圓形重力式網箱流場效應的試驗研究

劉 超，關長濤，崔 勇，趙 俠，李夢杰，李真真 ，王騰騰

（1.上海海洋大學海洋科學學院，上海201306；2.中國水產科學研究院黃海水產研究所，農業(yè)部海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展重點實驗室，青島市海水魚類種子工程與生物技術重點實驗室，山東青島266071）

1 前言

海水網箱養(yǎng)殖一般是在自然海區(qū)的開放環(huán)境下進行的，然而外海水域的海況復雜，深水區(qū)浪高、流急，網箱系統(tǒng)必須有抵抗大浪、強流的能力。這也是深海網箱抗風浪和耐流技術成為制約深水網箱養(yǎng)殖的主要技術瓶頸，而深水網箱系統(tǒng)的水動力特性研究是解決這一技術瓶頸所必需的基礎性研究[1]。研究表明，網衣網目大小、網目形狀及網箱的形狀都與網箱系統(tǒng)流場分布有關，其中網衣對流速的衰減作用尤為突出。網衣為多孔柔性的小尺度結構體[2，3]，周圍流場較為復雜，諸多學者對網衣周圍流場做了不同的研究。Aarsnes等[4]較早地研究了網箱系統(tǒng)內外水流流場的分布情況，并獲得了流速衰減的規(guī)律。Zhao等[5～8]對重力式網箱在水流急波浪環(huán)境下的水流效應進行了研究，并得到一定的衰減規(guī)律。Patursson[9]采用模型試驗對平面網衣后的流場分布情況進行了研究，并得到了水流的變化規(guī)律。宋偉華等[10]也通過模型試驗探究了方形網箱外部流速分布情況，結果表明網衣對網箱外部的流場分布影響顯著。黃六一等[11]通過對網箱在水流作用下的形狀變化的研究，得出網箱在水流作用下會發(fā)生變形，從而影響網箱的有效養(yǎng)殖面積。本文以4組網箱模型為研究對象，在4種流速下，通過聲學多普勒流速儀（ADV）定點測流速和粒子圖像測速（PIV）技術進行流場測試，對比分析網箱各要素對網箱周圍流場的影響，為實際生產提供借鑒。

2 材料與方法

2.1 試驗設備

本試驗在大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室PIV試驗波流水槽中進行。水槽長為22m，寬為0.45m，高為0.6m，試驗水深設定為恒定水深0.4m，對應原型水深20m。試驗中根據(jù)實際海況、網箱的種類以及實驗水槽等的限制因素，確定模型試驗的模型比尺為1∶50，模型網箱尺寸如圖1所示，對應周長為40m的原型網箱。在圓形網箱的基礎上，建立4個網箱模型如圖2所示，模型網箱各參數(shù)如表1所示。其他設備主要有造流系統(tǒng)、ADV、電荷耦合元件（CCD）圖像采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、激光器、示蹤粒子（聚氯乙烯（PVC）粉末）、相機、測力計和計算機等。

圖1 模型網箱尺寸（單位：m）Fig.1 Sizeofnet cage model(unit：m)

圖2 4種不同類型網箱模型Fig.2 Four kinds of net cage models

表1 模型網箱各單位參數(shù)Table 1 Parameters of each cells on net cage models

2.2 試驗方法與內容

PIV技術克服了流場中單點測量的局限性[12～14]，可對流場進行無接觸、無干擾、高精確的測量，是研究水流瞬時流態(tài)的有效手段。示蹤粒子為PVC粉末，圖像分析系統(tǒng)采用美國TSI公司生產的粒子圖像測試系統(tǒng)。當三維ADV顯示的流速達到試驗流速時，用CCD照相機對網箱系統(tǒng)內外進行拍照，每次采集8組圖像，每組圖像采集的時間間隔平均為0.038 s[15]。然后對采集到的圖像進行整理、分析和處理就可得到網箱周圍流場分布。將ADV試驗結果與PIV測得的流場分布結果進行對比，如果結果吻合度較好，則說明這兩種測量方法的可信度高，貼近實際情況。模型流速設為0.06m/s，0.10m/s，0.14m/s和0.18m/s；對應的原型流速為0.481m/s，0.742m/s，1.011m/s和1.287m/s。試驗中測得流速為0.068m/s，0.105m/s，0.143m/s和0.182m/s。

2.2.1 ADV測流速

1）單體網箱測流試驗。在4種不同水流流速下分別對4種單體模型網箱進行ADV試驗，試驗布置圖如圖3所示，測量點1的速度即為來流速度，比較各測量點的實際速度，計算出水流流速衰減率，選擇較優(yōu)的一組網箱模型。

2）群組網箱測流試驗。本試驗以單體網箱測流試驗為基礎，在其中選擇較優(yōu)的一組模型網箱作為研究對象進行試驗，試驗布置圖如圖4所示，其中測量點1為原點，分別測量各個點的水流流速，并進行比較。

圖3 單體網箱流速測量的橫切圖（a）和縱切圖（b）（單位：m）Fig.3 The horizontalview(a)and verticalview(b)for velocity measurement of singlenet cage(unit：m)

圖4 群組網箱流速測量的橫切圖（a）和縱切圖（b）（單位：m）Fig.4 Thehorizontalview(a)and verticalview(b)for velocity measurement of multiplenet cages(unit：m)

2.2.2 PIV測流場

本試驗在4種不同水流流速下，用PIV技術測定4種不同類型模型網箱某一鉛直切面上的流場分布情況，具體試驗設計如圖5所示。

3 試驗結果與分析

試驗前對PIV和ADV的測速差異進行校對[16]。試驗結果表明不同來流速度下流場測量誤差基本一致。通過ADV測定網箱流速，將得到的數(shù)據(jù)進行對比，繪制成圖表，分別對相同網目尺寸、不同網目形狀及相同網目形狀、不同網目尺寸的網箱進行比較，選擇減流效果較好的網箱類型，進而為群組網箱水流流速測定試驗奠定基礎。通過PIV技術，對網箱周圍流場變化進行測定，結合ADV測流結果，進行最優(yōu)網箱組合的選擇。

3.1 網箱流速變化

3.1.1 單體網箱流速變化分析

根據(jù)圖3，分別采集各測量點在不同來流時的流速，整理結果如圖6所示，其中x表示測量點距離原點的水平距離。

對于同一個網箱模型，不同來流速度通過網箱時的最低水流流速均出現(xiàn)在500～900mm，并且對于不同來流速度水流最大衰減率差異不大，因此隨機選擇來流速度為u0=0.182m/s，對4種類型的網箱進行分析比較，得出如下結論：C1、C2、C3和C4的最大流速衰減率分別為33.5%、45.1%、54.9%和62.1%，即C4＞C3＞C2＞C1，說明小網目網衣減流效果整體優(yōu)于大網目網衣；由于C1＜C2、C3＜C4，說明相同網目尺寸的網箱，菱形網目網箱減流效果優(yōu)于方形網目網箱。

圖5 PIV試驗裝置示意圖Fig.5 Schematic of the PIV testset

在出現(xiàn)最低水流速度處之后，網箱對來流的影響依然存在，流速隨著距離的增加逐漸增大。在測量點1 700mm處，水流速度仍然小于來流速度，可見網箱對水流的減流影響范圍很大。

綜合以上結果，水流在穿過網箱時流速銳減；小網目網衣對水流的影響大于大網目網衣，來流穿過網箱時，水流減小的幅度更大；對比相同材質的菱形網目網箱和方形網目網箱，水流穿過菱形網目網箱時流速減小幅度較大，即菱形網目網箱在減流方面優(yōu)于方形網目網箱。

3.1.2 群組網箱流速變化分析

由單體網箱水流變化試驗可知小網目網箱減流效果優(yōu)于大網目網箱，但網目太小也有很大的安全隱患，如水流交換差、網衣附著生物嚴重、承受力大和容易損壞等，因而在實際生產中必須慎重考慮。

圖6 各網箱的ADV測量結果Fig.6 The ADV measurement results of each net cage

基于以上考慮，筆者選擇C2網箱作為本試驗研究對象，以4個C2網箱為一群組，迎流方向相鄰的兩個網箱的中心間距為0.4m，ADV分別測量群組前后以及4個中心點的流速，結果如圖7所示。

圖7 網箱群組的ADV測量結果Fig.7 The ADV measurement results of multiple net cages

隨著網箱數(shù)量的累加，流速是不斷減小的；其中，4個網箱中心的流速最大衰減率依次為25.9%、67.6%、63.2%和88.2%，網箱后的流速衰減率為72.1%。群組網箱的減流效果顯著，且第2個網箱已經可以減流50%以上，對養(yǎng)殖動物可以起到很好的保護作用，因此在流速較大的海區(qū)，可以考慮在養(yǎng)殖網箱前增加一個空網箱來保護養(yǎng)殖動物。

3.2 網箱流場分析

對4種單體網箱進行PIV流場試驗，在4種流速下進行圖像采集，再對所得圖像進行分析和計算，從而得到流場情況，進而得到網箱周圍的流場分布情況。

u0=0.068m/s時，C1流場分布結果如圖8所示，其中x表示測量點位置，y表示水深，虛線框為網箱，下同。100mm處，水流流速為0.034m/s，水流流速衰減率達到50%；200mm處，水流流速為0.051m/s，水流流速衰減率為25%；300 mm處，水流流速為0.034m/s，水流流速衰減率為50%；500mm處，水流流速為0.034m/s，水流流速衰減率為50%；網箱底部水流流速明顯大于來流速度。由圖8b可以看出，PIV與ADV試驗結果基本吻合。

u0=0.105m/s時，C1流場分布結果如圖9所示。100mm處，水流流速為0.035m/s，水流流速衰減率達到66.67%；200mm處，水流流速為0.071m/s，水流流速衰減率為32.38%；300mm處，水流流速為0.053m/s，水流流速衰減率為49.52%；500mm處，水流流速為0.071m/s，水流流速衰減率為32.38%。

圖8 C1流場分布結果（u0=0.068m/s）Fig.8 Flow field distribution results of C1（u0=0.068m/s）

圖9 C1流場分布結果（u0=0.105m/s）Fig.9 Flow field distribution results of C1（u0=0.105m/s）

u0=0.143 m/s時，C1流場分布結果如圖10所示。100mm處，水流流速為0.080m/s，水流流速衰減率達到44.06%；200mm處，水流流速為0.115m/s，水流流速衰減率為19.58%；300mm處，水流流速為0.070m/s，水流流速衰減率為51.05%；500mm處，水流流速為0.073m/s，水流流速衰減率為48.95%。

圖10 C1流場分布結果（u0=0.143m/s）Fig.10 Flow field distribution results of C1（u0=0.143m/s）

u0=0.182 m/s時，C1流場分布結果如圖11所示。100mm處，水流流速為0.138m/s，水流流速衰減率達到了23.08%；200mm處，水流流速為0.151m/s，水流流速衰減率為17.03%；300mm處，水流流速為0.111m/s，水流流速衰減率為39.01%；500mm處，水流流速為0.102 m/s，水流流速衰減率為43.96%。由圖11b可看出，PIV與ADV試驗結果基本一致。

圖11 C1流場分布結果（u0=0.182m/s）Fig.11 Flow field distribution results of C1（u0=0.182m/s）

綜上所述，在水流第一次流經網衣時，水流折流較大；之后水流逐漸增大，水流經過網箱后面網衣時，水流驟減；待水流完全經過網箱時，隨著距離的增加，水流流速慢慢增大；網箱C1的流場在小流速時相對平穩(wěn)，大流速時網箱的底部流速較大，且隨著距離的增加，流速緩慢降低；不論流速大小，PIV與ADV試驗結果基本一致。

u0=0.143 m/s時，C2流場分布結果如圖12所示。100mm處，水流流速為0.063m/s，水流流速衰減率達到55.94%；200mm處，水流流速為0.084m/s，水流流速衰減率為41.26%；300mm處，水流流速為0.053m/s，水流流速衰減率為62.94%；500mm處，水流流速為0.073m/s，水流流速衰減率為48.95%。將圖12與圖10中C2與C1在100～300mm范圍內的水流流速進行比較，對應位置C2水流流速均小于C1，說明C2的減流能力要優(yōu)于C1。

圖12 C2流場分布結果（u0=0.143m/s）Fig.12 Flow field distribution results of C2（u0=0.143m/s）

u0=0.182 m/s時，C2流場分布結果如圖13所示。其結論與u0=0.143m/s時基本一致。比較圖13與圖12，在兩種來流流速下，網箱C2內流場線都比較規(guī)律，流場都比較穩(wěn)定，網箱變形不明顯。

圖13 C2流場分布結果（u0=0.182m/s）Fig.13 Flow field distribution results of C2（u0=0.182m/s）

u0=0.182 m/s時，C4流場分布結果如圖14所示。比較圖14b與圖13b中C4與C2在測量點100～300mm的水流流速，對應位置C4水流流速均小于C2，說明C4的減流能力要優(yōu)于C2；但比較箱內流線情況可知，C4內的流線較亂，并且網箱變形嚴重，因此ADV與PIV測量結果略有差異。

u0=0.182 m/s時，C3流場分布結果如圖15所示。100mm處，水流流速為0.126m/s，水流流速衰減率達到30.77%；200mm處，水流流速為0.063m/s，水流流速衰減率為65.38%；300mm處，水流流速為0.056m/s，水流流速衰減率為69.23%；500mm處，水流流速為0.025 m/s，水流流速衰減率為86.26%。C3的減流效果也較好，但網箱變形嚴重，流線也較紊亂。

圖14 C4流場分布結果（u0=0.182m/s）Fig.14 Flow field distribution results of C4（u0=0.182m/s）

圖15 C3流場分布結果（u0=0.182m/s）Fig.15 Flow field distribution results of C3（u0=0.182m/s）

綜合以上分析可知，PIV與ADV測量結果基本吻合；從減流效果方面來看，菱形網目優(yōu)于方形網目，小網目網衣優(yōu)于大網目網衣。從PIV流場圖可以明顯看出，小網目網衣變形嚴重，對周圍水環(huán)境影響較大，對測量結果也有一定的影響，在實際生產中也要充分考慮這一點。

4 討論

通過PIV流場分析以及ADV定點流速分析可知，水流穿過網箱時，流速顯著變小，網箱對水流流速的衰減率甚至達到一半以上。網衣網目的大小以及網衣網目形狀都與網箱的減流作用有直接關系。其中，小網目的網衣減流能力優(yōu)于大網目，小網目的密實度明顯大于大網目，減流效果更好。然而，小網目的網衣減流大導致網箱受力增大，也容易導致網衣破損，另外也會導致網箱變形嚴重，有效養(yǎng)殖面積降低，這些都不利于養(yǎng)殖生產。有研究表明，流速為0.75m/s時，網箱容積的損失率就達到了47%～56%，網衣變形比較嚴重，導致有效養(yǎng)殖面積銳減。菱形網衣的密實度為0.272，而方形網衣的密實度為0.243[17]，因此，菱形網衣的減流效果優(yōu)于方形網衣，這也與試驗結果是一致的。群組網箱對水流的減流效果比較理想，越靠后的網箱承受的流速越小，迎流方向上的第2個網箱已經可以減流50%以上，第4個網箱的流速衰減率為88.2%。

由Zhao等[6]利用網箱數(shù)值模擬的流場分布可知，網衣前有一定范圍的流速衰減區(qū)域，該衰減區(qū)域比較小；網衣后的流速衰減區(qū)域的范圍相對較大，其寬度幾乎與網衣寬度相同，并且隨著與網衣距離的增加而變窄，同時網衣兩側及網底水流流速也相應增大。由試驗的PIV流場分析圖也可以看出，網衣前流速比來流速度偏小，可能是由網衣的擾流作用引起的；網箱底部顏色較深，即水流大；網箱后的流速變化與網箱高度和寬度密切相關，距離網箱越遠，流速衰減的面積越小，而且顏色逐漸加深，即流速逐漸增大。宋偉華等[10]在方形網箱減流試驗中的流速測試范圍為網箱后50～125 cm的兩個水層，結果顯示網箱減流效果明顯，網箱尾部的減流區(qū)域集中在網袋與來流垂直的投影面中部，而網箱兩側的流速略有增加。這與試驗結果是一致的。

5 結語

根據(jù)ADV對4組圓形網箱模型在不同水流流速下分別進行單體和群組網箱流速的測定，以及PIV技術對網箱內外流場分布的測定結果，通過分析相關數(shù)據(jù)可得出以下結論。

1)4組單體網箱在相同來流速度情況下，對水流均具有不同程度的減流效果；但對于相同網目大小的網箱，菱形網目網箱減流效果優(yōu)于方形網目網箱；而對于相同網目形狀的網箱，小網目網衣網箱減流效果優(yōu)于大網目網衣網箱。

2)群組網箱對水流的減流效果比較明顯，并且隨著網箱數(shù)量的增加，水流流速逐漸降低，在實際生產過程中可以在養(yǎng)殖網箱前面設置一個空網箱，進行減流。

3)在不同水流流速下，大網目網箱內外流場分布比較均勻，穩(wěn)定性較好，而小網目網箱的流線比較紊亂，網箱變形嚴重，這將影響網箱內水體交換并降低有效養(yǎng)殖面積。

根據(jù)以上試驗結果，在網箱養(yǎng)殖生產實踐中選擇網箱時，不僅要考慮網箱的減流情況，還要充分考慮網箱的穩(wěn)定性問題；通過在網箱前面建立一個減流堤，可以有效地減流，增強網箱的穩(wěn)定性。本文主要研究了4種模型網箱在水流作用下的流場分布情況，從中得到了一些規(guī)律和啟示，可為網箱養(yǎng)殖在生產實踐中的應用提供借鑒。

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