重力式深水網箱的抗臺設計與水動力性能分析

郭帥，郭建廷，卞向前

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003)

重力式深水網箱的結構形式簡易、成本低廉、養殖容積大，操作使用方便，應用廣泛，但因其較傳統養殖網箱所在區域水更深，離岸更遠，故容易受到臺風災害的破壞。在臺風作用下，重力式網箱常見破壞形式主要為浮架的損壞、網衣變形導致的容積嚴重損失及系泊纜的破斷或走錨[1]。針對深水重力式網箱抗臺風能力的研究，在規則與不規則波浪中進行網箱試驗和數值模擬，開發網箱生存條件的數值計算工具[2]。針對南海臺風下的惡劣海況，在重力式網箱的浮架上外接三角形框架，提出六三型單點系泊的網箱[3]；針對網箱升降過程中易發生傾斜和變形的問題，利用圓周螺旋型浮管設計網箱升降系統，通過注水充氣實現網箱下沉與上浮，使升降過程中浮管沿圓周方向受力均勻對稱[4]。關于網箱的水動力性能有基于有限元方法，結合網箱試驗與數值計算，提出網箱系統動力響應分析方法[5]；采用集中質量法和剛體運動學原理，研究波流逆向和同向作用下重力式網箱的水動力響應[6]；采用數值模擬方法探究了3種系泊系統下錨繩張力變化規律，并設計制作1種傳感器，完成了在臺風天氣下實地測量網箱錨繩張力的試驗[7]。目前針對提升重力式網箱抗臺能力的新型系泊設計研究有限，為此，考慮以一典型重力式深水網箱為研究對象，結合傳統網格式系泊，提出在底部附加系泊纜的新型抗臺設計方案，基于勢流理論和非線性有限元方法，建立網箱數值模型，并對比分析在不同臺風工況下傳統網格式和新型抗臺式系泊的網箱系泊纜張力、浮架運動和網箱變形。

1 水動力學相關理論

1.1 網箱及系泊系統耦合運動控制方程

采用全耦合時域分析法分析網箱及系泊系統的運動，其非線性運動控制方程[8]的時域形式為

(1)

式中：r為結構位移矢量；MS為結構質量矩陣；MH為水動力質量矩陣；CS為結構阻尼矩陣；CH為水動力阻尼矩陣，KS為結構剛度矩陣；RE為外力矢量。利用Newmark-β數值積分方法求解此方程。

1.2 網衣阻力和升力計算方法

當網線完全浸沒在水中，網衣阻力和升力[9]根據莫里森公式計算。

(2)

(3)

式中：ρ為水的密度；A為網面的面積；U為合成速度矢量；θ為網面沖角；Cd和Cl分別為阻力和升力系數。

Cd=0.04+(-0.04+0.33Sn+

(4)

(5)

式中：θ為網面沖角；Sn為網衣密實度，取值范圍為0.13～0.32。

1.3 網衣變形的表征參數

網衣密實度Sn為網線實際面積和網目投影面積之間的比率。網目形狀和參數見圖1，網衣密實度Sn計算公式[11]為

圖1 網目形狀和參數

(6)

式中：λ為網目邊長；d為線徑。

流速衰減因子γ，定義經過網衣后速度衰減為u，與初始水流速度U的，關系為

u=γU

(7)

2 典型重力式網箱新型抗臺設計方案

2.1 典型重力式網箱特點及參數

重力式網箱主要由浮架、網衣、系泊和配重系統組成，其中網衣屬于小尺度柔性結構物，在環境載荷作用下會產生大變形，所以網衣依靠由底環和中心配重組成的配重系統來保持網箱的養殖容積。對某典型重力式深水網箱，利用SESAM軟件的SIMA模塊，建立了傳統網格式系泊的重力式數值網箱，見圖2。

圖2 傳統網格式系泊的重力式網箱(單位：m)

柔性網衣沿圓周均勻分成24片網面，見圖3。

圖3 桿單元表示的柔性網衣模型

每個網面采用含桿單元的細長線表示，網面的等效參數通過計算附加在桿單元上。網衣和系泊纜的材料參數見表1和表2。重力式網箱的傳統網格式系泊布置，見圖4。由圖4可見，浮架上標記點F0至F3的監測位置和傳統網格式系泊系統的布置。

表1 網衣材料參數

表2 網格式復合系泊纜參數

圖4 重力式網箱的傳統網格式系泊布置

2.2 重力式網箱的新型系泊抗臺設計方案

在網箱底部布置系泊纜，使網箱在臺風工況下順流偏移并下沉，降低波浪的沖擊，從而減小網箱的整體變形和受力。

如圖5a)所示，在浮架上對稱布置4根外伸纜繩和末端卸扣，底環上增設4個導纜孔。附加系泊纜從導纜孔和末端卸扣穿過，并在頂部連接浮球。浮球中放置長度可伸縮的纜繩，在正常工作狀態下，附加系泊纜可將受到的拉力傳遞到浮球上，減小對網箱的運動和受力影響。在惡劣海況下，將4根附加系泊纜從頂部牽引拉直，用連接繩進行底部約束，從而實現附加系泊纜與網箱底環結構的固定。如圖5b)所示，附加系泊纜編號為9～12號，數值計算中將附加系泊纜連接至底環，附加系泊纜采用聚酯纖維繩，材料參數見表2。為避免與網格式系泊纜相交，附加系泊纜采用半張緊式系泊，系泊半徑為30 m。

圖5 網箱的新型系泊抗臺設計方案

3 算例及數值分析

計算在典型臺風工況下新型抗臺系泊網箱規則波作用下的水動力，與傳統網格式網箱的系泊纜張力、浮架運動和網箱變形計算結果對比見表3。

表3 臺風工況

3.1 系泊纜最大張力計算結果及對比分析

系泊纜最大張力可以反映網箱在波浪和水流作用下的受力特性，是衡量網箱系泊安全的重要參數。不同工況下傳統網格式和新型抗臺式系泊的網箱系泊纜最大張力對比見圖6。

圖6 網箱系泊纜最大張力

網箱系泊纜對稱布置，張力呈對稱分布。由圖6可知，在不同工況下網箱的6號系泊纜均受力最大。新型抗臺式系泊的網箱6號系泊纜最大張力隨波高增加了9.92%，小于傳統網格式的15.74%，降低了系泊纜因疲勞而破斷的風險。

根據API RP 2SK規范[11]，動態分析方法下系泊纜的張力限值為60%，即以安全系數為1.67作為衡量系泊安全的標準。網箱6號系泊纜張力和安全系數見表4。

表4 網箱6號系泊纜張力和安全系數

根據表4，各工況下網箱的系泊纜最大張力均滿足API規范校核。與傳統網格式相比，新型抗臺式6號系泊纜最大張力平均下降了26.61%，并保留了較大的安全裕度。

3.2 網箱運動計算結果及對比分析

網箱的運動特性主要包括傾角、水平運動響應和垂直運動響應。不同工況下傳統網格式和新型抗臺式系泊的網箱浮架傾角的時歷曲線比較見圖7。

圖7表明，不同工況下新型抗臺式系泊的網箱浮架傾角均小于傳統網格式。和傳統網格式相比，工況1和2下新型抗臺式系泊的網箱浮架傾角分別降低了0.79°和0.95°；工況3和4下新型抗臺式系泊的網箱浮架傾角分別降低了3.75°和3.80°，改善了網箱的工作條件。

不同工況下傳統網格式和新型抗臺式系泊的網箱的水平與垂直最大偏移量對比見圖8。浮架上標記前點在入射角0°時分別為F0和F1；標記后點在入射角45°時分別為F2和F3。

圖8 網箱的水平與垂直最大偏移量比較

圖8表明，新型抗臺式系泊的網箱水平與垂直最大偏移量均小于傳統網格式。和傳統網格式相比，新型抗臺式系泊的網箱水平偏移量平均降低7.81%。垂直偏移量平均增加59.71%，整體的垂直平衡位置比傳統網格式的網箱降低了約3.75 m，故新型抗臺式系泊的網箱可以通過下沉降低波浪的沖擊。

3.3 網箱變形計算結果及對比分析

體積剩余系數用于衡量網箱的變形程度。根據文獻[10]提出的網衣坐標法進行計算，網箱變形破壞的程度和等級根據文獻[1]提出的重力式網箱受災破壞的水動力閾值表確定。

網箱的體積剩余系數對比見圖9。由圖9可知，傳統網格式系泊的網箱在工況1和3下，體積剩余系數略大于50%，網箱發生輕度破壞，破壞等級為IV；在工況2和4下，體積剩余系數小于50%，網箱發生中度破壞，破壞等級為III，均不滿足正常工作要求。而新型抗臺式系泊的網箱體積剩余系數在各工況下均大于85%，明顯高于網箱容積的破壞閾值。與傳統網格式相比，在工況1和3下新型抗臺式體積剩余系數增加了70%以上，工況2和4下新型抗臺式體積剩余系數增加了100%左右，網箱的變形顯著降低，故此抗臺設計方案可以保持更加充裕的網箱體積，提升網箱養殖的成活率和經濟收益。

圖9 網箱的體積剩余系數對比

4 結論

1)與傳統網格式相比，新型抗臺式系泊的系泊纜最大張力下降了26.61%，該方案網箱系泊纜張力保留了較大的安全裕度。新型抗臺式網箱受力最大的系泊纜張力隨波高增加了9.92%，小于傳統網格式的15.74%，從而有效降低系泊纜因疲勞而破斷的風險。

2)與傳統網格式相比，相同工況下新型抗臺式系泊的網箱水平偏移降低了7.81%，垂直偏移量增加了59.71%，故新型抗臺式系泊的網箱下沉約3.75 m，可以降低波浪的沖擊，同時新型抗臺式系泊的網箱傾角低于傳統網格式。因此，該方案能夠改善網箱的工作條件。

3)新型抗臺式系泊的網箱變形明顯小于傳統網格式，網箱的抗臺能力明顯提升。在不同工況下新型抗臺式網箱體積剩余系數均大于85%，明顯高于網箱容積的破壞閾值。與傳統網格式相比，體積剩余系數增加了70%以上，從而保持更加充裕的網箱體積，提升了網箱養殖的成活率和經濟收益。