CC BY
7
АКВАКУЛЬТУРА
УДК 639.2.081.16
DOI 10.24412/2311-6447-2022-4-218-224
Повышение эффективности работы траловой рыболовной системы путём улучшения гидродинамического качества гибких траловых щитков
Improving the efficiency of the trawl fishing system by improving hydrodynamic quality of flexible trawl kites
Доцент Т.О. Рязанова Керченский государственный морской технологический университет, кафедра судовождения и промышленного рыболовства, тел. 8-918-227-40-72, metodmtifl maii.ru
Associate Professor T.V. Ryazanova Kerch State Marine Technological University, chair of Navigation and Commercial Fisheries, tel. 8-918-227-40-72, metodmltfl.maiI.ru
Аннотация- Улов исто сть трала обеспечивается его конструкцией, скоростью траления, горизонтальным и вертикальным раскрытием устья трала. Вертикальное раскрытие обеспечивается оснасткой верхней подборы гидродинамическими щитками, нижней подборы - загрузкой. Рассмотрены проблемы повышения эффективности работы траловой системы, путём обеспечения необходимого раскрытия устья трала при помощи подъёмных гидродинамических средств - гибкого тралового щитка. Совершенствование конструкции тралового щитка должно быть направлено на улучшение его гидродинамического качества - уменьшение сопротивления движению и увеличение подъёмной силы, которая должна обеспечивать раскрытие устья трала за счёт подъёма верхней подборы. Поскольку проведение натурных испытаний затруднено, испытания модели щитка проводились в опытовом бассейне при обеспечении кинематического и динамического подобия модельного и натурного щитка. Экспериментальные работы, проведённые в опытовом бассейне с моделями щитков, позволили совершенствовать экспериментальное оборудование, при котором получены уточнённые гидродинамические коэффициенты Сх и Су в зависимости от углов р асположеш тя щитка в потоке воды. Кроме того, была разработана новая конструкция тралового щитка, для которого необходимо определение гидродинамических характеристик. Повышение гидродинамического качества достигается тем, что гибкая пластина изготавливается с воздушной полостью по всей передней кромке. Приведены результаты испытаний моделей щитков, получен диапазон углов атаки, на которых подъёмная сила принимает максимальные значения, а также диапазон углов, на которых наблюдается наибольшее гидродинамическое качество щитков. Необходимо продолжение опытных работ с экспериментальным щитком и сравнение полученных коэффициентов С*и Czc данными промыслового щитка.
Abstract. The catch ability of the trawl is ensured by its design, the speed of trawling, horizontal and vertical opening of the mouth of the trawl. Vertical opening is provided by equipping the headline with hydrodynamic kites, the lower one with loading. The problems of increasing the efficiency of the trawl system by providing the necessary opening of the mouth of the trawl with the help of lifting hydrodynamic means -a flexible trawl kites are considered. The improvement of the design of the trawl kite should be aimed at improving its hydrodynamic quality - reducing the resistance to movement and increasing the lifting force, which should ensure the opening of the mouth of the trawl by lifting the upper pick-up. Since it is difficult to conduct full-scale tests, the shield model was tested in the experimental pool while ensuring kinematic and dynamic similarity of the model and full-scale shield. Experimental work carried out in an experimental pool with models of kites made it possible to improve experimental equipment, in which refined hydrodynamic coefficients Cx and Cz were obtained depending on the angles of the Пар in the water flow. In addition, a new design of the trawl shield has been developed, for which it is necessary to determine the hydro-dynamic characteristics. The increase in hydrodynamic quality is achieved by the fact that the flexible plate is made with an air cavity along the entire leading edge. In this paper, the results of testing models of kites are presented, a range of angles of attack at which the lifting force takes maximum values is obtained, as well as a range of angles at which the greatest hydrodynamic quality of flaps is observed. It is necessary to continue experimental work with the experimental shield and compare the obtained coefficients C* and Cy, with the data of the trawl kite.
© Рязанова Т. В,, 2022
Ключевые слова: гидродинамический щиток, подъёмная сила, трал, угол атаки, опытовып бассейн
Keywords: hydrudynamic kite, lifting force, trawl, angle of attack, experimental pool
Тралы являются основным орудием промышленного рыболовства, ими добывается примерно 2/3 мирового улова рыбы и нерыбных объектов - креветок, криля, кальмаров. Широкому распространению тралового промысла способствует em универсальность, большая маневренность, возможность осуществления лова практически на любых глубинах и в сложных условиях моря, относительно высокий уровень механизации, сравнительная простота механизации и автоматизации, возможность полной или частичной переработки рыбы на добывающих судах, имеющих необходимое технологическое оборудование, высокая производительность и экономическая эффективность [1]. На сегодняшний день установлено существенное влияние на эффективность работы разноглубинных тралов точности наведения на промысловое скопление, скорости траления и площади устья, на которую, помимо геометрических размеров тралов, также влияют распорные средства - траловые доски в горизонтальной плоскости и подъёмные траловые средства - гидродинамические п[итки с оснасткой в вертикальной плоскости [2].
Подводные наблюдения за тралами выявили неудовлетворительную работу подъемных траловых средств и показали необходимость их совершенствования, [3]. Совершенствование должно идти путем увеличения гидродинамического качества, т.е. снижения сопротивления и увеличения подъемной силы. Цель исследования -получение гидродинамических характеристик щитка при различных углах настройки к потоку воды.
Основными характеристиками устройств для раскрытия трала являются гидродинамические коэффициенты: сопротивления Сх и подъемной силы Cz. Для совершенствования распорных средств и проектирования новых необходимо изучить зависимость коэффициентов Сх и Cz от различных конструктивных факторов (форма углов атаки, удлинения, формы плава и т.д.) [4]. Такие характеристики можно получить только опытным путем.
Для экспериментальных работ с моделями щитков необходимо соответствующее оборудование: опытовый бассейн, измерительные приборы и т.д,} отвечающие требованиям правил моделирования.
Экспериментальные работы, проведённые в оиытовом бассейне с моделями щитков в Керченском морском технологическом университете (КГМТУ), позволили совершенствовать экспериментальное оборудование, при котором получены уточнённые гидродинамические коэффициенты Сх и Cz в зависимости от углов расположения щитка в потоке воды. Кроме тот, была разработана новая конструкция тралового щитка, для которого необходимо определение гидродинамических характеристик [5]. Приведены результаты дальнейших испытаний моделей щитков.
Наибольшее применение в настоящее время на траловом промысле имеют гибкие траловые щитки. Такой щиток в общем виде должен содержать гибкую пластину (крыло), плав для начальной ориентации крыла к потоку и оттяжки для регулирования угла атаки и соответственно подъемной силы [6J. Такая конструкция относится к плохообтекаемым телам, гидродинамические характеристики которых определяются только экспериментальным путем - натурными испытаниями или в опыто-вом бассейне. Натурные испытания представляют большую трудность, поэтому более предпочтительны испытания в опытовом бассейне.
Для получения коэффициентов Сх, Cz с высокой достоверностью при испытаниях необходимо обеспечить условия кинематического и динамического подобия модельного и натурного щитка [7],
Подобие по числу Re обеспечивается при работе модели в автомодельном режи-
ме. Динамическое подобие выполняется при равенстве отношения подъемной силы Ея и силы Кх сопротивления плава модели и натуры:
Кх» ЯХв
Такое условие можно обеспечить только при работе модели щитка на заглубление и замене подъемной силы плава на заглубляющую.
При моделировании следует учитывать зависимость Сх, Сг от угла атаки, а град и удлинения крыла Л.
Зависимость Сх, Сг от угла атаки а следующая. При увеличении а от О до 90' коэффициент Сх увеличивается от 0 до максимального значения при Сг от а = 00 . Коэффициент Сг возрастает, достигая максимума при акр (критический угол) и далее падает до 0 при а = 90 [8|. Таким образом, задачей исследований является определение акр для различных конструкций щитков и определение зависимости Сх, Сг от угла атаки.
С увеличением удлинения щитка Л снижается величина критического утла и увели1 швается гидродинамическое качество. Следовательно, щитки большого удлинения могут дать лучший эффект. На характер обтекания щитка потоком большое влияние оказывает форма и расположение плава относительно передней кромки.
При свободном креплении за одну точку потоком воды плав разворачивается вокруг оси вращения и заваливается на тыльную сторону шцтка, изменяя характер обтекания крыла и соответственно гидродинамические коэффициенты Сх, Сг в зависимости от скорости движения. Ранее было определено, что промысловый щиток с незафиксированным плавом имеет низкое гидродинамическое качество К= 0,45-0,52, что не удовлетворяет современным требованиям к оснастке тралов [9]. Лучшие качества имеет щиток с зафиксированным от поворота плавом. Ещё лучшее качество у параболического щитка с плавом в форме цилиндра.
В процессе работы по совершенствованию траловых щитков была разработана новая конструкция щитка. Повышение гидродинамического качества достигается тем, что гибкая пластина изготавливается с воздушной полостью по всей передней кромке (рис. 1). Объём полости и давление в ней должны создавать плавучесть только для первоначального утла атаки при постановке трала. При погружении трала в воду по известному физическому закону Бойля-Мариотта объём воздушной полости будет уменьшаться пропорционально гидростатическому давлению воды:
Рг * - Р2 * У2
где Р\ - давление воздуха в воздушной полости на поверхности, МПа; VI - объём воздушной полости, м3; Р2 - давление на глубине, МПа; 1/2 - объём воздушной полости на глубине, м3.
На глубинах 20-50 м объём ориентировочно уменьшится в 2-5 раз, а на глубинах 100 и более м в 10 раз и практически будет мало оказывать влияние на поток воды. Под давлением воды воздушная полость примет форму эллипса, объём которого можно рассчитать по формуле:
У = к*а*Ь*1
где а, Ь - полуоси эллипса, м; 1 - длина щитка, м.
Расчёты показывают, что щиток на глубинах более 100 м примет форму, близкую к тонкой пластине, и будет обеспечиваться максимальное гидродинамическое качество. Трал в рабочем состоянии находится непрерывно в движении в потоке воды, и первоначально принятый угол атаки щитка будет сохраняться, обеспечивая подъёмную силу на всё время траления.
Для опытных работ изготовлена модель гибкого щитка из брезента. Длина щитка 500 мм, ширина 400 мм, с удлинением 1,25. Имитация плава - цилиндрическая труба диаметром 100 мм, с загрузкой, соответствующей подъёмной силе в воде
пустотелой трубы (щиток должен работать на заглубление),
t з 2 1
А-А
Рис. 1. Траловый гидродинамический щиток: 1 - гибкая пластина; 2 - воздушная полость; 3 - подбора щитка; 4 - оттяжка; 5 - верхняя подбора трала; б - канатные связи трала
Для проведения опытных работ с моделями щитков использовался опытовый бассейн на учебно-исследовательском полигоне техники промышленного рыболовства КГМТУ. Размеры бассейна 10x1x1 м. По направляющим трубам, установленным на верхней кромке бассейна, передвигается тележка на колесах. На тележку устанавливается устройство для испытания моделей щитков. Тележка приводится в движение лебедкой, на барабан которой наматывается тяговый канат. Длина бассейна выбрана из условий обеспечения разгонного участка, на котором модель должна разогнаться до необходимой скорости рабочего участка, на котором модель движется стационарно, и участка торможения, на котором скорость снижается до нуля, В данном бассейне длина разгонного участка принята 4 м, рабочего и мерного участка 5 м и участка торможения 1 м.
Устройство для испытания щитков должно содержать:
- приборы для измерения горизонтальных и вертикальных усилий;
- устройство для регулировки угла атаки щитка от 0 до 80° к набегающему потоку.
- устройство, фиксирующее щиток относительно горизонтали для исключения изменения положения при движении.
Скорость движения модели измерялась двумя методами: трубкой Пито, установленной на тележке, и измерением времени прохождения тележкой рабочего участка длиной 5 м. Исследовалась зависимость гидродинамических коэффициентов Сх, Cz от угла атаки экспериментального щитка с формой плава, принимаемой на поверхности воды [10], При опытах фиксировалась скорость движения по времени прохождения мерного участка, угол атаки и показания динамометров, измеряющих сопротивление щитка при движении и подъёмную силу (рис. 2).
Рис. 2. Схема устройства для испытания щитков: 1 - гибкая пластина; 2 - воздушная полость; 3, 4 - динамометры; 5 - винт для регулирования угла атаки; 6 - вин.т для регулирования прогиба щитка; 7 - инерционные грузы
Рис.3. Вид устройства для испытания, гидродинамических щитков в опытовом бассейне
При проведении опытов модернизированное устройство для испытания моделей траловых щитков (рис. 1) устанавливалось на тележке (рис. 2,3) и протаскивалось с помощью лебёдки в опытовом бассейне. Проведены опыты по определению зависимости коэффициентов СУ и Сг от угла атаки Сх, Сг = /(а) на углах от 5 до 81° для щитков с формой плава, принимаемой на поверхности. Опыты проводились на числах = 3 • 105 - 4,7 * 105. Результаты испытаний приведены п таблице, график зависимости гидродинамических коэффициентов Сх и Си от угла атаки приведён на рис. 4.
Таблица
Результаты опытных работ с гидродинамическим траловым щитком, оснащённым цилиндрическим плавом (работа на поверхности)
№ а, 0 Показания, динамометров Скорость движения V м/с Сг Сх К
НУ, н Их, н
1 5 31 22 0,85 0,43 0,30 1,43
65 45 1,18 0,47 0,32 1,47
2 14 57 41 0,83 0,83 0,60 1,38
85 55 1,00 0,85 0,55 1,55
3 23 86 44 0,74 1,16 0,80 1,45
145 108 1,15 1,10 0,82 1,34
4 32 86 71 0,83 1,25 1,03 1,21
5 41 97 95 0,89 1,22 1,20 1,02
б 50 94 110 0,89 1,19 1,40 0,85
7 60 70 110 0,83 1,02 1,60 0,64
8 70 50 140 0,88 0,65 1,80 0,36
9 81 11 126 0,74 0,2 2,30 0,09
14 140 0,80 0,22 2,20 0,10
Рис. 4. Зависимость гидродинамических коэффициентов Су, Сх от угла атаки а
На основании анализа полученных результатов опытов с моделями траловых щитков можно сделать следующие выводы:
- в диапазоне чисел Рейпольдса (3 — 4,7) * 105 модели щитков работают в автомодельном режиме по коэффициентам Сх,
- максимальная подъемная сила щитка наблюдается на углах атаки 32-41°. Наибольшее гидродинамическое качество щитка (К) получено на углах атаки 14- 32°,
- критический угол атаки щитка находится в пределах 37- 40 %
- для получения полных гидродинамических характеристик щитка необходимо провести опыты с с}юрмой плава, принимаемой на глубинах 50 и 100 м.
ЛИТЕРАТУРА
1. Рязанова Т. В. Проблемы и перспективы развития промысла российскими судами в Мировом океане / / Теория и практика обеспечения навигационной безопасности на морских путях и в районах промысла; Сб.докл. I нац. научн. -практ.конф. Керчь.; ФГБОУ ВО КГМТУ. - 2021. - С.5-11.
2. Недоступ A.A., Ражев А.О. Производительность сил траловой системы; постановка задачи / / Вестник Астраханского технического университета. Серия: Рыбное хозяйство. - 2021.-№2.-С.55-65
3 Малых K.M., Чернецов В.В., Норинов Е.Г. Использование методов подводных исследований для моделирования поведения гидробионтов во взаимодействии с донными траловыми системами / / Исследование водных биологических ресурсов Камчатки и северо-западной части Тихого океана - 2012. -вып. 27 -С. 129-137.
4 Недоступ A.A., Ражев A.C. Производительность сил траловой системы: физическое моделирование / / Вестник Астраханского технического университета. Серия: Рыбное хозяйство. - 2021,-№3.-С.86-93
5. Рязанова Т.В. Мониторинг проблем подготовки квалифицированных кадров для рыбной промышленности Азово-Черноморского бассейна / / Морские технологии проблемы и решения: Сб.трудов II нац. научн.-практ.конф.Керчь.: ФГБОУ ВО КГМТУ КГМТУ. -2021. - С. 16-20.
6 Габрюк В.И,, Кудакаев В.В., Габрюк A.A., Бойцов Л.Н. Методика расчёта параметров оснастки разноглубинных тралов // Известия ТИНРО. -2018.- том 195.- С. 244-252.
7 Недоступ А.А., Ражев А.О., Соколов Е.В., Макаров В.В. Математическое моделирование орудий и процессов рыболовства // Монография. Калининград: ФГВОУ ВПО «КГТУ», 2016. - 249 с.
8 Розеннггейн М.М., Савин М.В. Исследование задачи оптимизации конструктивных характеристик Тралов // Известия КГТУ, -2014. - № 35, - С, 86-90.
9 Шевченко А.И., Татарников В. А. Обоснование оптимальной конструкции гидродинамического устройства для оснастки верхней подборы трала / / Известия ТИНРО. -2003.-том 135.-С. 356-381.
10 Недоступ А.А. Экспериментальная гидромеханика орудий рыболовства. М.: Моркнига, 2014.-363 с.
REFERENCES
1 Ryazan о va T.V. Problemy i perspektivy razvitiya promysla rossiyskimi sudami v Mirovom okeane [Problems and prospects for the development of fishing by Russian vessels in the World Ocean], Teoriya i praktika obespecheniya navigatsionnoy bezopasnosti na morskikh putyakh i v rayonakh promvsla: Sb.dokl. I nats. nauchn, -prakt.konf. Kerch1.: FGBOU VO KGMTU, 2021, pp.5-11 (Russian).
2 Nedostup A. A., Razhev A.O. Proizvoditel'nost' sil tr alo voy sistemy: postanovka zadachi [Performance of the trawl system forces: problem statement], Vestnik Astra -khanskogo tekhnicheskogo universiteta. Seriya: Rybnoe khozyaystvo, 2021, No 2, pp.5565 (Russian),
3 Malykh K.M., Chernetsov V.V., Norinov E.G. Ispol'zovanie metodov podvodnykh isslcdovaniy dlya modelirovaniya povedeniya gidrobiontov vo vzaimodeystvii s donnymi tralovymi sistemami [The use of underwater research methods for modeling the behavior of hydrobionts in interaction, with bottom trawling systems], Issledovanie vodnykh bio-logicheskikh resursov Kamchatki i severo-zapadnoy chasti Tikhogo okeana, 2012, No 27, pp. 129-137 (Russian).
4 Nedostup A.A,, Razhev A.O. Proizvoditel'nost' sil tralovoy sistemy: flzicheskoe modelirovanie [Performance of the trawl system forces: physical modeling], Vestnik Astrakhan skogo tekhnicheskogo universiteta. Seriya: Rybnoe khozyaystvo, 2021, No 3, pp.86-93 (Russian).
5 Ryazanova T.V. Monitoring problem podgotovki kvalifitsirovannykh kadrov dlya rybnoy promyshlennosti Azovo-Chernomorskogo basscyna [Monitoring of the problems of training qualified personnel for the fishing industry of the Azov-Black Sea basin], Mor-skie tekhnologii problemy i resheniya: Sb.trudov II nats. nauchn, -prakt.konf.Kerch'.: FGBOU VO KGMTU, 2021, pp.16-20 (Russian).
6 Gabryuk V.I., Kudakaev V.V., Gabiyuk L.A., Boytsov A.N. Metodika rascheta par-ametrov osnastki raznoglubinnykh tralov [Methodology for calculating the parameters of rigging of multi-depth trawls], Izvestiya TINRO, 2018, vol. 195, pp. 244-252 (Russian).
7 Nedostup A.A., Razhev A.O., Sokolov E.V., Makarov V.V. Matcmaticheskoe modelirovanie orudiy i protsessov rybolovstva. [Mathematical modeling of fishing gears and processes], monograiiya. Kaliningrad: PGBOU VPO «KGTU», 2016, 249 p (Russian).
8 Rozenshteyn M.M., Savin M.V. Issledovanie zadachi optimizatsii konstruktivnykh kharakteristik tralov [Investigation of the optimization problem of the design characteristics of trawl], Izvestiya KGTU, 2014, No 35, pp. 86-90 (Russian).
9 Shevchenko A.I., Tatarnikov V. A. Obosnovanie optimal'noy konstruktsii gidro-dinamicheskogo ustroystva dlya osnastki verkhney podboiy trala [Substantiation of the optimal design of a hydrodynamic device for rigging the headline of the trawl], Izvestiya TINRO, 2003, vol. 135, pp. 356-381 (Russian).
10 Nedostup A. A, Eksperimental'naya gidromekhanika orudiy iybolovstva [Experimental hydromechanics of fishing gear], M.: Morkniga, 2014, 363 p (Russian).
