заказ № Тираж 100 экз.

Отпечатано УОП ФГОУ ВПО «КГТУ», Калининград, Советский пр-т, 1.