網(wǎng)格錨定單體碟形網(wǎng)箱的水動(dòng)力特性研究

徐為兵, 朱克強(qiáng), 張大朋, 楊然哲

(寧波大學(xué) 海運(yùn)學(xué)院, 浙江 寧波 315211)

過(guò)度捕撈和近海海洋環(huán)境污染導(dǎo)致近岸海洋漁業(yè)資源枯竭。發(fā)展創(chuàng)新型漁業(yè), 大力調(diào)整漁業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu), 轉(zhuǎn)變漁業(yè)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)方式是我國(guó)漁業(yè)的政策導(dǎo)向。深水抗風(fēng)浪網(wǎng)箱是全球沿海國(guó)家開(kāi)發(fā)海洋經(jīng)濟(jì)的重要戰(zhàn)略裝備, 也是我國(guó)新時(shí)期現(xiàn)代農(nóng)業(yè)向海洋領(lǐng)域拓展的重要戰(zhàn)略需要。我國(guó)深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖事業(yè)起步比較晚, 與挪威、美國(guó)、日本等國(guó)在深水養(yǎng)殖領(lǐng)域存在相當(dāng)差距。目前綜合各方面因素來(lái)看, 結(jié)構(gòu)形式較為簡(jiǎn)單、管理較為方便而且價(jià)格較低廉的重力式網(wǎng)箱更適合我國(guó)的國(guó)情, 全國(guó)絕大多數(shù)采用的都是此類(lèi)網(wǎng)箱。張雅芝[1-2]等從水產(chǎn)養(yǎng)殖的角度分析了我國(guó)海水網(wǎng)箱養(yǎng)殖長(zhǎng)久以來(lái)存在的各種問(wèn)題, 如網(wǎng)箱的布局、管理和魚(yú)類(lèi)病害等, 這些問(wèn)題制約著我國(guó)網(wǎng)箱養(yǎng)殖的發(fā)展。但是如果能在認(rèn)識(shí)這些問(wèn)題的基礎(chǔ)上, 加強(qiáng)對(duì)海水養(yǎng)殖容量的研究, 開(kāi)發(fā)優(yōu)良品種,保護(hù)種質(zhì)資源并加強(qiáng)養(yǎng)殖水環(huán)境保護(hù)和病蟲(chóng)防護(hù),就能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)箱養(yǎng)殖的可持續(xù)健康發(fā)展； 徐君義等[3]根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)海區(qū)網(wǎng)箱養(yǎng)殖的成果, 針對(duì)網(wǎng)箱的材料、魚(yú)種的選擇與運(yùn)輸, 總結(jié)出了實(shí)際養(yǎng)殖過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的一些經(jīng)驗(yàn)； 王福表[4-5]則專(zhuān)門(mén)分析了網(wǎng)箱養(yǎng)殖水域污染源的成因和特點(diǎn), 并根據(jù)實(shí)際考察給出了水污染治理的一些相關(guān)對(duì)策。同時(shí), 作者針對(duì)網(wǎng)箱的有機(jī)質(zhì)淤積帶來(lái)的危害, 研制了一種在沉降物未到達(dá)水底前就能被收集清除的新型網(wǎng)箱。雖然目前浮式重力式網(wǎng)箱應(yīng)用較廣, 但它在強(qiáng)水流作用下, 網(wǎng)衣水平漂移嚴(yán)重, 網(wǎng)箱容積損失率高, 而加載保持網(wǎng)型的同時(shí), 會(huì)使網(wǎng)衣承受的張力增加, 容易造成網(wǎng)衣撕破。因此, 在流速較大海域中, 該網(wǎng)箱的使用受到限制[6]。可見(jiàn), 對(duì)先進(jìn)網(wǎng)箱的了解和研究是必不可少的, 比較典型的為美國(guó)式鋼質(zhì)升降式大型深水網(wǎng)箱, 國(guó)內(nèi)也稱(chēng)之為飛碟型可潛式大型深水網(wǎng)箱。國(guó)內(nèi)外有關(guān)圓形重力式網(wǎng)箱數(shù)值模擬和模型實(shí)驗(yàn)的研究成果比較豐富, 而目前為止國(guó)內(nèi)對(duì)于碟形網(wǎng)箱只有較為詳盡的結(jié)構(gòu)介紹和初步的水動(dòng)力估算[6-10], 孫滿昌等[11], 李玉成等[12-13]對(duì)碟形網(wǎng)箱也僅僅是進(jìn)行了模型實(shí)驗(yàn)方面的研究。本文基于凝集參數(shù)法, 運(yùn)用 OrcaFlex建立碟形網(wǎng)箱模型,通過(guò)數(shù)值模擬研究波流聯(lián)合作用下碟形網(wǎng)箱的纜繩受力特性和網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng), 以期深入了解碟形網(wǎng)箱的水動(dòng)力特性, 為碟形網(wǎng)箱及其錨泊系統(tǒng)的研究提供參考。

1 數(shù)值模型

本文研究的對(duì)象為沉降式碟形網(wǎng)箱。該網(wǎng)箱為一個(gè)自張緊結(jié)構(gòu), 主要由一個(gè)八邊形浮環(huán)和一個(gè)中心立柱組成。網(wǎng)箱浮環(huán)由8個(gè)鋼管分段用法蘭連接,每個(gè)分段分別密封并加壓。立柱和浮環(huán)的材料均為鍍鋅鋼, 用16根輻繩連接。中心立柱直徑為0.92 m,長(zhǎng)9.14 m, 浮環(huán)的公稱(chēng)直徑為15 m, 單根浮環(huán)管徑為27.3 mm, 輻繩材質(zhì)為聚乙烯, 直徑13 mm。網(wǎng)箱用重達(dá)3 t的混凝土塊壓載, 通過(guò)懸掛索懸掛在中心立柱下面, 使之保證一定的穩(wěn)性。中心立柱內(nèi)有一個(gè)長(zhǎng)達(dá) 3 m的體積可變的浮艙, 配合一定長(zhǎng)度的懸掛索能使網(wǎng)箱下潛到特定的深度。網(wǎng)箱及錨泊系統(tǒng)的具體尺寸及浮標(biāo)與網(wǎng)箱連接細(xì)節(jié)見(jiàn)參考文獻(xiàn)[14-15]。本文利用基于凝集參數(shù)法的專(zhuān)業(yè)水動(dòng)力分析軟件OrcaFlex建立真實(shí)的網(wǎng)箱模型, 如圖1所示。有關(guān)凝集質(zhì)量法的理論可見(jiàn)朱克強(qiáng)等[16-18]的研究, 在此不再詳細(xì)介紹。由于本文研究的主要內(nèi)容是網(wǎng)箱整體和錨泊系統(tǒng)的水動(dòng)力響應(yīng), 因此對(duì)網(wǎng)箱各種構(gòu)件之間復(fù)雜的連接作了必要的簡(jiǎn)化, 如繩索之間的連接全部簡(jiǎn)化為鉸接。同時(shí)為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間, 本文沒(méi)有真實(shí)模擬網(wǎng)衣受力, 并選用工程上常用的 Airy波理論和均勻流進(jìn)行各種組合來(lái)對(duì)網(wǎng)箱養(yǎng)殖系統(tǒng)施加不同的環(huán)境載荷, 通過(guò)時(shí)域模擬后得到了不同載荷下的網(wǎng)箱水動(dòng)力結(jié)果, 結(jié)合水動(dòng)力分析結(jié)果給出了深海網(wǎng)箱在布錨過(guò)程中應(yīng)注意的事項(xiàng), 對(duì)實(shí)際工程實(shí)踐有一定的指導(dǎo)作用。

建模主要的思想是將整個(gè)網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)分割成受外力作用的若干個(gè)單元, 然后將外力平均分配到每個(gè)對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn), 形成一系列的運(yùn)動(dòng)方程。為了初步規(guī)劃和設(shè)計(jì), 我們應(yīng)用修改后的 Morison方程(公式(1)),來(lái)計(jì)算作用在籠狀結(jié)構(gòu)小部件上的波浪力。

其中,m表示水質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量,ρ是海水的密度,Km是附加質(zhì)量系數(shù),CD是曳力系數(shù),CM是慣性系數(shù),A是投影面積, ?是網(wǎng)箱系統(tǒng)小部件排開(kāi)水的體積,并且VR=V-R˙, 是水粒子速度V相對(duì)于結(jié)構(gòu)速度R˙。公式(1)右邊的第一項(xiàng)通常認(rèn)為是曳力, 而第二項(xiàng)稱(chēng)為慣性力。所有的這些力是由一個(gè)受到海洋環(huán)境負(fù)載的移動(dòng)物體激發(fā)的。不過(guò), 當(dāng)處理一個(gè)特定的單元時(shí), 其他外部力, 如浮力、物重、和錨繩或網(wǎng)線伸長(zhǎng)時(shí)產(chǎn)生的張力, 計(jì)算時(shí)都應(yīng)包括在內(nèi)。因此, 由牛頓第二定律可得, 公式(1)可以表示為：

其中FD是阻力,FI的慣性力,FB浮力,FW是重力,FT是張力。

圖1 網(wǎng)箱模型示意圖Fig. 1 The model of the sea station

本文在建模過(guò)程中做了相應(yīng)的處理, 如網(wǎng)箱中作為加強(qiáng)筋的輻繩之間并沒(méi)有網(wǎng)衣, 因此網(wǎng)箱整體受到的水動(dòng)力有所減少, 但本文探究的是網(wǎng)箱系統(tǒng)整體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律, 對(duì)網(wǎng)衣細(xì)節(jié)的模擬有待后續(xù)進(jìn)一步的研究。八邊形浮環(huán)之間通過(guò)6D浮標(biāo)相連, 為了確保浮環(huán)作為一個(gè)整體參與水動(dòng)力計(jì)算, 浮環(huán)之間的端部的強(qiáng)度設(shè)為無(wú)限大。浮標(biāo)在此只是起到連接作用, 并不參與水動(dòng)力計(jì)算。軟件中對(duì)細(xì)長(zhǎng)型結(jié)構(gòu)均采用凝集質(zhì)量模型, 該方法不僅計(jì)算速度快, 還具有較高的計(jì)算精度, 已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可, 因此本文網(wǎng)箱系統(tǒng)模型中計(jì)算得到的錨泊張力具有一定的合理性。

2 算例分析

在深海區(qū)域, 常常會(huì)遇到臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣, 波浪和海流會(huì)同時(shí)出現(xiàn), 錨泊系統(tǒng)將限制網(wǎng)箱的運(yùn)動(dòng),保證網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)和魚(yú)群的安全。在波流聯(lián)合作用下, 網(wǎng)箱錨繩的受力將在一定程度上反映網(wǎng)箱整體結(jié)構(gòu)的受力。一旦錨泊系統(tǒng)失效, 不僅會(huì)造成魚(yú)群逃逸和死亡, 還會(huì)對(duì)網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞, 給養(yǎng)殖者帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失, 因此研究錨泊系統(tǒng)的安全性是很有必要的。

本文研究在水深為55 m的深海中, 各種波流組合對(duì)網(wǎng)箱系統(tǒng)的作用, 包括3個(gè)波高(2、4、6 m)和3個(gè)周期(6、9、12 s)以及 4 種流速(0～2 m/s)[19]。需要注意的是, 軟件中默認(rèn)的波流前進(jìn)方向均為 180°(圖中所示海流流向?yàn)?°)。圖2顯示的是在純波作用下,迎流面錨繩上的最大張力與波浪周期和波高H之間的關(guān)系。由圖可知, 周期相同時(shí), 純波作用下的錨繩張力均與波高大致呈線性關(guān)系； 波高一定時(shí), 錨繩的張力隨周期的變化并不明顯, 且周期越大, 錨繩張力的幾乎保持不變。

圖2 錨繩張力隨周期的變化Fig. 2 Changes of mooring line tension in various periods

圖3顯示了單個(gè)網(wǎng)箱系統(tǒng)在各種波流聯(lián)合作用下時(shí)迎流面錨繩張力的最大值。由圖3a～圖3c可知,波浪周期較長(zhǎng), 流速相同時(shí), 相同波高作用下的網(wǎng)箱錨繩張力的最大值幾乎相同； 當(dāng)波浪周期一定時(shí)(圖 3d～圖 3f), 波高越大, 網(wǎng)箱系統(tǒng)的錨繩張力最大值也越大； 且隨著流速的均勻增加, 錨繩張力最大值并不是線性增加, 而是呈現(xiàn)出增幅越來(lái)越快的趨勢(shì)。波浪周期越小, 流速越大, 水粒子的水平方向的合速度就越大, 由公式(1)可知, 網(wǎng)箱系統(tǒng)受到的水動(dòng)力就越大, 波浪的波高越大, 水粒子的垂直方向上的速度就越大, 水動(dòng)力也同樣會(huì)增大。

綜合對(duì)比以上各圖可以發(fā)現(xiàn), 在本文的研究中,波流參數(shù)對(duì)網(wǎng)箱錨繩最大張力影響的重要程度依次為： 流速V, 波高H, 周期T。

對(duì)于沉降式碟形網(wǎng)箱來(lái)說(shuō), 遇到臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣時(shí)迅速下沉到海底是保證網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)安全完整的重要手段。因此研究極限海況下網(wǎng)箱下沉?xí)r的受力情況也很有必要。深海中的波浪和海流前進(jìn)的方向并不總是相同, 為了研究斜入射波和海流對(duì)錨繩張力的影響, 我們假設(shè)均勻流流只沿著x軸正方向運(yùn)動(dòng),但波浪入射的角度不同。

圖3 碟形網(wǎng)箱系統(tǒng)在不同波流狀態(tài)下的錨繩最大張力Fig. 3 The maximum mooring line tension induced by various wave-current conditions

圖4是在均勻流速為1.5 m/s時(shí), 迎流面錨繩最大張力與入射波(H=6 m,T=9 s)前進(jìn)角度的關(guān)系。從圖中可以看出, 錨繩的最大張力隨著入射波角度的變化呈周期性變化； 波流同向時(shí)要比波流逆向時(shí)的錨繩張力要大, 但最大張力發(fā)生在波流夾角為 135°左右的情況下, 與前人研究的結(jié)果相符； 而且從圖中可以看出, 網(wǎng)箱下沉能明顯地減少錨繩的受力,在本例中網(wǎng)箱下沉能使錨繩受力減少35%～43%。當(dāng)波流夾角為 135°時(shí), 在波浪前進(jìn)的方向上 1#纜繩承受網(wǎng)箱整體受到的波浪力最大, 因此表現(xiàn)為此時(shí) 1#纜繩上的錨泊張力最大。本例計(jì)算得到的結(jié)果可以指導(dǎo)養(yǎng)殖戶在特定海洋環(huán)境下合理布置網(wǎng)箱的錨泊位置, 避免出現(xiàn)最大錨繩張力情況, 間接提高深海網(wǎng)箱系統(tǒng)的安全性, 減少不必要的損失。

圖4 錨繩張力隨入射波角度的變化Fig. 4 The maximum mooring line tension induced by various incident angles of waves

如圖 5所示, 取浮環(huán)兩側(cè)中點(diǎn) A、B, 假設(shè)浮環(huán)在波流聯(lián)合作用下發(fā)生的轉(zhuǎn)動(dòng)和變形幅度很小, 則浮環(huán)整體的傾角可以通過(guò)A、B兩點(diǎn)的連線與水平線之間的夾角θ來(lái)表示。本文計(jì)算了不同波流作用情況下網(wǎng)箱漂浮時(shí)的浮環(huán)最大傾角, 如圖6所示。

圖5 浮環(huán)傾角計(jì)算示意圖Fig. 5 The inclination calculation diagram of floating ring

圖6 碟形網(wǎng)箱系統(tǒng)在不同波流狀態(tài)下的浮環(huán)最大傾角Fig. 6 The maximum inclination induced by various wave-currents

由圖 6a～圖 6c可知, 波高一定時(shí), 浮環(huán)的傾角與流速大致呈線性關(guān)系。周期較小時(shí)(6 s), 浮環(huán)傾角會(huì)明顯較大； 相同流速下, 周期較大(9 s和12 s)、波高較小時(shí)(2 m和4 m)浮環(huán)傾角的差值很小, 但這個(gè)差值會(huì)隨著流速的增加而逐漸變大。由圖6d圖6f可知, 周期一定時(shí), 浮環(huán)傾角和流速呈線性關(guān)系, 隨著波高的增加而增大, 但增大的幅度隨著流速和周期的增加而減小。

3 結(jié)語(yǔ)

純波作用下, 波浪周期相同時(shí), 錨繩張力隨波高線性增加； 波高一定時(shí), 錨繩張力隨周期的變化并不明顯, 且隨著周期越來(lái)越大, 錨繩張力趨于不變。

波流聯(lián)合作用下, 波浪周期較長(zhǎng)時(shí), 錨繩的最大張力幾乎相同； 當(dāng)波浪周期一定時(shí), 波高越大, 錨繩最大張力也越大, 且流速越大, 錨繩最大張力隨波高增加的幅度越小。波流參數(shù)對(duì)網(wǎng)箱錨繩最大張力影響的重要程度依次為： 流速V、波高H、周期T。

海流方向一定時(shí), 錨繩最大張力隨波浪的入射角呈周期性變化； 波流同向要比波流逆向時(shí)的錨繩張力要大, 且波流夾角為 135°時(shí), 迎流面錨繩張力最大； 網(wǎng)箱下沉能明顯減小網(wǎng)箱運(yùn)動(dòng)幅度和錨繩受力。

各種工況下, 浮環(huán)傾角大小在 25°以內(nèi), 其值隨流速線性增加, 隨著波高的增加而增大, 但增大的幅度隨著流速和周期的增加而減小。

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