автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.17, диссертация на тему:Разработка и экспериментальное обоснование метода оценки горизонтального раскрытия донных тралов

На правах рукописи

САФРОНОВ ВЛАДИМИР АНАТОЛЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА ОЦЕНКИ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО РАСКРЫТИЯ ДОННЫХ ТРАЛОВ

Специальность 05.18.17 - промышленное рыболовство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владивосток 2015

Работа выполнена в ФГБНУ «Тихоокеанский научно-исследовательский рыбохозяйственный центр» (ФГБНУ «ТИНРО-Центр»)

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Кручинин Олег Николаевич, доктор технических наук, заведующий лабораторией промышленного рыболовства ФГБНУ «ТИНРО-Центр»

Кудрявцев Валерий Иванович, доктор технических наук, главный научный сотрудник лаборатории промысловой гидроакустики ФГБНУ «ВНИРО»

Бойцов Анатолий Николаевич, кандидат технических наук, директор института рыболовства и аквакультуры ФГБОУ ВПО «Дальрыбвтуз»

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Камчатский

государственный технический университет» (Камчат ГТУ г. Петропавловск-Камчатский)

Защита состоится « 22» апреля 2015 г. в 13 часов на заседании Диссертационного совета Д 307.006.01 при ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет» по адресу: 690087, г. Владивосток, ул. Луговая 52Б.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет» по адресу: 690087, г. Владивосток, ул. Луговая 52Б и на сайте www.dalrybvtuz.ru.

Отзывы на автореферат диссертации с заверенными подписями просим направлять по адресу: 690087, г. Владивосток, ул. Луговая 52Б, факс (4232) 2440309.

Автореферат разослан « & »л^ежэ^Гац 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент / ' Е.В. Осипов

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА

2015_

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Определение промысловых запасов рыб является одной из важнейших задач рыбохозяйственной науки. Одним из путей ее решения является использование тралов при проведении учетных съемок для получения информации о численности и распределении объектов лова. Известно, что в основе оценки запасов с помощью донных тралов лежит величина площадной концентрации рыб (Аксютина, 1968; Волвенко, 1998, 2005; Атлас..., 2006), которая является производной от улова и обловленной площади или зоны облова трала. Поэтому точность определения зоны облова, характеризующейся такими геометрическими параметрами, как горизонтальное и вертикальное раскрытие устья трала и расстояние между крыльями и досками трала, напрямую влияет на точность оценки численности гидробионтов (Engas, Godo, 1986; Godo, Engas, 1989; Koeller, 1991).

В идеале, при проведении учетных съемок, траловая система должна быть оснащена приборами для измерения геометрии траловой системы. Однако в настоящее время многие (а в недавнем прошлом - все) российские суда, проводящие биоресурсные исследования, были лишены необходимого для этого оборудования. Теоретическое определение геометрических параметров трала является весьма трудоемким процессом, так как алгоритм расчета включает большое количество переменных величин, зависящих от формы, размеров, материала, веса, гидродинамического сопротивления и распорных сил составных частей траловой системы (Баранов, 1947, 1960, 1969; Кондратьев, 1964; Сучков, 1972; Дверник, 1973; Розенштейн, 1976, 2000; Стрекалова, 1980: Carrothers, 1980; Фридман, 1981; Габрюк и др., 1982, 2005, 2008, 2010; Войниканис-Мирский, 1983; Бойцов, Астафьев, 1983; Габрюк, 1984, 1988; Бойцов и др., 1985; Gomez, Jimenez, 1994; Розенштейн, Недоступ, 1997; Недоступ, 1999, 2009, 2011; Габрюк, Кулагин, 2000; Шевченко, 2004). Кроме того, проверка показала (Кручинин, Сафронов, 2011; Захаров и др., 2013), что некоторые теоретические модели могут быть неадекватны экспе-

риментальным данным. Поэтому возникает необходимость разработки сравнительно простых, доступных для применения специалистами, выполняющими траловые учетные съемки, экспериментально обоснованных способов определения геометрических параметров донных тралов.

Актуальность такого исследования, в первую очередь, определяется проблемой сопоставимости современных оценок обилия гидробионтов с данными, собранными в те годы, когда в траловых карточках и рейсовых отчетах почти не было информации о траловой системе и режимах тралений. Например, в архивах и базах данных ФГУП «ТИНРО-Центр» сейчас хранятся сведения об уловах, полученных на десятках тысяч донных траловых станций в 1970-2010-х гг. (КиНк, Уо1уепко, 2011, Волвенко, 2013, 2014). Только дополнив эти ретроспективные материалы правдоподобными оценками обловленных в каждом случае зон, мы получим возможность корректного анализа многолетних рядов наблюдений за динамикой биоресурсов, а, следовательно, и основания для аргументированного прогнозирования будущего состояния сырьевой базы рыболовства. С другой стороны, данные, полученные в результате таких исследований, могу быть полезными при разработке и выявлении адекватности математических моделей механики донной траловой системы.

Целью исследований является разработка метода оценки горизонтального раскрытия донных тралов и его обоснование экспериментальными данными, полученными с использованием современной аппаратуры контроля орудий лова.

Для выполнения поставленной цели в диссертации решались следующие задачи:

- анализ данных о влиянии геометрии траловой системы на эффективность тралового лова;

- анализ теоретических и инструментальных способов определения геометрических параметров траловой системы;

- выполнение экспериментальных работ по исследованию геометрии донной траловой системы с использованием современной аппаратуры контроля орудий лова;

- разработка метода оценки горизонтального раскрытия донного трала и расстояния между досками и проверка адекватности метода на основе экспериментальных данных.

Объектом исследования в диссертационной работе является донная траловая система.

Предмет исследования - формирование геометрии донной траловой системы под действием различных факторов.

Методологической основой исследования в диссертации является моделирование процесса формирования геометрии донной траловой системы на основе анализа теоретических представлений о механике траловой системы и экспериментальных данных, полученных с применением современной высокоточной системы контроля орудий лова.

Исследования выполнены в рамках тематического плана ФГУП «ТИН-РО-Центр» в морских условиях на судах Базы исследовательского флота ТИНРО (БИФ ТИНРО). При этом использованы методы регистрации данных с помощью мобильной системы контроля орудий лова норвежской фирмы «Scanmar». Обработка экспериментальных данных выполнена с применением статистических методов оценки достоверности различия средних величин и методов оценки погрешности аппроксимации с использованием компьютерной программы Microsoft© Office Excel.

Научная новизна диссертационного исследования заключаются в том, что получены количественные данные о влиянии различных факторов на геометрию донной траловой системы, на основе которых разработан метод определения зоны облова донных тралов.

Научные положения, выносимые на защиту:

- экспериментальные данные о влиянии различных факторов на геометрию донной траловой системы;

- метод расчета горизонтального раскрытия донных тралов по их проектным характеристикам и оценка погрешности расчетов;

- метод расчета угла атаки кабелей донного трала и расстояния между досками по заданной конфигурации верхней подборы трала и оценка погрешности расчетов.

Практическая значимость диссертации заключается в возможности использования ее результатов при проведении траловых учетных съемок для оценки зоны облова донных тралов и площадной концентрации гидробио-нтов; при проектировании и изготовлении донных тралов, а также в учебном процессе для подготовки специалистов промышленного рыболовства. Теоретические разработки, выполненные в диссертационной работе, будут использованы в компьютерной программе механики донной траловой системы.

Реализация работы. «Методика определения геометрических параметров донных тралов по их проектным характеристикам» (приложение 1), используется во ФГУП «ТИНРО-Центр» для анализа ретроспективных данных учетных траловых съемок, проведенных в 1977-2010 г.г. (Волвенко, 2013, 2014). Данная методика используется также при модернизации конструкций донных тралов для научно - исследовательских целей (приложение 2).

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. Международная научно-практическая конференция, посвященная 85-летию со дня рождения заслуженного деятеля науки и техники Российской Федерации Фридмана Александра Львовича и 95-летию со дня основания кафедры промышленного рыболовства, Калининград, КГТУ, 2010.

2. Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы освоения биологических ресурсов Мирового океана», Владивосток, Дальрыбвтуз, 2010.

3. Международная научно-практическая конференция, посвященная 125-летию со дня рождения заслуженного деятеля науки и техники РСФСР Баранова Федора Ильича, Калининград, КГТУ, 2011.

4. Международная научно-практическая конференция, посвященная 100-летию со дня рождения лауреата Государственной премии В.С. Калиновско-го, Владивосток, Дальрыбвтуз, 2011.

5. II Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы освоения биологических ресурсов Мирового океана», Владивосток, Дальрыбвтуз, 2012.

6. Международная научно-практическая конференция «Научно-практические вопросы регулирования рыболовства», Владивосток, Дальрыбвтуз, 2013.

Публикации. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 15 печатных работах, 7 из которых - в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ. В список печатных работ включены материалы и труды 6 международных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы и двух приложений. Работа изложена на 135 страницах, содержит 23 таблицы, 51 рисунок и 2 приложения. Список литературы включает 115 наименований, из них 13 - на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, научная новизна и практическая значимость работы. Сформулированы цели и задачи и положения, выносимые на защиту.

В первой главе проанализированы опубликованные в научно-технической литературе данные о влиянии различных факторов на геометрию и уловистость траловой системы (Короткое, Кузьмина, 1972; Сеславин-

ский, 1974; Жеребенкова, 1981, 1988; Bucki, 1981; Maclennan, 1981; Мизюр-кин, Костюков, 1982; Galbraith, 1983; Рыкунов, 1983; Белов и др., 1987; Matsushita, Inoue, Shevchenko, 1994; Shevchenko, Matsushita, Inoue, 1996; Короткое, 1998; Matsushita, Inoue, Tatarnikov, 1999; Мизюркин и др., 2004; Зафер-ман, 2004; Шевченко и др., 2005; Шевченко и др., 2009; Мизюркин и др., 2010, 2011; Кручинин и др., 2011; Малых, Чернецов, Норинов, 2012). Приведены наиболее употребляемые в настоящее время теоретические и инструментальные методы определения геометрических параметров траловой системы (Баранов, 1960, 1969; Кондратьев, 1964; Стрекалова, 1980; Фридман, 1981; Войниканис-Мирский, 1983; Gomez, Jimenez, 1994; Розенштейн, Недоступ, 1997, 1998; Розенштейн, 2000; Недоступ, 1999, 2009; Сафронов, 2010). Также затронуты некоторые проблемы определения геометрических параметров при проведении учетных съемок (Kulik, Volvenko, 2011; Кручинин, Волвенко, Сафронов, 2012; Волвенко, 2013)

В результате анализа выявлено, что основными элементами траловой системы, формирующими ее геометрию и способствующими удержанию и сгону рыб на пути движения устьевой части трала, являются распорные доски с отходящими от них гидрошлейфами и кабели, создающие комплекс раздражителей разной интенсивности. Определено, что теоретические методы определения геометрии траловой системы, основанные на условии равновесия системы, пригодны, в основном, для разноглубинной траловой системы, так как не учитывают грунтодинамические распорные силы и силы трения элементов траловой системы о грунт. Показано, что все применяемые системы мониторинга тралового комплекса подразделяют по принципу осуществления канала связи между датчиком и судном. Это кабельные системы, где связь датчика с судном осуществляется по кабелю и бескабельные системы, где связь между датчиком и судном идет по гидроакустическому каналу. Главное преимущество бескабельных систем заключается в возможности использования комплекса датчиков, которые позволяют вести обширный мониторинг всех параметров траловой системы, поэтому бескабельные системы

наиболее приемлемы для инструментальной оценки геометрических параметров траловой системы. Сделан вывод о том, что, ввиду отсутствия на научно-исследовательских судах необходимой аппаратуры контроля параметров орудий лова, возникает сомнение в репрезентативности оценки биоресурсов по результатам проведения учетных работ. В этой связи назрела настоятельная необходимость в разработке доступных методов определения зоны облова тралов на основе экспериментального исследования основополагающих факторов, формирующих геометрию траловой системы.

Во второй главе изложена методика экспериментального исследования геометрических и силовых параметров донных тралов.

Для измерения геометрических параметров тралов использовали гидроакустическую бескабельную систему контроля орудий лова фирмы «Ясаптаг». В комплект аппаратуры входили датчик вертикального раскрытия трала, датчики расстояния между концами крыльев и траловыми распорными досками. Датчики имеют следующие технические характеристики: диапазон частот - 40,8-43,4 кГц; уровень выходного сигнала - 186 дБ/мкПа; ширина луча - 55°; дальность действия - 2500 м; максимальная глубина погружения у различных модификаций - 600-1500 м; габариты - не более 300x250x150 мм; вес в воздухе - 3.9-7,5 кг; вес в воде - 1,2-2,8 кг. Диапазон измеряемых расстояний между досками - от 0 до 300 м; точность измерений - ± 0,2 м. Датчики закрепляли на гуже верхней подборы, на концах крыльев трала и на распорных досках. При исследовании геометрии трала выполняли серию измерений сопротивления траловой системы по натяжению ваеров. Измерения проводились с помощью динамометра 9016 АПУ-20-1-УХЛ 2, предельная нагрузка которого составляла 20 кН, точность измерения ±0,2 кН. Динамометр с помощью ваерного стопора раскреплялся между фундаментом лебедки и ваером. Показания динамометра снимали через каждые 10-20 секунд на протяжении всего траления. Массивы данных по геометрическим и силовым параметрам подвергались статистической обработке, в результате которой определяли средние величины, их дисперсии и средние квадратичные отклоне-

ния. Для определения статистической достоверности различия между средними величинами использовали известную методику З.М.Аксютиной (1968).

В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования геометрических и силовых параметров донных тралов.

1. Результаты исследования геометрии трала 25,4 /24,0 и натяжение ваеров в зависимости от длины кабелей

Работы проведены на МРТК «Янтарь» (БИФ ТИНРО) в заливе Петра Великого (ЗПВ). Траления выполнялись на двух полигонах с глубинами около 25 м и 45 м при соблюдении постоянной скорости около 2,5 узлов. На рисунках 1-3 представлены средние значения геометрических параметров донного трала 25,4 /24,0 м при различной длине кабелей.

На рисунках 1-3 обозначено Вдос - расстояние между досками; Вкр -расстояние между крыльями; Ьтр -

вертикальное раскрытие. На графиках (рис. 1-3) видно, что изменение длины кабелей в большей степени влияет на расстояние между досками и в меньшей - на горизонтальное и

вертикальное раскрытие трала. Однако есть принципиальное различие между данными, полученными при длине кабелей до 50 м и до 100 м. Первое из них заключается в том, что с увеличением длины кабелей свыше 50 м темпы роста расстояния между досками существенно снижаются. Второе отличие заключается в существенном увеличении расстояния между крыльями трала при отсутствии кабелей, которое

я .__

а. 0 * t

12,5 25 37,5 50

Длина кабелей,м

Рис. 1. Средние значения геометрических параметров донного трала 25,4 /24,0 м при изменении длины кабелей от 12,5 до 50 м

О 25 50 75 100

Длина кабелей, м

Рис. 2. Средние значения геометрических параметров донного трала 25,4/24,0 м при изменении длины кабелей от 0 до 100 м (полигон 25 м, длина ваеров 150 м, скорость траления 2,5 узл)

в среднем на 2 м больше, чем при длине кабелей 25, 50, 75 и 100 м. Оценка достоверности различия между средними значениями с применением критерия Стьюдента, рассчитанного по формуле (1) по-

Рис. 3. Средние значения геометрических параметров донного трала 25,4/24,0 м при изменении длины казала, ЧТО при тралениях С раЗЛИЧ-кабелей от 0 до 100 м полигон 45 м, длина ваеров 200 „ „ _

М, скорость траления 2,5 узл) ной длинои кабелей получено дос-

товерное различие (с доверительной вероятностью не менее 0,95) по расстоянию между досками. По раскрытию крыльев трала и вертикальному раскрытию достоверное различие получено только в некоторых диапазонах длин кабелей.

С помощью динамометра выполнено по 3 серии измерений с кабелями длиной 0, 50 и 100 м на полигонах с глубинами 25 м и 45 м. Средние значения натяжения ваеров на этих полигонах для различных скоростей траления (\тр) и длины кабелей (Ька6), приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Средние значения натяжения ваеров при различной длине кабелей и скорости траления

Утр, узлы Ь каб =0 м | Ь каб =50 м | Ь каб =100 м

Натяжение ваеров, кН

2 4,4 4,4 5,6

2,1 4,9 4,7 6,1

2,2 5,3 4,7 6,7

2,3 5,8 5,3 7,3

2,4 6,2 6,1 8,2

2,5 6,7 6,9 8,6

2,6 7,7 7,1 9,0

2,7 8,1 8,1 9,4

2,8 8,4 8,3 10,1

2,9 8,8 8,6 11,0

3 9,3 8,9 11,8

Данные таблицы 1 показывают, что натяжение ваеров при длине кабелей 0 и 50 м различается незначительно. Увеличение длины кабелей до 100 м приводит к увеличению сопротивления траловой системы в среднем в 1,3 раза.

2. Результаты исследования геометрии трала 25,4 /24,0 и натяжение ваеров в зависимости от угла атаки траловых досок

В работе использовали У-образные траловые доски «Бизон» размером 1,35 х 1,75 м в плане, площадью 2,4 м2 и массой по 420 кг каждая.. Траления выполнялись при соблюдении постоянной скорости около 2,5 узлов, глубины траления около 40 м и длины кабелей - 50 м. Угол атаки траловой доски задавали путем изменения положения крепления ваера и лапок на доске (табл. 2).

Таблица 2 - Строительные углы атаки У-образной траловой доски

Лапки 1 Лапки 2 Лапки 3 Лапки 4 Лапки 5

Ваер 1 10,3 12,3 14,8 17,9 22,0

Ваер 2 11,1 13,5 16,4 20,1 25,0

Ваер 3 12,2 14,9 18,3 22,8 28,9

Ваер 4 13,4 16,6 20,7 26,3 34,1

В процессе тралений произведено около 300 измерений вертикального раскрытия устья трала и расстояния между досками при различных положениях крепления ваера и кабелей на траловых досках. Сопоставляя положения

Рис.4. Зависимость вертикальногораскрытия

трала 25,4 /24,0 м от строительного угла ата- крепления ВаерОВ И ЛаПОК СО СТроИТеЛЬ-ки досок (полигон 25 м, длина ваеров 150 м,

скорость траления 2,5 узл) ными углами атаки траловой ДОСКИ

(см. табл. 2), построили обобщенные графики зависимости вертикального раскрытия и расстояния между досками от угла атаки (рис. 4, рис. 5).

Линии тренда на рисунках 4 и 5 указывают на нелинейный характер

Рис. 5. Зависимость расстояния между досками

трала 25,4/24,0 мот строительного угла атаки изменеНИЯ верТИКЭЛЬНОГО раскрытия досок (полигон 25 м, длина ваеров 150 м, скорость траления 2,5 узл)

15 20 25 30 35

Угол атаки доски, град

трала и расстояния между досками по мере увеличения угла атаки траловой доски. Такой результат объясняется тем, что при увеличении угла атаки до критического значения увеличивается распорная сила досок и, как следствие, увеличивается расстояние между ними. После чего распорная сила доски снижается, следовательно, уменьшается расстояние между досками, что приводит к уменьшению горизонтального и увеличению вертикального раскрытия устья трала.

В процессе тралений произведено около 900 измерений натяжения вае-ра при различных положениях крепления ваеров и кабелей на траловых досках, т.е. при различных углах атаки траловой доски. Сопоставляя положения крепления ваеров и лапок с углами атаки траловой доски (см. табл. 2), построили обобщенный график зависимости натяжения ваеров от угла атаки (рис. 6). Линия тренда на графике рисунка 6 указывает на нелинейный характер повышения сопротивления траловой системы по мере увеличения угла атаки траловой доски.

3. Результаты исследования геометрии тралов 23,2/24,1 м и 23,2/26,0 м в зависимости от скорости траления

Тралы 23,2/24,1 м и 23,2/26,0 м различались размерами боковой пласти: у первого высота в вытяжку составляла 2,4 м, у второго - 4,3 м. Скорость траления изменялась от 1,3 до 3 узлов, глубина траления и длина вытравленных ваеров практически не изменялась. В процессе работы зарегистрировано более 300 значений вертикального раскрытия, расстояния между крыльями и расстояния между досками при различных скоростях траления. Статистический анализ результатов наблюдений приведен в таблице 3, где расчетное значение критерия Стьюдента вычисляли по формуле (1).

4 -1-.-1-.-1

10 15 20 25 30 35

Угол атаки доски, град

Рис. 6. Зависимость натяжения ваеров трала 25,4/ 24,0 м от строительного угла атаки траловых досок

Таблица 3 - Количество измерений, средние значения и доверительная вероятность различия геометрических параметров тралов 23,2/24,1 м и 23,2/26,0 м

Характеристика Вертикальное раскрытие Расстояние между крыльями Расстояние между досками

23,2/24,1 23,2/26,0 23,2/24,1 23,2/26,0 23,2/24,1 23,2/26,0

Кол-во измерений 142 162 142 162 142 162

Ср. значение, м 2,3 2,9 10,0 9,8 27,5 24,3

Доверительная вероятность различия 1,000 0,516 0,996

Данные таблицы 3 показывают, что только вертикальное раскрытие трала 23,2/26,0 м достоверно больше, чем у трала 23,2/24,1 м. Расстояния между крыльями статистически не различаются, а расстояние между досками у трала 23,2/24,1 м в среднем даже больше, чем у трала 23,2/26,0 м.

Изменение геометрических параметров тралов при изменении скорости траления приведено на рисунке 7.

Скорость траления, узл

Рис.7. Изменение геометрических параметров тралов 23,2/24,1 м (В-1) и 23,2/26,0 м (В-2) при увеличении скорости траления

Анализ графиков на рисунке 7 показывает, что с увеличением скорости траления у тралов уменьшается вертикальное раскрытие и увеличивается

расстояние между крыльями трала и досками. Если предположить, что устье трала имеет форму эллипса, то уменьшение вертикального раскрытия при увеличении горизонтального может указывать на незначительном изменении периметра устья трала.

4. Результаты исследования геометрии трала 27,1/24,4 м в зависимости от скорости траления и длины вытравленных ваеров

Работа проведена в Беринговом море при выполнении донной траловой съемки на НИС «Профессор Кагановский». Было произведено 234 траления с различной скоростью и длиной вытравленных ваеров, при этом скорость траления изменялась в пределах 2,0 - 4,3 узла, а длина ваеров - от 100 до 1100 м.

Изменение геометрических параметров траловой системы в зависимости от скорости траления показано на рисунке 8.

8 * 3.2

5 »

С х

1 5 2.8

X О.

2

1,8 2 2,2 2.4 2.8 2,8 3 3,2 3.4 З.в 3,8 Скорость траления, узл

А 4 А А

. * А____ 4 *

0* = 0,1659

Рис. 8. Изменение геометрических параметров трала 27,1/24,4 м в зависимости от скорости траления

На графиках рисунка 8 видно, что при скорости более 3 узлов вертикальное и горизонтальное раскрытие трала уменьшается. Объясняется это тем, что до некоторого значения скорости траления доминирующим в формировании геометрии траловой системы является распорная сила досок, которая приводит к увеличению расстояния между досками и крыльями трала.

С дальнейшим увеличением скорости траления доминирующим становится сопротивление трала, которое приводит к уменьшению расстояния между досками и крыльями.

На рисунке 9 представлено изменение геометрии трала в зависимости от отношения длины вытравленных ваеров к глубине лова (Цаер/Нлова).

Отношение Ьваер/Нлова

Рис. 9. Изменение геометрических параметров трала 27,1/24,4 м в зависимости от отношения длины ваеров к глубине лова

На графиках рисунка 9 прослеживается однозначная зависимость геометрических параметров от отношения Ьваер/Нлова. При увеличении этого отношения горизонтальные раскрытия уменьшаются, а вертикальное - увеличивается. Особенно значимо этот совокупный фактор влияет на расстояние

между досками, что подтверждает существенное влияние сопротивления и веса ваеров на геометрию траловой системы. В этой связи интерес представляет вопрос о том, какая длина ваеров или какое

Глубина лова, м

Рис. 10. Изменение отношения Ь „р/Нлом с увеличением глубины лова

отношение Ьваер/НП0ва соблюдалось при тралениях на различных глубинах (рис. 10).

На рисунке 10 видно, что на глубинах до 100 м отношение длины вае-ров к глубине лова, составляет от 2,2 до 3,8. При дальнейшем увеличении глубины лова это отношение снижается в среднем от 2,5 до 1,8. Такой результат можно отнести к тактике тралений, при которой должно соблюдаться такое отношение Ьваер/Нлова, чтобы натяжение нижнего конца ваера было направлено горизонтально (Баранов, 1969). Однако этот фактор, как видно из графиков на рисунке 9, влияет на горизонтальное раскрытие трала, и получается, что на малых глубинах зона облова трала меньше, чем на больших. Если при проведении траловой съемки зону облова во всех тралениях считать неизменной, то очевидно, что площадная плотность распределения гидро-бионтов и, в конечном итоге, обилие гидробионтов будет определено с погрешностью. Такой вывод должен насторожить специалистов, определяющих плотность распределения и численность гидробионтов по данным учетных траловых съемок.

В четвертой главе приведены результаты разработки методов оценки геометрических параметров донных тралов.

1. Метод расчета горизонтального раскрытия донных тралов

Метод расчета поясняет схема на рисунке 11, где обозначено: /г„ „. - вертикальное раскрытие устья трала в сечении I, м; й„ „ - вертикальное раскрытие трала в сечении II, м; Имеш - вертикальное раскрытие мешка трала в сечении III, м длина топенанта от конца крыла до сечения I, м; ¿2 - длина топенанта от сечения I до сечения II, м; Ь3 - длина топенанта от сечения II до сечения III, м; Ьскв - длина сквера, м; Вкр- расстояние между концами крыльев трала, м; Д, „. - горизонтальное раскрытие устья трала в сечении I, м; В„„ -горизонтальное раскрытие трала в сечении II, м; Виеш - горизонтальное раскрытие мешка трала в сечении III, м; а - угол атаки сетной оболочки трала в вертикальной плоскости, град; /? - угол атаки сетной оболочки трала в горизонтальной плоскости, град.

ш

L,

Сущность метода

заключается в том,

что из раскроечного

чертежа трала нахо-

дим периметр эллипсовидного сечения I. Далее, по заданному

значению верти-

Рис. 11. Схема к расчету горизонтального раскрытия донного трала

кального раскрытия

Ивп определяем горизонтальное раскрытие Вяп . По известному отношению /?„„ / В„м находим Нмеш , Вмеш в эллипсовидном сечении III и горизонтальный угол атаки ß. По известной длине топенанта Li и углу атаки ß определяем искомое горизонтальное раскрытие Вкр. При необходимости определяем также параметры йн.„. и В„ „ эллипсовидного сечения II. Одну из полуосей эллипса при известной другой находили по формула индийского математика Срини-васа Рамануджана Айенгора (1887-1920), по которой периметр эллипса приблизительно равен:

где а к Ь его большая и малая полуоси. Решив данное уравнение относительно а, находим:

где Р = Р(в,„4 ; а = Ввж/ 2; Ь = Нв,„ / 2.

В таблице 4 приведена погрешность расчетов расстояния между крыльями по вышеприведенной методике для тралов, по которым нами получены экспериментальные данные. При этом средние значения погрешностей показаны в наиболее встречаемых диапазонах отношения расстояния между крыльями трала к длине верхней подборы (В^,/ 8В П ).

(1)

д/ЗР(4жЬ + Р - 20я-V -АлЬ + ЪР 6л

(2)

Таблица 4 - Погрешность вычисления расстояния между крыльями трала в наиболее встречаемых диапазонах В,ф /5В П

Характеристика Номинал трала

25,3/24,0 23,2/24,1 23,2/26,0 27,1/24,4

Диапазон Вкр/вв.п. 0,45-0,60 0,35-0,55 0,35-0,50 0,45-0,65

Встречаемость Вкр/8в.п., % 70 64 83 84

Среднее значение Вкр/Бв-п. 0,52 0,47 0,44 0,60

Погрешность определения В кр, % 5,0 13,5 7,3 8,9

В таблице 4 видно, что погрешность расчетов для тралов не превышает 15%, что указывает на работоспособность методики.

На основе вышеизложенной методики, по известным (зафиксированным в траловых карточках) значениям вертикального раскрытия, проведен ретроспективный анализ горизонтального раскрытия почти 50 видов донных тралов, использовавшихся в донных траловых съемках ТИНРО с 1977 по 2010 г. (Кручинин, Волвенко, Сафронов, 2012).

2. Метод расчета расстояния между траловыми досками

Весьма простой способ определения расстояния между досками возможен при известном расстоянии между крыльями трала, углу атаки и длине кабелей, при этом определение угла атаки кабелей базируется на предположении о том, что линия кабелей является продолжением линии топенантов трала (Фридман, 1981; Розенштейн, 2000; Габрюк, 2012). Однако некоторые экспериментальные данные (Мизюркин и др., 2010) показывают, что формирование угла атаки кабелей подчиняется другим закономерностям. Некоторые исследователи (CaiTothers, 1980; Gomez, Jimenez, 1994; Мизюркин и др., 2010) представляли линию кабелей в виде ветвей цепной линии или параболы, форму которой принимает верхняя подбора донного трала в процессе буксировки. Однако такое представление дает при расчете расстояния между досками существенные погрешности.

Поэтому нами разработан оригинальный метод, где линия кабелей представлена в виде касательных к цепной линии или параболе в точке крепления кабеля к подборе. При этом цепная линия или парабола имеют

различную конфигурацию, которая определяется отношением хорды к длине этих кривых (Ь/Б), что на практике соответствует отношению расстояния между крыльями трала к длине верхней подборы (Вкр / 8ВП ). Расчетная схема представлена на рисунке 12, где обозначено: Д, - диаметр сетной оболочки трала в месте присоединения мешка, м; 5в„. - длина верхней подборы, м; Вкр - расстояние между концами крыльев трала (горизонтальное раскрытие), м; ^топ - длина топенанта, м; Ькай - длина кабельной линии, включающая длину голого конца и лапок, м; /? - угол атаки кабеля, рад; Вд - расстояние между досками, м. Обозначения (э),(г^),(л) и (т) относятся, соответственно, к экспериментальным (измеренным) данным и величинам, рассчитанным по уравнениям касательной к цепной линии или параболы и по углу атаки топенанта.

Рис. 12. Схема к расчету расстояния между досками

Расстояние между досками находили из выражения:

Вд = 2Ъп6вт/] + Вкр (3)

Расчетные значения угла атаки вычисляли по формулам:

0„=л/2-А«8(Вкр/2р„) ^=Агс8т[(В1ф-Ом)/2Ьтоп] р3 = Агс8т [(Вд(э) -Вкр)!2Ьш6\

Для исключения процедуры нахождения параметра цепной линии и параболы (/>„.„., р„) в уранениях (4) нами разработаны удобные для автоматизи-

рованных расчетов аналитические уравнения, являющиеся аппроксимацией зависимости угла наклона цепной линии и параболы от отношения IVS:

Р = л¡2 - Arch (аХ * + ЬХ г + сХ 2 + dX + к), (5)

где X = L/S = Вкр/£„„.; /? - в радианах. Достоверность аппроксимации равна 100%, а относительная погрешность не превышает 0,1%.

Экспериментальные и рассчитанные с применением формул (3) и (5) расстояния между досками приведены на рисунке 12.

а) б)

в)

г)

« Эксперимент □ Цептния о Парабола Топенант

20 « 60 — Порядковый номер

о Цеп линия о Парабола Топенант

200 300 400

Порядковый номер

Рис. 12. Экспериментальные и расчетные значения расстояния между досками для донных тралов: а) - 25,3/24,0 м; б) - 23,2/24,1 м; в) - 23,2/26,0 м; г) - 27,1/24,4 м

Оценку погрешности расчета расстояния между досками произвели для каждого трала в зависимости от конфигурации верхней подборы (от отношения Вкр/$„,,). Результаты приведены в таблице 5.

Таблица 5 - Погрешность вычисления расстояния между досками с использованием различных методов.

Характеристика Номинал трала

25,3/24,0 23,2/24,1 23,2/26,0 27,1/24,4

Диапазон Вкр/Бв.п. 0,45-0,60 0,35-0,55 0,35-0,50 0,45-0,65

Встречаемость Вкр/5в.п., % 70 64 83 84

Среднее значение Вкр/вв.п. 0,52 0,47 0,44 0,60

Погрешность определения В дос, %:

по касательной к цепной линии 20,5 13,6 9,0 19,4

по касательной к параболе 12,0 25,3 23,5 8,2

по улу атаки топенантов 24,5 15,9 10,2 27,5

Анализируя данные таблице 5, можно предположить, что для тралов 25,3/24,0 и 27,1/24,4 с мягкой сетной оболочкой наиболее приемлемым для расчета расстояния между досками является метод, базирующийся на представлении верхней подборы в форме параболы, а линии кабелей - в виде касательной к параболе (рис. 12, а, г). Для тралов 23,2/24,1 и 23,2/26,0 с жесткой сетной оболочкой наиболее приемлемо представление верхней подборы в форме цепной линии, а линии кабелей - в виде касательной к цепной линии или продолжения линии топенантов (рис. 12, б, в). Погрешность расчетов при этом не превышает 15%, что указывает на работоспособность методики.

Основные выводы

1. В результате проведенного экспериментального исследования получены количественные данные по геометрическим параметрам четырех типов донных тралов 25,3/24,0, 23,2/24,1, 23,2/26,0 и 27,1/24,4 в зависимости от длины ваеров и кабелей, угла атаки траловых досок, скорости и глубины траления. Эти данные не противоречат основным теоретическим положениям, поэтому могут быть весьма актуальными для проверки адекватности математических моделей геометрии и механики траловой системы.

2. В результате разработки методов оценки геометрии донной траловой системы при отсутствии технических характеристик ваеров, досок, кабелей, оснастки верхней и нижней подбор трала получены и реализованы в программе Microsoft© Office Excel алгоритмы расчета горизонтального раскрытия

трала и расстояния между досками. При этом для определения угла атаки кабелей найдены аналитические уравнения, являющиеся аппроксимацией зависимости угла наклона цепной линии и параболы от отношения хорды к длине этих кривых.

3. Проверка разработанных методов на экспериментальных данных подтверждает правомерность принятых нами теоретических допущений. Во всех случаях погрешность вычислений по разработанным методикам не превышает 15%, что является вполне приемлемым для решения практических задач, в частности, связанных с ретроспективным анализом донных траловых съемок.

Список публикаций по теме диссертации

В изданиях, рекомендуемых ВАК Министерства образования и науки

РФ:

1. Кручинин О.Н., Сафронов В.А. Зона облова снюрреводом при различных траекториях замета // Изв. ТИНРО, т. 158. - Владивосток, ФГУП «ТИНРО-Центр», 2009. - С. 333-355.

2. Кручинин О.Н., Мизюркин М.А., Сафронов В.А. Способ определения коэффициентов уловистости донного трала // Изв. ТИНРО, т. 164. - Владивосток: ФГУП «ТИНРО-Центр», 2011. - С.374-383.

3. Мизюркин М.А., Кручинин О.Н., Сафронов В.А., Капчугин П.В., Га-леев А.И. Геометрические параметры, натяжение ваеров и уловы донного трала при различной длине кабелей // Изв. ТИНРО, т. 164. - Владивосток: ФГУП «ТИНРО-Центр», 2011. - С.360-373.

4. Кручинин О.Н., Волвенко И.В., Сафронов В.А. Расчет геометрии донных тралов по их проектным характеристикам // Изв. ТИНРО, т. 170. -Владивосток: ФГУП «ТИНРО-Центр», 2012. - С. 241-255.

5. Кручинин О.Н., Мизюркин М.А., Захаров Е.А., Сафронов В.А. Геометрия и уловистость двух донных тралов// Изв. ТИНРО, т. 171. - Владивосток: ФГУП «ТИНРО-Центр», 2012. - С. 285-291.

6. Сафронов В.А., Кручинин О.Н., Захаров Е.А. Метод расчета угла атаки кабелей донного трала// Изв. ТИНРО. - 2013. - Т.173. - С.269-279.

7. Захаров Е.А., Кручинин О.Н., Мизюркин М.А., Сафронов В.А. Геометрические параметры донного трала 27,1/24,4 , и возможные погрешности в оценке численности гидробионтов // Изв. ТИНРО. - 2013. - Т. 174. - С.284-292.

В других изданиях:

8. Мизюркин М.А., Кручинин О.Н., Сеславинский В.И., Астафьев С.Э., Сафронов В.А. Геометрия и уловистость донного трала в зависимости от длины кабелей // Материалы межд. научно-практич. конф., посвященной 85-

1 5 — 3 Л Д 9

летию со дня рождения заслуженного деятеля науки и техники Российской Федерации Фридмана Александра Львовича и 95-летию со дня основания кафедры промышленного рыболовства - Калининград: ФГОУ ВПО КГТУ, 2010. - С. 54-63.

9. Кручинин О.Н., Сафронов В.А. Методический аспект применения снюрре-водов для биоресурсных исследований // Материалы межд. научно-практич. конф., посвященной 85-летию со дня рождения заслуженного деятеля науки и техники Российской Федерации Фридмана Александра Львовича и 95-летию со дня основания кафедры промышленного рыболовства. - Калининград: ФГОУ ВПО КГТУ,

2010.-С. 296-305.

10. Сафронов В.А. Современные системы контроля орудий лова на судах ДВ бассейна // Материалы межд. научно-техн. конф. «Актуальные проблемы освоения биологических ресурсов Мирового океана». - Владивосток: Дальрыбвтуз, 2010. С. 229-231.

11. Кручинин О.Н., Мизюркин М.А., Сафронов В.А., Захаров Е.А. Геометрические параметры, натяжение ваеров и уловы донного трала в зависимости от угла атаки траловых досок // Тр. межд. научно-практ. конф., посвященной 125-летию со дня рождения заслуженного деятеля науки и техники РСФСР Баранова Федора Ильича. - Калининград: ФГОУ ВПО «КГТУ», 2011. - С. 267-275.

12. Кручинин О.Н., Сафронов В.А. Адекватность методов вычисления гидродинамического сопротивления сетей пространственной формы / Материалы межд. научно-практ. конф., посвященной 100-летию со дня рождения лауреата Государственной премии B.C. Калиновского. - Владивосток, ФГОУ ВПО «Дальрыбвтуз»,

2011.-С. 238-244.

13. Мизюркин М.А., Кручинин О.Н., Сафронов В.А., Захаров Е.А. Влияние угла атаки траловых досок на сопротивление и геометрические параметры донной траловой системы // Изв. КГТУ, № 24, вып. «Промышленное рыболовство». - Калининград, 2012.

14. Кручинин О.Н., Сафронов В.А. Аппроксимации зависимостей между элементами цепной линии и применение их для решения некоторых задач промрыбо-ловства // Материалы II межд. научно-техн. конф. «Актуальные проблемы освоения биологических ресурсов Мирового океана». - Владивосток: Дальрыбвтуз, 2012. -С. 329-338.

15. Захаров Е.А., Кручинин О.Н., Мизюркин М.А., Сафронов В.А. Теоретический метод определения расстояния между досками донного трала (на основе схемы Ф.И. Баранова) // Материалы межд. научно-практ. конф. «Научно-практические вопросы регулирования рыболовства», Владивосток, Дальрыбвтуз, 2013. - С. 89-99.

Подписано в печать 18.02.2015 г. Формат 60x84/16.

1,39. Уч-изд. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 1. LHO в типографии ФГУП «ТИНРО-Центр» г. Владивосток, ул. Западная, 10.

2012476321

2012476321