水流作用下沉降式網(wǎng)箱受力特性試驗研究

劉永利，王 磊，王永進，余雯雯，鄭煒強，陳 佳，彭士明，王魯民*

（1.大黃魚育種國家重點實驗室（福建福鼎海鷗水產(chǎn)食品有限公司），福建福鼎 355200；2.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所，上海 200090）

我國從1998年開始大型網(wǎng)箱養(yǎng)殖，使用的是從挪威引進的圓形雙浮管重力式網(wǎng)箱，此后，我國多家科研院所和企業(yè)聯(lián)合攻關(guān)，已成功開發(fā)出適合我國海況養(yǎng)殖條件的聚乙烯框架、鋼結(jié)構(gòu)、浮繩式等多種型式深水網(wǎng)箱［1-3］。近年來隨著國家大力扶持開發(fā)深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖業(yè)，養(yǎng)殖工程設(shè)施的應(yīng)用逐漸向外海、深遠(yuǎn)海海域拓展，這就對養(yǎng)殖設(shè)施提出了更高的技術(shù)要求。國內(nèi)研制開發(fā)的網(wǎng)箱從南到北已遍布中國沿海海域，現(xiàn)使用最為廣泛的仍然是圓形重力式深水網(wǎng)箱。國內(nèi)外很多學(xué)者對網(wǎng)箱的抗流特性［4-7］、配重形式［8-10］、容積保持［11-15］、水動力［16-21］特性等做了相應(yīng)的研究工作，但對沉降式網(wǎng)箱在水流作用下的研究報道很少，缺少這方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所設(shè)計的沉降式網(wǎng)箱也是重力式深水網(wǎng)箱，常態(tài)時為浮態(tài)，當(dāng)遇到臺風(fēng)等惡劣海況天氣時，可沉降至水面以下，躲避風(fēng)浪對網(wǎng)箱的影響。為了推廣該網(wǎng)箱的產(chǎn)業(yè)化升級及應(yīng)用，了解和掌握不同流速、浮沉狀態(tài)下網(wǎng)箱的水動力特性，本文以中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所設(shè)計的沉降式網(wǎng)箱為研究對象，通過開展模型水動力性能試驗獲取養(yǎng)殖模型網(wǎng)箱的力學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)，以期為網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)域選址、網(wǎng)箱設(shè)計、選型等提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)備

模型試驗在中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所漁具模型試驗水池內(nèi)（圖1）進行。試驗水池主尺度90 m（長）×6 m（寬）×3 m（深）；拖車車速范圍0.1～4.0 m·s-1，相對精度P≤1%；測力系統(tǒng)使用自行研制的經(jīng)防水處理后的LH-S02微型力傳感器，測力傳感器的線性誤差小于滿量程的0.5‰，量程為0～80 kg。

圖1 模型試驗水池Fig.1 Model test tank

1.2 實物及模型網(wǎng)箱參數(shù)

實物網(wǎng)箱框架為高密度聚乙烯（HDPE）材料；周長為80 m，管徑為250 mm的雙浮管結(jié)構(gòu)；網(wǎng)衣采用銅合金編織網(wǎng)，網(wǎng)目尺寸為40 mm，網(wǎng)衣絲徑為5 mm，網(wǎng)衣高度為8 m。設(shè)計使用水深30 m，錨繩長120 m。模型網(wǎng)箱框架采用管徑為25 mm HDPE材料焊接而成的雙浮管結(jié)構(gòu)，網(wǎng)衣采用銅合金編織網(wǎng)，網(wǎng)目尺寸為20 mm，網(wǎng)衣絲徑為2.5 mm，網(wǎng)衣高度為0.8 m。

1.3 試驗方法

根據(jù)《拖網(wǎng)模型水池試驗方法》［22］進行模型試驗。在拖車前端兩側(cè)各有一根可水平和垂直調(diào)節(jié)的拖曳桿，將網(wǎng)箱框架通過錨纜連接在拖曳桿上，采用拖動模型網(wǎng)箱的方法來進行試驗，根據(jù)運動轉(zhuǎn)換定律［23］，拖車車速等同于水流速度。選取0.30 m·s-1、0.45 m·s-1、0.60 m·s-1、0.75 m·s-1、0.90 m·s-1、1.05 m·s-16組試驗流速，分別測試浮、沉兩種狀態(tài)下箱體的受力情況（圖2）。

圖2 試驗布置圖Fig.2 Experimental arrangement

1.4 阻力換算及比例尺選擇

阻力換算公式［24］：

F實＝F模λ2λ′（1）

式（1）中，F(xiàn)實為實物網(wǎng)箱受力，單位N；F模為模型網(wǎng)箱受力，單位N；λ為大尺度比；λ′為小尺度比。為保持模型網(wǎng)箱的性能更接近于實物網(wǎng)箱，大比例尺越小越好，但考慮到拖車前端起拖曳作用的拖曳桿所能承受的拉力和拉力計的量程限制，以及加工制作網(wǎng)箱模型的難易程度等因素，綜合考慮選擇大比例尺為10比較合適，故試驗選取的大比例尺λ為10。根據(jù)田內(nèi)相似準(zhǔn)則，網(wǎng)衣的阻力與網(wǎng)衣絲徑和網(wǎng)目尺寸的比值成正比，只要保證網(wǎng)衣絲徑和網(wǎng)目尺寸的比值不變，就不會影響網(wǎng)衣的阻力，因此在加工制作模型網(wǎng)衣時選取的小比例尺可與大比例尺不同。原型網(wǎng)的網(wǎng)目尺寸為40 mm，網(wǎng)衣絲徑為5 mm，實驗室現(xiàn)有的銅合金編織網(wǎng)網(wǎng)目尺寸為20 mm，網(wǎng)衣絲徑為2.5 mm，原型網(wǎng)與模型網(wǎng)的網(wǎng)目尺寸、網(wǎng)衣絲徑的比值均為2，所以小比例尺λ′為2。

2 結(jié)果與分析

2.1 浮態(tài)

網(wǎng)箱采用四點錨泊的錨泊方式，迎流面的前端兩點安裝測力傳感器進行力的采集。由圖3可看出，隨著流速的增加，網(wǎng)箱的受力也不斷變大，在流速為0.30 m·s-1時，總受力為14.4 kN，在流速為1.05 m·s-1時，總受力達(dá)到171.0 kN。圖4是流速為1.05 m·s-1時的模型試驗圖片，網(wǎng)箱框架前端迎流面已經(jīng)有部分被壓入水面下，此時網(wǎng)箱的框架浮力不夠，不足以保證網(wǎng)箱迎流面浮在水面之上，兩個錨泊點受力分別為82.6 kN（左）和88.4 kN（右）。

圖3 浮態(tài)受力圖Fig.3 Floating force diagram

圖4 流速為1.05 m·sˉ1時模型圖Fig.4 Model diagram at a velocity of 1.05 m·sˉ1

2.2 沉態(tài)

圖5為網(wǎng)箱沉態(tài)時的箱體受力圖，總體受力趨勢與浮態(tài)時的受力基本相同，都是隨著流速不斷增大，阻力也隨之變大。在流速為0.30 m·s-1時，總受力為15.6 kN。流速為1.05 m·s-1時，箱體迎流面的左側(cè)錨泊點受力為95.8 kN，右側(cè)錨泊點受力為97.1 kN。

圖5 沉態(tài)受力圖Fig.5 Settling force diagram

圖6是浮、沉兩種狀態(tài)的受力比較圖，兩種狀態(tài)下箱體的總體受力趨勢相同，都隨著流速的增大而增加。在相同的流速條件下，沉態(tài)比浮態(tài)的總受力值大8.3%～24.1%，在低流速0.30 m·s-1時，浮態(tài)受力為14.4 kN，沉態(tài)為15.6 kN，在流速為1.05 m·s-1時，浮態(tài)受力為171.0 kN，沉態(tài)為192.9 kN。浮態(tài)時受力值小于沉態(tài)時的受力值，究其原因是因為浮態(tài)時的水阻力面積要小于沉態(tài)時的水阻力面積。

圖6 浮、沉態(tài)受力比較圖Fig.6 Comparison of floating and settling forces

根據(jù)試驗所得數(shù)據(jù)，使用線性回歸模型建立了浮態(tài)與沉態(tài)的受力與流速的關(guān)系方程。

浮態(tài)的受力方程：

y＝182 698x2-37 195x+9 408.6（R2＝0.999 5） （2）

沉態(tài)的受力方程：

y＝85 075x2-2 971.4x+1 040（R2＝0.999 5） （3）

式（2）（3）中y為對應(yīng)流速時的受力力值，x為流速。實際使用中，可根據(jù)浮態(tài)和沉態(tài)的受力方程計算出各流速時的箱體受力。因該方程是根據(jù)流速在0.30～1.05 m·s-1的試驗數(shù)據(jù)線性回歸計算所得，考慮到養(yǎng)殖魚類的頂流游動及生長環(huán)境，實際網(wǎng)箱布設(shè)選取的位置流速一般不會大于1.0 m·s-1，建議使用本公式的流速不大于1.05 m·s-1為宜。

3 討論

網(wǎng)箱箱體浮態(tài)和沉態(tài)的整體受力均隨流速的增加而增大，在相同的外界條件下，沉態(tài)因水阻力面積比浮態(tài)時的水阻力面積大，所以沉態(tài)時的受力大于浮態(tài)時的受力。沉態(tài)時的總受力值比浮態(tài)時的大8.3%～24.1%，這與箱體框架在箱體整體受力中約占10%～25%左右的海上實測［20］研究結(jié)果也相一致。

浮態(tài)時，因箱體采用銅合金網(wǎng)衣材料，使得箱體本身自重較大，在流速達(dá)到1.05 m·s-1時，網(wǎng)箱框架已有部分浸沒在水中，所以建議使用大于250 mm管徑的雙浮管結(jié)構(gòu)或者采用250 mm的三浮管結(jié)構(gòu)以增加框架的整體浮力。

傳統(tǒng)的聚合物網(wǎng)衣在水中的質(zhì)量可以忽略不計，為保持網(wǎng)衣形狀，需要吊掛1 000 kg甚至更多的配重，而采用銅合金網(wǎng)衣材料的網(wǎng)箱，因網(wǎng)衣材料本身比傳統(tǒng)的聚合物網(wǎng)衣材料密度大得多，周長為80 m，網(wǎng)目尺寸為40 mm，網(wǎng)線絲徑為5 mm，網(wǎng)衣高度為8 m的網(wǎng)箱，銅合金網(wǎng)衣質(zhì)量約為5 248 kg。因此，使用銅合金網(wǎng)衣材料的網(wǎng)箱可以減少配重甚至不需要配重。這些模型試驗數(shù)據(jù)可為沉降式網(wǎng)箱的選型、布置和選址等提供理論基礎(chǔ)。

銅合金網(wǎng)衣材料的網(wǎng)箱，因其自身材料的特點，有一定的剛性，所以在網(wǎng)形保持方面比柔性的聚合物網(wǎng)衣材料的網(wǎng)箱有較大的優(yōu)勢。接下來應(yīng)對銅合金網(wǎng)衣材料的網(wǎng)箱與傳統(tǒng)聚合物網(wǎng)衣材料網(wǎng)箱在容積保持率差異性方面做進一步研究。