波流作用下雙體組合式網(wǎng)箱水動(dòng)力特性研究

陳昌平趙云鵬李玉成董國海鄭艷娜

(1.大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院,遼寧大連116023;2.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連116024)

波流作用下雙體組合式網(wǎng)箱水動(dòng)力特性研究

陳昌平1,趙云鵬2,李玉成2,董國海2,鄭艷娜1

(1.大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院,遼寧大連116023;2.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連116024)

運(yùn)用剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)原理及集中質(zhì)量方法,建立了雙體組合式網(wǎng)箱浮架、網(wǎng)衣、錨繩及浮子的受力運(yùn)動(dòng)方程數(shù)學(xué)模型,利用物理模型試驗(yàn)對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明,所建立的數(shù)學(xué)模型具有較好的可靠性及準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上運(yùn)用數(shù)學(xué)模型,計(jì)算了在不同波流工況下,雙體組合式網(wǎng)箱的錨繩受力、浮架運(yùn)動(dòng)及網(wǎng)衣變形。計(jì)算結(jié)果表明:在相同工況下,三類錨繩相比,連接錨繩受力最大,錨碇錨繩受力次之,網(wǎng)格錨繩受力最小;各種工況下,三類錨繩的受力隨流速、波高的增加有不同程度的增加,隨周期的增加有一定程度的減小;浮架中心點(diǎn)水平方向運(yùn)動(dòng)幅度總體表現(xiàn)為隨流速的增加有一定程度的增加,豎直方向運(yùn)動(dòng)幅度總體表現(xiàn)為隨流速的增加略有減小,浮架中心點(diǎn)水平、豎直方向運(yùn)動(dòng)幅度隨波高、周期的增加均有一定程度的增加;浮架傾角隨流速的變化不明顯,隨波高的增加有一定程度的增加,隨周期的增加有一定程度的減小;網(wǎng)衣體積損失率總體上表現(xiàn)為隨流速的增加有一定程度的增加,波高、周期變化對(duì)網(wǎng)衣變形影響較小。

組合式網(wǎng)箱;波流作用;數(shù)值模擬;水動(dòng)力特性

深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖具有養(yǎng)殖容量大、魚類生長速度快、產(chǎn)品品質(zhì)高、生態(tài)環(huán)境和諧等特點(diǎn),現(xiàn)已成為網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的主流。目前,中國深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖技術(shù)尚處于起步階段。發(fā)展深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè),對(duì)于改造傳統(tǒng)網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè),轉(zhuǎn)變海水養(yǎng)殖增長方式,引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)由數(shù)量增長型向質(zhì)量安全型轉(zhuǎn)變、由無序分散型向區(qū)域統(tǒng)籌型轉(zhuǎn)變、由粗放脆弱型向科技穩(wěn)定型轉(zhuǎn)變、由內(nèi)灣淺海型向深海發(fā)展型轉(zhuǎn)變等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

深水養(yǎng)殖海域開闊,浪高流急,要求網(wǎng)箱必須有足夠的抗風(fēng)浪、耐急流性能。開展深水網(wǎng)箱水動(dòng)力特性的研究,是保證網(wǎng)箱自身安全的一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)性工作。世界各國學(xué)者通過現(xiàn)場測(cè)試、模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬等方法,對(duì)各類網(wǎng)箱的水動(dòng)力特性進(jìn)行了研究,取得了一些成果。近年來的代表性成果有:DeCew等[1]采用物理模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬的方法研究了一種改進(jìn)的重力式網(wǎng)箱 (SADCO Cage)在規(guī)則波及不規(guī)則波作用下網(wǎng)箱系統(tǒng)的水動(dòng)力特性;Fredriksson等[2]通過對(duì)一種由20個(gè)網(wǎng)箱組成的大型養(yǎng)殖系統(tǒng)的數(shù)值模擬,將錨繩力的計(jì)算值與原型實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比較,認(rèn)為考慮流速的衰減對(duì)提高模擬的準(zhǔn)確性具有重要的意義;Moe等[3]在模型試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,采用有限元分析法研究了水流作用下重力式網(wǎng)箱的受力及網(wǎng)衣體積變化率的特性; Lee等[4]采用 “集中質(zhì)量-彈簧”模型方法,模擬了水面網(wǎng)格錨碇的單個(gè)重力式網(wǎng)箱在波浪、水流作用下的水動(dòng)力特性,并用模型試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證; Kim等[5]研究了可潛網(wǎng)箱的升沉特性,通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)控制中心的算法和程序進(jìn)行開發(fā);吳常文等[6]采用現(xiàn)場測(cè)試的方法對(duì)重力式深水網(wǎng)箱的抗風(fēng)浪流性能進(jìn)行了驗(yàn)證;桂福坤[7]采用模型試驗(yàn)方法研究了重力式深水網(wǎng)箱的水動(dòng)力特性;趙云鵬等[8-10]對(duì)重力式深水網(wǎng)箱水動(dòng)力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬;陳昌平等[11-13]采用模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬方法研究了網(wǎng)格式錨碇重力式深水網(wǎng)箱在波流作用下的受力特性;黃小華等[14-15]基于集中質(zhì)量法對(duì)圓柱形網(wǎng)衣在水流作用下的受力和變形特性進(jìn)行了數(shù)值模擬;黃材成等[16]采用數(shù)值模擬及物理模型試驗(yàn)的方法比較了水下網(wǎng)格錨碇單個(gè)重力式網(wǎng)箱網(wǎng)衣底部懸掛兩種不同重物形式對(duì)網(wǎng)衣變形的影響;詹杰民等[17-18]采用理論分析和模型試驗(yàn)的方法對(duì)平面及圓形網(wǎng)衣的阻力系數(shù)受雷諾數(shù)、沖角及網(wǎng)衣的密實(shí)度等因素的影響關(guān)系進(jìn)行了研究。

組合式網(wǎng)箱符合大型化、集約化及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的需求,在深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖中越來越受重視,其設(shè)施在抗風(fēng)浪、耐流方面的技術(shù)要求也相應(yīng)較高。目前,國內(nèi)外對(duì)深水網(wǎng)箱水動(dòng)力學(xué)的研究主要集中在網(wǎng)箱基本構(gòu)件和單體網(wǎng)箱上,對(duì)組合式網(wǎng)箱的水動(dòng)力特性研究尚處于起步階段。本研究中,作者采用物理模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬的方法,對(duì)雙體組合式網(wǎng)箱在波流作用下的水動(dòng)力特性進(jìn)行了研究,旨在為深水多體組合式網(wǎng)箱的理論研究奠定一定的基礎(chǔ)。

1 數(shù)值模擬方法簡述

雙體組合式網(wǎng)箱是由兩個(gè)單體網(wǎng)箱 (主要構(gòu)件為浮架與網(wǎng)衣)通過錨碇系統(tǒng)連接形成。在波流作用下,雙體組合式網(wǎng)箱的數(shù)學(xué)模型與數(shù)值計(jì)算方法概述如下。

1.1 網(wǎng)箱浮架

在計(jì)算浮架受力過程中,假定浮架是剛性的,將浮管離散為多個(gè)單元段,每個(gè)單元段可以近似看成直桿形狀。根據(jù)剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)原理,浮架在外力作用下會(huì)發(fā)生平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。3個(gè)平動(dòng)方程分別為

式中:x¨G、y¨G、z¨G為浮架剛體質(zhì)心加速度;Fxi、Fyi、Fzi為剛體所受外力矢量Fi(i=1,2,…,n)沿x、y、z軸的分量;n為外力個(gè)數(shù);mG為剛體總質(zhì)量。

3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方程分別為

式中:I1、I2、I3分別為浮架對(duì)1、2、3主軸的慣性矩;下標(biāo) 1、2、3代表物體坐標(biāo)系統(tǒng);M1i、M2i、M3i(i=1,2,…,n)分別為對(duì)1、2、3主軸的外力矩;n為外力矩矢量的個(gè)數(shù)。因浮架系統(tǒng)為圓環(huán),其慣性矩可由下式得到:

式中:m和R分別表示浮架系統(tǒng)的質(zhì)量和半徑。

1.2 網(wǎng)衣及錨碇系統(tǒng)

網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)由網(wǎng)線組成,假定網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)是由有限的無質(zhì)量彈簧連接的集中質(zhì)量點(diǎn)所構(gòu)成,通過計(jì)算集中質(zhì)量點(diǎn)在水流作用下的位移,可得到網(wǎng)衣變形后的形狀。圖1為網(wǎng)衣模型示意圖。網(wǎng)衣所受水流力可根據(jù)Morison方程來計(jì)算。

圖1 網(wǎng)衣模型示意圖Fig.1 The schem atic diagram of netting model

式中:M為集中質(zhì)量點(diǎn)的質(zhì)量;a為集中質(zhì)量點(diǎn)的加速度;F為集中質(zhì)量點(diǎn)所受水流力;T為網(wǎng)線張力;B為浮力;W為重力。

錨碇系統(tǒng)主要由連接錨繩、網(wǎng)格錨繩與錨碇錨繩組成。數(shù)值模擬時(shí)采用集中質(zhì)量的方法將錨繩離散為構(gòu)件與集中質(zhì)量點(diǎn),如圖2～圖4所示,其中:j、j-1代表錨繩劃分的構(gòu)件;i-1、i、i+1代表位于構(gòu)件兩端的集中質(zhì)量點(diǎn);Tj、Wj、FBj、FDj、FIj分別代表構(gòu)件所受的錨繩張力、重力、浮力、速度力及慣性力。模擬時(shí)將錨繩沿軸線方向分成若干個(gè)構(gòu)件,集中質(zhì)量點(diǎn)位于構(gòu)件的兩端,通過將構(gòu)件所受外力均分到質(zhì)量點(diǎn)上來獲得各質(zhì)量點(diǎn)的受力。錨繩控制方程的建立方法和網(wǎng)衣部分類同,這里不予重述。

1.3 波流場的模擬

波流相互作用的過程很復(fù)雜,相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型亦較復(fù)雜,難以在工程實(shí)際中應(yīng)用。本研究中只考慮穩(wěn)定均勻流和規(guī)則波浪同向相互作用形成的波流場情況。波浪與穩(wěn)定均勻流的相互作用過程可視

根據(jù)牛頓第二定律,集中質(zhì)量點(diǎn)的受力方程可表示為為:在第一階段波浪與水流獨(dú)立存在,在第二階段二者經(jīng)相互作用后形成一個(gè)穩(wěn)定的波浪-水流組合。在這一過程中,單純水流的能量通量在波流相互作用前后視為不變。對(duì)波能變化采用波浪作用通量守恒原理。在線性波條件下,當(dāng)波浪和水流相互共存時(shí),綜合波流場中的流速為水流速度 (均勻分布)和波浪水質(zhì)點(diǎn)速度之和。在固定坐標(biāo)系下,對(duì)于點(diǎn)P(t;x,y,z),其波面η及水質(zhì)點(diǎn)的水平速度vx和垂直速度vz可分別表示為

圖2 錨繩質(zhì)點(diǎn)示意圖Fig.2 i indicates the i-th node

圖3 錨繩構(gòu)件示意圖Fig.3 j th element and nodes

圖4 集中質(zhì)量點(diǎn)受力示意圖Fig.4 associated resultant forces on i-th node

式中:v為水流流速;H為波高;k為波數(shù);ω為角頻率;d為水深。固定坐標(biāo)系Oxyz下,坐標(biāo)軸原點(diǎn)O位于靜水面上,z軸垂直水面向上,波浪沿x軸方向入射。式 (5) ～式 (7)中的H、k、ω為受水流影響后的波高、波數(shù)及角頻率。

1.4 水動(dòng)力系數(shù)的選取

對(duì)于小尺度構(gòu)件在波流的聯(lián)合作用下,仍采用Morison公式來確定結(jié)構(gòu)所受的波流力。如何確定速度力系數(shù)Cd和慣性力系數(shù)CM是關(guān)鍵,盡管前人的研究很多,但就目前而言,波流相互作用下小尺度構(gòu)件水動(dòng)力系數(shù)如何選取,還沒有一個(gè)明確的研究結(jié)果。

這里根據(jù)浮架模擬試驗(yàn)結(jié)果對(duì)浮架水動(dòng)力系數(shù)進(jìn)行重新選取,為了簡化計(jì)算將其取為常數(shù),其中速度力系數(shù)CD子=0.2,CDn=CDu=0.4,附加質(zhì)量力系數(shù)Cmn=Cmu=0.2,Cm子=0,其中:n為沿浮架徑向的法線方向;子為浮架計(jì)算微元平面對(duì)應(yīng)浮管微元的切線方向;u為垂直于微元平面的方向。

對(duì)于網(wǎng)衣而言,目腳兩端集中質(zhì)量點(diǎn)速度力系數(shù)Cd取為1.0;目腳中間集中質(zhì)量點(diǎn)速度力系數(shù)的選取,采用Choo等[19]提出的速度力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系式來計(jì)算:

式中:Ren=ρVRnD/μ;s=-0.07721565+ln(8/Ren);Cn和Ct為法向和切向水阻力系數(shù);VRn為水質(zhì)點(diǎn)法向相對(duì)速度;ρ為水密度;μ為水黏性系數(shù)。

2 數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的可靠性和準(zhǔn)確性,在大連理工大學(xué)海岸和近海國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室多功能水池(55 m×34 m×1 m)中進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)。網(wǎng)箱的試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵罁?jù)重力相似準(zhǔn)則,模型設(shè)計(jì)比為1∶40。網(wǎng)衣材質(zhì)為聚乙烯,密度為0.953 kg/m3,目腳大小為11.7 mm,網(wǎng)線直徑為0.72 mm,圍成的圓形網(wǎng)衣直徑為398 mm,高度為25 mm。網(wǎng)衣下端掛有沉子,沉子為直徑7.5 mm的球體結(jié)構(gòu),共10個(gè),單個(gè)沉子水中質(zhì)量為3.1 g,對(duì)應(yīng)原型質(zhì)量為198.4 kg。采用直徑為38 mm的乒乓球 (質(zhì)量為2.5 g)對(duì)浮子進(jìn)行模擬,對(duì)應(yīng)原型質(zhì)量為160 kg。浮架由兩根浮管構(gòu)成,采用高密度聚乙烯(HDPE)材質(zhì),總質(zhì)量為18.54 g,對(duì)應(yīng)原型質(zhì)量為1 186.56 kg,內(nèi)外浮管的直徑分別為398 mm、423 mm。錨碇系統(tǒng)網(wǎng)格深度為100 mm。試驗(yàn)水深為500 mm。圖5為雙體組合式網(wǎng)格錨碇網(wǎng)箱模型結(jié)構(gòu)示意圖,圖中①、②、③、…為錨繩編號(hào),分別表示1#、2#、3#、…錨繩;網(wǎng)箱A、B分別表示沿波流方向的第一個(gè)網(wǎng)箱、第二個(gè)網(wǎng)箱。定義x軸為波流作用方向,z軸為豎直方向,y軸垂直于x軸和z軸,波流方向見圖5所示。

圖5 雙體組合式網(wǎng)格錨碇網(wǎng)箱模型結(jié)構(gòu)示意圖 (單位cm)Fig.5 Sketch of the assembled system com bined twonet cages(unit cm)

圖6 迎波面錨碇錨繩受力計(jì)算值與試驗(yàn)值的比較Fig.6 Comparison of themain rope forces of numerical results vs.experimental data in wave side

2.1 錨繩受力比較

由物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知,波流作用時(shí)迎波面錨碇錨繩受力較大,在驗(yàn)證時(shí)取圖5(a)中5#、6#錨繩受力最大值的算術(shù)平均值作為特征值進(jìn)行比較。由圖6可知,錨碇錨繩受力的計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好,12種工況條件下,計(jì)算值與試驗(yàn)值相對(duì)誤差最大值為5.2%,最小值為0.2%,平均值為2.5%。

2.2 浮架運(yùn)動(dòng)比較

在波流作用下,網(wǎng)箱A與網(wǎng)箱B浮架中心點(diǎn)水平、豎直方向運(yùn)動(dòng)幅度的計(jì)算值與試驗(yàn)值比較見圖7。由圖7可知,網(wǎng)箱A、網(wǎng)箱B浮架中心點(diǎn)水平、豎直方向運(yùn)動(dòng)幅度的計(jì)算值與試驗(yàn)值擬合程度較好。12種工況條件下,網(wǎng)箱A、B浮架中心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)幅度的計(jì)算值與試驗(yàn)值相對(duì)誤差最大值為9.5%,最小值為0.4%,平均值為4.8%。

計(jì)算各種工況條件下浮架傾角計(jì)算值與試驗(yàn)值的絕對(duì)差值,可知計(jì)算值與試驗(yàn)值兩者絕對(duì)差值最大值為1.7°,最小值為0.1°,平均值為0.9°。

圖7 網(wǎng)箱A、網(wǎng)箱B浮架中心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)幅度計(jì)算值與試驗(yàn)值的比較Fig.7 Comparisons on the floating system motion am plitude of calculated results vs.experimental data(model A,B)

通過對(duì)組合式網(wǎng)箱迎波面錨碇錨繩受力大小、網(wǎng)箱A、網(wǎng)箱B浮架中心點(diǎn)水平、豎直方向運(yùn)動(dòng)幅度及浮架傾角的計(jì)算值與試驗(yàn)值四個(gè)方面進(jìn)行比較,可認(rèn)定該數(shù)學(xué)模型具有較好的可靠性和準(zhǔn)確性。

3 雙體組合式網(wǎng)箱的水動(dòng)力特性

結(jié)合實(shí)際養(yǎng)殖海域情況,并考慮網(wǎng)箱的減流效應(yīng),模型計(jì)算中設(shè)計(jì)流速與設(shè)計(jì)波要素見表1。

表1 網(wǎng)箱模型計(jì)算工況表Tab.1 The wave-current conditions in calculation

3.1 錨繩受力

根據(jù)計(jì)算結(jié)果分別統(tǒng)計(jì)三類錨繩受力的情況。取圖5(a)中的5#、6#錨繩受力最大值的算術(shù)平均值,23#、24#錨繩受力最大值的算術(shù)平均值, 11#、13#錨繩受力最大值的算術(shù)平均值分別作為錨碇錨繩、連接錨繩和網(wǎng)格錨繩的受力特征值進(jìn)行比較。由圖8可知,在各種工況條件下,連接錨繩的受力最大,錨碇錨繩其次,網(wǎng)格錨繩的受力相對(duì)較小。為進(jìn)一步研究波流作用下錨繩受力的變化特點(diǎn),需分別考慮流速、波高及周期對(duì)三類錨繩受力的影響。

3.1.1 流速對(duì)錨繩受力的影響 在相同波高、周期條件下,三類錨繩受力特征值隨流速的增加均有一定程度的增加。這主要是由于流速的增加,增加了迎波面錨碇錨繩、連接錨繩及網(wǎng)格錨繩沿波流方向的變形。以11.1 cm/s流速與6種波況聯(lián)合作用時(shí)三類錨繩受力特征值為基準(zhǔn),計(jì)算流速為14.2 cm/s時(shí)對(duì)應(yīng)工況條件下三類錨繩受力特征值的變化幅度,經(jīng)計(jì)算可知:各種工況條件下,錨碇錨繩受力增加幅度為2.7%～20.3%,平均增加幅度為14.8%;連接錨繩受力增加幅度為 5.6% ～17.0%,平均增加幅度為10.1%;網(wǎng)格錨繩受力增加幅度為 9.5% ～17.7%,平均增加幅度為13.2%。比較三類錨繩受力增加的幅度,各種對(duì)應(yīng)波況下,錨碇錨繩受力增加幅度相對(duì)較大,網(wǎng)格錨繩次之,連接錨繩受力增加幅度相對(duì)較小。

圖8 波流作用下錨繩受力特征值的比較Fig.8 Com parisons on the characteristic value of the mooring line forces under combined wave-current conditions

3.1.2 波高對(duì)錨繩受力的影響 在相同流速及周期條件下,三類錨繩受力特征值隨波高的增加均有較明顯的增加,這主要是由于波高的增加,使浮架的水平、豎直方向運(yùn)動(dòng)幅度有所增加,從而引起錨繩變形量加大。比較三類錨繩受力增加的幅度,各種工況條件下,連接錨繩受力增加幅度較明顯,錨碇錨繩其次,網(wǎng)格錨繩相對(duì)較小。以14 cm波高與6種波況聯(lián)合作用時(shí)三類錨繩受力特征值為基準(zhǔn),計(jì)算波高為18 cm時(shí)對(duì)應(yīng)工況條件下錨繩受力特征值的增加幅度,經(jīng)計(jì)算可知:錨碇錨繩、連接錨繩及網(wǎng)格錨繩受力特征值隨波高的增加,平均增加幅度分別為55.4%、59.1%、45.7%。兩種流速條件下,小流速時(shí)波高變化引起的三類錨繩受力特征值變化幅度比大流速時(shí)要明顯。

3.1.3 周期對(duì)錨繩受力的影響 在流速、波高相

同情況下,三類錨繩受力隨周期的延長均有不同程度的減小。以不同流速、不同波高與小周期工況組合條件下錨繩受力特征值為基準(zhǔn),計(jì)算對(duì)應(yīng)流速、波高條件下,其他周期工況下三類錨繩受力特征值的變化幅度,經(jīng)計(jì)算可知:兩種流速對(duì)應(yīng)各種工況條件下,錨碇錨繩、連接錨繩及網(wǎng)格錨繩受力特征值隨周期的增加平均減小幅度分別為 10.9%、10.9%、10.6%。

3.2 浮架運(yùn)動(dòng)

在各種工況條件下,網(wǎng)箱A、B浮架中心點(diǎn)的水平、豎直方向運(yùn)動(dòng)幅度的比較見圖9。

圖9 波流作用下浮架中心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)幅度的比較Fig.9 Com parisons on the floating system motion amp litudes under combined wave-current conditions

3.2.1 流速對(duì)浮架運(yùn)動(dòng)幅度的影響 在各種工況條件下,網(wǎng)箱A、B浮架中心點(diǎn)水平方向運(yùn)動(dòng)幅度總體上表現(xiàn)為隨流速的增加有一定程度的增加。以11.1 cm/s流速與6種波況聯(lián)合作用時(shí),網(wǎng)箱A、B浮架中心點(diǎn)水平、豎直方向運(yùn)動(dòng)幅度為基準(zhǔn),計(jì)算流速為14.2 cm/s對(duì)應(yīng)工況下浮架中心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)幅度的變化幅度,經(jīng)計(jì)算可知:網(wǎng)箱A、B浮架中心點(diǎn)水平、豎直方向運(yùn)動(dòng)幅度增加幅度最大值分別為24%、3.94%;最小值分別為5.2%、2.6%。這主要是由于流速方向與波向一致,當(dāng)流速增加時(shí),浮架沿波流向的位移量有所增加。浮架中心點(diǎn)豎直方向運(yùn)動(dòng)幅度總體上表現(xiàn)為隨流速的增加略有減小,這主要是由于流速的增加,導(dǎo)致波流相互作用增強(qiáng),對(duì)波高產(chǎn)生一定影響,從而減小了浮架中心點(diǎn)豎直方向的運(yùn)動(dòng)幅度。

3.2.2 波高對(duì)浮架運(yùn)動(dòng)幅度的影響 在相同流速及周期條件下,浮架中心點(diǎn)水平、豎直方向運(yùn)動(dòng)幅度均隨波高的增加有較大程度的增加。以14 cm波高與6種波況聯(lián)合作用時(shí)浮架中心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)幅度為基準(zhǔn),計(jì)算18 cm波高對(duì)應(yīng)工況下浮架中心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)幅度的增加幅度,經(jīng)計(jì)算可知:各種工況條件下,浮架中心點(diǎn)水平、豎直方向運(yùn)動(dòng)幅度隨波高的增加均有不同程度的增加,網(wǎng)箱A、B水平方向平均增加幅度分別為 43.4%、39.8%,豎直方向分別為25.6%、28.0%,水平方向運(yùn)動(dòng)幅度的變化幅度較豎直方向要明顯。

3.2.3 周期對(duì)浮架運(yùn)動(dòng)幅度的影響 在相同流速及波高條件下,網(wǎng)箱A浮架中心點(diǎn)水平方向運(yùn)動(dòng)幅度與周期變化關(guān)系不明顯,而豎直方向運(yùn)動(dòng)幅度則隨周期的增加而增加。網(wǎng)箱B浮架中心點(diǎn)在兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)幅度均隨周期的增加而增加,這主要是由于錨繩對(duì)網(wǎng)箱A、B的錨繩約束力不同而造成的。

3.2.4 流速、波高及周期對(duì)浮架傾角的影響 在各種工況下,網(wǎng)箱A、B浮架傾角的比較見圖10,由圖可知,在相同波況條件下,網(wǎng)箱A、B浮架傾角隨流速的增加變化不明顯。在相同流速及周期條件下,網(wǎng)箱A、B浮架傾角隨波高的增加有不同程度的增加。各種工況條件下,浮架順時(shí)針方向傾角變化幅度較明顯。經(jīng)計(jì)算可知:網(wǎng)箱A、B在兩種波高對(duì)應(yīng)的各種工況下,浮架沿順時(shí)針方向傾角增加的最大值分別為5.2°、7.9°;浮架沿逆時(shí)針方向傾角增加的最大值均為2.2°。

在流速、波高相同條件下,浮架傾角隨周期的增加有不同程度的減小。經(jīng)計(jì)算可知:各種工況條件下,周期變化引起的網(wǎng)箱A、B浮架沿y軸順時(shí)針方向傾角減小的最大值分別為3.3°、6.1°;浮架沿y軸逆時(shí)針方向傾角減小的最大值分別為2.9°、2.5°。

圖10 波流作用下浮架傾角的比較Fig.10 Com parisons on the inclination angles of the floating system under combined wave-current conditions

3.3 網(wǎng)衣變形

根據(jù)網(wǎng)衣網(wǎng)線在波流作用下的運(yùn)動(dòng)方程,可得到各時(shí)刻網(wǎng)衣質(zhì)量集中點(diǎn)的坐標(biāo),從而可得到各時(shí)刻網(wǎng)衣的空間體積。定義網(wǎng)衣體積損失率為

式中:λV為網(wǎng)衣體積損失率;Vc0為網(wǎng)衣未變形時(shí)所圍成的空間體積;Vc為網(wǎng)衣在波流作用后所圍成的體積。

由于波作用的周期性,網(wǎng)衣體積大小也呈周期性變化。各種工況下網(wǎng)衣最大體積損失率見圖11,由圖可知:流速、波高及周期3個(gè)因素中,流速對(duì)網(wǎng)衣體積損失率的影響較波高、周期變化要明顯;在相同波況條件下,網(wǎng)箱網(wǎng)衣體積損失率總體上表現(xiàn)為隨流速的增加而略有增加。在各種波況條件下,網(wǎng)箱 A、B的體積損失率的最大值分別為2.8%、3.9%;最小值分別為0.7%、0.3%。由計(jì)算可知:在相同流速條件下,波高、周期變化對(duì)網(wǎng)衣變形的影響較小。各種工況條件下網(wǎng)箱A、B的網(wǎng)衣體積損失率相近。

圖11 波流作用下網(wǎng)衣最大體積損失率Fig.11 The maximum volume reduction coefficient of the netting under combined wave-current conditions

4 結(jié)論

對(duì)組合式網(wǎng)箱在波流作用下的數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證表明,本研究中建立的數(shù)學(xué)模型有較好的可靠性和準(zhǔn)確性。利用該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算,得到如下結(jié)論:

1)波流作用相同工況下,連接錨繩受力最大,錨碇錨繩受力次之,網(wǎng)格錨繩受力相對(duì)較小。12種工況下三類錨繩受力特征值大小的平均值之比為1∶0.94∶0.71。

2)錨碇錨繩、連接錨繩及網(wǎng)格錨繩受力隨流速、波高的增加有不同程度的增加,由流速和波高的增加引起這三類錨繩受力特征值的最大增幅分別為 20.3%、17.0%、17.7% 和 65.6%、64.0%、 51.2%;周期增加引起的三類錨繩受力特征值減幅最大值分別為19.2%、19.1%、15.5%。

3)在各種工況下,浮架中心點(diǎn)水平方向運(yùn)動(dòng)幅度總體上表現(xiàn)為隨流速的增加有一定程度的增加,浮架中心點(diǎn)豎直方向運(yùn)動(dòng)幅度隨流速的增加略有減小;浮架中心點(diǎn)水平、豎直方向運(yùn)動(dòng)幅度均隨波高的增加有較大程度的增加。

4)各種波況條件下,浮架傾角隨流速的增加變化不明顯;浮架傾角隨波高的增加略有增加;浮架傾角隨周期的增加有不同程度的減小。

5)網(wǎng)衣體積損失率總體上表現(xiàn)為隨流速的增加而略有增加;波高、周期變化對(duì)網(wǎng)衣變形的影響較小。

[1] DeCew J,Fredriksson DW,Bugrov L,etal.A case study of amodified gravity type cage and mooring system using numerical and physicalmodels[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering,2005, 30(1):47-58.

[2] Fredriksson DW,DeCew J,Tsukrov I,et al.Development of large fish farm numericalmodeling techniques with in situ mooring tension comparisons[J].Aquacultural Engineering,2007,36(2): 137-148.

[3] Moe H,Fredheim A,Hopperstad O S.Structural analysis of aquaculture net cages in current[J].Journal of Fluids and Structures, 2010,26:503-516.

[4] Lee CW,Kim Y B,Lee G H,et al.Dynamic simulation of a fish cage system subjected to currents and waves[J].Ocean Engineering,2008,35:1521-1532.

[5] Kim T H,Yang K U,Hwang K S,et al.Automatic submerging and surfacing performances ofmodel submersible fish cage system operated by air control[J].Aquacultural Engineering,2011,45:74-86.

[6] 吳常文,朱愛意,沈建林.HDPE深水網(wǎng)箱抗風(fēng)浪流性能的海區(qū)驗(yàn)證試驗(yàn)[J].海洋工程,2007,25(2):84-90.

[7] 桂福坤.深水重力式網(wǎng)箱水動(dòng)力學(xué)特性研究[D].大連:大連理工大學(xué),2006.

[8] 趙云鵬.深水重力式網(wǎng)箱水動(dòng)力特性數(shù)值模擬研究[D].大連:大連理工大學(xué),2007.

[9] Zhao Y P,Li Y C,Dong GH,etal.An experimental and numerical study of hydrodynamic characteristics of submerged flexible plane nets in waves[J].Aquacultural Engineering,2008,38:16-25.

[10] Zhao Y P,Li Y C,Dong G H,et al.The numerical simulation of hydrodynamic behaviors of gravity cage in current and waves[J]. International Journal of Offshore and Polar Engineering,2009,19 (1):97-107.

[11] 陳昌平,李玉成,趙云鵬,等.波流共同作用下單體網(wǎng)格式錨碇網(wǎng)箱水動(dòng)力特性研究[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展A輯,2009, 24(4):493-502.

[12] 陳昌平,李玉成,趙云鵬,等.波流入射方向?qū)W(wǎng)格式錨碇網(wǎng)箱水動(dòng)力特性的影響[J].中國水產(chǎn)科學(xué),2010,17(4):828-838.

[13] Chen Chang-ping,Li Yu-cheng,Zhao Yun-peng,et al.Numerical analysison the effectsofsubmerged depth of the grid and direction of incidentwave on gravity cage[J].China Ocean Engineering,2009,23(2):233-250.

[14] 黃小華,郭根喜,胡昱,等.圓形網(wǎng)衣在水流作用下的運(yùn)動(dòng)變形特性[J].中國水產(chǎn)科學(xué),2010,17(2):312-319.

[15] 黃小華,郭根喜,胡昱,等.HDPE圓柱形網(wǎng)箱與圓臺(tái)形網(wǎng)箱受力變形特性的比較[J].水產(chǎn)學(xué)報(bào),2011 35(1):124-130.

[16] Huang Chai-cheng,Tang Hung-jie Liu Jin-yuan.Modeling volume deformation of a gravity cage that have distributed weights in the marine agricultural system[J].Aquaculture Engineering, 2007,37:144-157.

[17] Zhan JM,Li Y S,Jia X P,et al.Analytical and experimental investigation of drag on nets of fish cages[J].Aquacultural Engineering,2006,35(1):91-101.

[18] ZHAN Jie-min,SUWei,LIYu-xiang,et al.Comparison of drags on fish cages of different shapes[J].China Ocean Engineering, 2006,20(3):457-471.

[19] Choo Y I,Casarella M J.Hydrodynamic resistance of towed cables [J].Journal of Hydronautics,1971,5(4):126-131.

A study on hydrodynam ic characteristics of two net cages under effect of wave-current

CHEN Chang-ping1,ZHAO Yun-peng2,LIYu-cheng2,DONG Guo-hai2,ZHENG Yan-na1
(1.College of Marine and Civil Engineering,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China;2.State Key Laboratory of Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)

Based on rigid kinematics theory and lumped massmethod,amathematicalmotion equationmodel of the two cageswith floating collar,netting,mooring ropes and floats is developed.Then a series of physicalmodel experiments are conducted to verify themathematicalmodel.The result shows that themathematicalmodel carries satisfactory reliability and accuracy.The forces acted on themooring ropes,floating collarmovement and net deformation under the different currents are calculated by using themodel.The result shows that the forces on the bridle ropes are the largest followed respectively by forces on themain ropes and the grid ropes under the same condition,that forces on these three types of ropes increase differently as the current speed and the height of waves increase,and that they decrease as the period ofwave increase.It further reveals that the horizontal amplitude of floating collar increases to an extent and the vertical amplitude decreases slightly as the current speed increases,that the horizontal and vertical amplitude of floating collar increases together as the heightand the period ofwave increase,that the inclination angle of floating collar is not influenced noticeablely by the current speed,but increases to a degree as the height ofwave increases and decreases as thewave period increases,and that the rate of netting deformation increases slightly as the current speed increases but is not influenced significiently by the height and period ofwave.

combined net cages;effect ofwave-current;numerical simulation;hydrodynamic characteristics

P731

A

2012-05-05

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (50809014);國家 “863”計(jì)劃項(xiàng)目 (2006AA100301);高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助課題 (200801411094);國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體 (50921001);國家自然科學(xué)青年基金資助項(xiàng)目 (51109022)

陳昌平 (1971-),男,副教授,博士。E-mail:ccp@dlfu.edu.cn

2095-1388(2012)04-0360-08