配重系統對HDPE圓形重力式網箱水動力特性影響研究

王 笑,黃六一,鄔騫力,尤鑫星

(中國海洋大學水產學院,山東 青島 266003)

海水養殖是中國水產養殖的重要組成部分,提供了約1/3的水產品,對于保障國家糧食安全發揮著重要作用[1]。近幾十年來,由于受到近岸海域環境惡化、空間飽和等因素影響,中國海水養殖不斷向深遠海發展[2-4]。其中,深水重力式網箱養殖是深遠海養殖的重要養殖模式和發展方向之一,2022年其產量達39.33萬t,同比增長16.64%,在各類養殖方式中增速最快[5]。2023年6月農業農村部等八部委在《關于加快推進深遠海養殖發展的意見》中指出今后一個階段深遠海養殖仍以深水重力式網箱為主。深水重力式網箱通常布設于深遠海開放水域,易受到風浪和水流的影響,網箱的安全可靠是確保養殖成功的關鍵,因此如何提高網箱的耐流性和穩定性已成為重要研究方向之一[6-9]。

配重系統起著限制網衣變形,維持網箱有效養殖容積的作用,是重力式網箱的基本組成部分之一。國內外一些學者對網箱配重系統展開了相關研究:Lader等[10]采用物理模型試驗方法,設計了3種不同配重的柔性圓形網箱,在不同來流速度下測試了這些網箱的受力和網衣變形速度,得出了圓形重力式網箱受力和變形之間的相互關系。李玉成等[11]設計了8種帶有不同配重系統的網箱模型并測定了這些模型在不同波流條件下錨繩的受力,發現當配重大小相同的情況下,是否采用底圈會導致錨繩受力存在約30%的差異,但隨著配重量的增加,這一差異呈下降趨勢。趙云鵬等[12]利用集中質量法建立了網衣數值模型,對不同流速、配重大小作用下的重力式網箱網衣所受載荷和變形進行了模擬,并與試驗結果進行比較,發現配重大小對兩者影響較大。程暉等[13]利用有限元程序ANSYS對“鉆石型”重力式網箱進行數值模擬,發現網箱底部添加底框、中部添加撐網圈后,在1 m/s時網箱的橫向位移減少37.33%,網箱阻力減少12.98%。Cheng等[14]通過建立有限元模型研究不同的設計參數對于網箱水動力的影響,結果發現增加沉子重量可以減輕網箱變形,有助于維持大流速下的網箱容積,但當流速低于0.2 m/s時效果不明顯。綜上可知,目前針對配重系統的研究聚焦于配重量、安裝位置等方面,但針對配重類型對網箱水動力特性影響的相關研究較少。目前,使用最廣且數量最多的深水網箱類型為HDPE圓形重力式網箱,其占據深水網箱總量的95%以上[1]。

本研究以中國北方常見的周長40 m的HDPE圓形重力式網箱為研究對象,根據田內相似準則,設計并裝配了4種類型和3種大小的配重系統,在循環水槽中開展一系列模型試驗,進而對比分析不同的配重系統對于圓形重力式網箱水動力特性的影響,最后參考Qu等[15]提出的方法對不同配重系統進行評價,以期為HDPE圓形重力式網箱的配重系統選擇和裝配提供參考。

1 材料與方法

1.1 模型網箱

試驗以周長40 m重力式網箱為原型,網箱參數詳見表1。采用田內相似準則[16]設計模型網,根據現有的試驗設備,采用大比例尺為λ=16,小比例尺為λ′=2制作網箱試驗模型,參數詳見表2。

表1 實物網箱參數

網衣的目腳長度和直徑通過隨機選取的10個位置取均值得出。浮管采用與原型HDPE材料性能接近的PPR管代替(HDPE密度為920～960 kg/m3;PPR密度為900～920 kg/m3),由于材料限制,模型使用的管材直徑和壁厚與根據準則換算的數值有一定的差異,因此通過在雙管間填充泡沫來調整浮管提供的浮力與理論計算結果一致。與原型網箱結構類似,側網衣等間距裝配16條綱索,為簡化模型,取消了底網原有布設的綱索(圖1)。

圖1 模型試驗網箱

圖2 LED燈系附位置及夜間效果圖

1.2 試驗儀器與布設

試驗地點為中國海洋大學水產學院增養殖水動力實驗室,試驗循環水槽觀察段尺寸為 4.0 m(長)×1.2 m(寬)×1.0 m(深),流速范圍為0～80 cm/s。網箱入水前系上25枚4色LED燈(3.5 mm×17 mm,0.15 g/個),考慮到網箱的對稱性,故只于水槽觀察方一側添置。其中綠色、紅色、黃色燈縱向等間距分布,橫向間隔一條側綱分布,紫色燈則與底部中心等間距分布。圖 2展示了LED燈系附位置及其夜間呈現效果。模型網箱通過兩根直徑2 mm,長2.1 m的PP(聚丙烯)纜繩互相平行地連接至固定桿上且纜繩始終保持在水面。在纜繩距離網箱連接點20 cm的位置各安裝1個定制水下拉力計(武漢理工大學流體力學實驗室,量程0～10 kg,精度±0.69%),用于測量網箱的阻力,拉力計上系上浮球以消除其自重的影響。小威龍Vectrino點式流速儀(量程0～2 m/s,精度±0.5%)放置于網箱前1.5 m處,用于獲取水槽實時流速。此外,在水槽下方和側方各放置1部相機(索尼集團公司,4 000像素×3 000像素,60幀/s),鏡頭分別對準模型在水槽初始位置的側面中心和網底中心。網箱整體布設詳見圖3。試驗過程水溫維持在22～23 ℃。

圖3 試驗裝置示意圖

圖4 標量三積法計算網箱容積示意圖

1.3 配重系統設計及試驗工況設置

目前中國北方40 m周長HDPE重力式網箱的配重系統通常采用底框加配重400 kg,一般采用8個50 kg沉子,可根據海區的流速配重適當增加。本試驗在此基礎上,設計采用A(底框+沉子)、B(底框+鐵鏈)、C(底框+撐網圈+沉子)、D(底框+撐網圈+鐵鏈)4種配重系統,每種配重系統使用400 kg、600 kg、800 kg等3種配重。根據田內相似準則換算,模型總配重分別為781 g、1 172 g、1 562 g。不同配重系統見表3。

表3 不同配重系統

根據目前中國北方網箱養殖海域的實際海況以及現有試驗條件選取實際流速20～100 cm/s,共設置9個試驗流速,根據模型準則換算對應的試驗流速見表4。

表4 實際流速與對應的試驗流速

1.4 試驗測量與數據處理

1.4.1 試驗流速、網箱阻力測量

試驗使用小威龍Vectrino點式流速儀和水下拉力計測量流速和網箱阻力。流速儀單次以20 Hz頻率采集20 s共記錄400個數據點,其均值作為試驗流速。水下拉力計單次以50 Hz頻率采集20 s共記錄1 000個數據點,取其均值作為單次試驗阻力大小。為提高數據準確性,每次試驗前后對拉力計進行校準。

1.4.2 網箱容積保持率計算

通過兩部相機在水槽下方和側方分別拍攝系在模型網箱上的標記點(LED燈)位置,記錄網箱的變形,采用ImageJ軟件提取標記點坐標進而獲得網箱的三維形狀。

網箱的有效容積計算方法參考Decew等[17]:將標記點的三維坐標導入MATLAB軟件后采用插值法來補充數據,之后將整個網箱劃分為M層,每層都分為N塊,每一小塊又分為3個四面體(圖 4)。

利用標量三積法(Scalar Triple Product Method)計算得到每個四面體體積,將所有四面體體積求和即可得到網箱的有效容積,公式如下:

(1)

網箱的容積保持率K計算如下:

(2)

式中:VA為某一流速下網箱的有效容積;V0為網箱在靜水時的有效容積。

2 結果

2.1 LED燈對試驗的影響

為判斷LED燈對試驗結果的影響程度,本研究對網箱在有無裝配LED燈的情況下進行了對比試驗。圖5a配重為716 g,網箱在有無LED燈情況下,阻力隨流速的變化關系。從圖中可以觀察到,在不同流速下,兩者之間的差異較小。最大相對誤差百分比出現在流速為21.2 cm/s時,為10.93%,而總體平均差異僅為2.37%。圖5b、c分別展示了在小流速28.3 cm/s和大流速70.7 cm/s下,網箱的變形情況。在低流速28.3 cm/s下,X方向和Z方向的最大相對誤差百分比分別為7.77%和5.16%,而平均相對誤差百分比分別為1.3%和0.4%。在高流速70.7 cm/s下,Z方向的最大相對誤差百分比分別為10.72%和10.8%,平均相對誤差百分比分別為3.11%和2.73%。綜上所述,LED燈的使用對網箱受力和變形的影響較小,表明后續采用LED燈來體現網箱坐標變化的方法可行。

圖5 LED燈對網箱阻力的影響和不同流速下網箱變形圖

2.2 網箱阻力

圖6為不同配重系統下網箱阻力與不同來流速度的關系圖。在各配重系統下,網箱所受阻力均隨著流速的增加而迅速增加,阻力與來流速度基本呈現出冪函數關系,其表達式為“D=aUb”(a,b為系數),具體擬合結果詳見表5。

圖6 不同配重系統下網箱阻力與流速關系

表5 不同配重系統下網箱阻力與流速擬合結果

網箱阻力均隨著配重的增加呈現出不同程度的增長且隨著流速的增加差異逐漸加大。在最大流速70.7 cm/s及4種不同配重類型的情況下,配備1 562 g的網箱阻力比配備781 g的網箱阻力分別高出20.21%、9.44%、23.68%和12.29%。相同流速和配重,配備鐵鏈的網箱與配備沉子的網箱所受水阻力相差不大,但配備撐網圈的網箱所受水阻力相對于無撐網圈的網箱更大。

2.3 網箱有效容積

圖7為不同配重系統的網箱在不同來流下的形狀圖。由圖可知,不同配重類型下,網箱的變形程度均隨著流速的增加而有不同程度增加,且迎流面網衣變形程度大于背流面。網箱底網向后上方發生傾斜,并與來流方向形成了一定的夾角,且夾角隨著流速的增加逐漸增大。圖8為不同配重系統下網箱容積保持率變化。

圖7 不同配重系統的網箱在不同來流下的形狀圖(配重781 g)

圖8 不同配重系統下網箱容積保持率與流速的關系

從不同配重大小來看,配重的增加能夠有效提升網箱的容積保持率。對于當下使用最為普遍的配重類型A,當流速達到70.7 cm/s時,781 g、1 172 g和1 562 g的容積保持率分別達到52.38%、59.09%和64.03%。從不同配重類型看,配重類型C對于維持網箱容積效果最佳,而裝配類型B則效果不佳。配重量均為781 g時,配重類型C、D分別比傳統的配重類型A高25.91%和22.83%,而配重類型B比A低1.84%。流速為70.7 cm/s時,配備C類型配重的網箱在3種不同配重量下的容積保持率分別比配備B類型配重的網箱高出28.27%、21.76%和21.29%。此外,隨著流速的增加,撐網圈的優勢逐漸體現,在流速較大時可以更好地維持網箱容積:在70.7 cm/s時,配備類型D的網箱比傳統的配重類型A在781 g、1172 g和1562 g的容積保持率要高出24.71%、14.61%和11.55%。

通過對網箱容積保持率K與流速U的擬合可知,二者呈現出邏輯斯蒂曲線變化,表達式為“K=(1-a)/{1+exp[-b×(U-c)]}” (a、b、c為系數),擬合結果具體參數見表6。

表6 不同配重系統下網箱容積保持率與流速擬合結果

2.4 網箱配重系統的評價

本研究通過單位體積阻力(同一流速下網箱所受阻力與剩余有效容積之比)的大小對網箱配重系統性能進行評價。由圖9可知,不同類型配重之間的單位體積阻力隨著流速的增加而增加,呈現出冪函數遞增的規律,且配重類型之間的差異隨著流速的增加而逐漸增大。

圖9 不同配重系統下網箱單位體積阻力與流速關系

當流速較小時(小于28.3 cm/s),配備4種配重類型的網箱其單位體積受力均相差不大;在最大流速70.7 cm/s時,配備類型C的網箱在3種配重大小下相對最大單位體積阻力分別降低了25.26%、16.16%和20.40%。在不同工況以及配重大小下,配備類型D的網箱單位體積所承受的阻力總體上相對較大而配備類型C的網箱單位體積阻力達到最小,因而本研究認為配重類型C的實際應用效果最佳。

3 分析與討論

3.1 網箱阻力

網箱阻力直接關系整個系統的安全性,準確計算網箱阻力對網箱的設計和優化至關重要。本研究表明網箱阻力隨著配重的增加呈現出不同程度的增長,呈現出冪函數關系,但增加的幅度存在差異。雖然增加配重或撐網圈可提高網箱抗變形能力,減少形變和位移,但也增大了其迎流面積,導致網箱阻力上升。理論上網箱阻力與流速成正比關系,而本研究不同配重系統下阻力與速度的1.58至1.95次方成正比(表 5),與黃六一等[18]研究結果相似。導致此結果的原因主要有:一方面由于網箱產生的尾流效應導致網箱前后受力不一致[19- 20],另一方面由于柔性網衣在大流速作用下會產生向來流的后上方漂移,導致局部網衣重疊增大了網衣密實度[21]。此外,由于箱體網衣采用菱形網目,在浮框和底框的共同作用下,箱體側面中部網衣產生收縮導致網箱初始形態并非為理想圓柱形(圖1),也是導致該結果的原因之一。

3.2 網箱容積保持

網箱的耐流特性影響網箱的容積保持率,是學者們關注的重點。區別于框架式網箱,重力式網箱網衣系統通過浮框的浮力和配重系統的重力共同作用來維持養殖魚群的生活空間,但在水流作用下易發生形變,從而造成網箱有效容積的損失[22]。由圖 7可知,水流作用下網箱迎流側網衣發生內凹,而背流側網衣則略微外凸,底網發生了傾斜,這與Zhao等[23]通過試驗觀察到的結果一致。為提升網箱耐流特性,一般通過增加懸掛在側綱上的沉子配重[24-25],試驗表明這一方式在一定程度上能提升網箱的有效容積,然而增加沉子會導致網箱阻力增加,許智靜等[26]發現增加配重會導致側網衣的縱向張力增加,在流速較大時有網衣撕裂的風險。另外,有學者對比了沉子配重與底框配重兩種方式,結果表明添加底框的網箱在來流方向上的位移更小,容積保持率也更高[27-29]。安裝了撐網圈的網箱在較大流速下的容積保持效果要高于未添加的網箱(圖7),這是因為撐網圈的存在減少了柔性網箱中間部位的變形,這與程暉等[13]在“鉆石型”重力式網箱中的研究結果一致,而在未裝配撐網圈的網箱中,懸掛沉子相對于鐵鏈的配重方式容積保持更大,這可能是由于鐵鏈使得網箱整體重心上移造成。

3.3 網箱阻力與容積保持之間的關系

圖10 標準化阻力與標準化網箱容積之間關系

網箱的變形程度與其受到的阻力密切相關,但在實際養殖海域中,受限于海況、測量裝置、成本等因素,直接測量網箱阻力存在一定難度。當前,一定數量的深度傳感器(Depth Sensors)可用于檢測實際海域中網箱的變形,進而計算得到網箱的有效養殖容積變化[31],之后可將其代入上式計算得到網箱阻力,這為實際海域中養殖網箱的設計、維護等提供了新方法。

4 結論

配重系統是網箱的組成部分之一,對于維持網箱容積具有重要作用。本研究通過模型試驗,系統地研究了不同配重系統對圓形重力式網箱水動力特性的影響,結合網箱阻力、容積保持率等參數,對不同配重類型進行評價。研究表明:在各種配重系統下,網箱阻力均隨著流速以及配重重量的增加而增大,且阻力與流速之間呈現出明顯的冪函數關系;“底框+撐網圈+沉子”這種配重組合方式在一定流速下使得網箱容積保持最大,其單位體積阻力也最小,表現出最優的性能;網箱容積保持率與流速呈現出“邏輯斯蒂曲線”變化關系;將網箱阻力與有效容積無量綱化后發現兩者呈現出較強的負相關性,兩者存在定量關系,通過擬合得到的經驗公式可為預估實際海域中的網箱受力提供了一種新的定量分析方式。

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