圓形重力式網(wǎng)箱流場效應(yīng)的試驗研究

劉 超，關(guān)長濤，崔 勇，趙 俠，李夢杰，李真真 ，王騰騰

（1.上海海洋大學海洋科學學院，上海201306；2.中國水產(chǎn)科學研究院黃海水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)部海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展重點實驗室，青島市海水魚類種子工程與生物技術(shù)重點實驗室，山東青島266071）

1 前言

海水網(wǎng)箱養(yǎng)殖一般是在自然海區(qū)的開放環(huán)境下進行的，然而外海水域的海況復(fù)雜，深水區(qū)浪高、流急，網(wǎng)箱系統(tǒng)必須有抵抗大浪、強流的能力。這也是深海網(wǎng)箱抗風浪和耐流技術(shù)成為制約深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖的主要技術(shù)瓶頸，而深水網(wǎng)箱系統(tǒng)的水動力特性研究是解決這一技術(shù)瓶頸所必需的基礎(chǔ)性研究[1]。研究表明，網(wǎng)衣網(wǎng)目大小、網(wǎng)目形狀及網(wǎng)箱的形狀都與網(wǎng)箱系統(tǒng)流場分布有關(guān)，其中網(wǎng)衣對流速的衰減作用尤為突出。網(wǎng)衣為多孔柔性的小尺度結(jié)構(gòu)體[2，3]，周圍流場較為復(fù)雜，諸多學者對網(wǎng)衣周圍流場做了不同的研究。Aarsnes等[4]較早地研究了網(wǎng)箱系統(tǒng)內(nèi)外水流流場的分布情況，并獲得了流速衰減的規(guī)律。Zhao等[5～8]對重力式網(wǎng)箱在水流急波浪環(huán)境下的水流效應(yīng)進行了研究，并得到一定的衰減規(guī)律。Patursson[9]采用模型試驗對平面網(wǎng)衣后的流場分布情況進行了研究，并得到了水流的變化規(guī)律。宋偉華等[10]也通過模型試驗探究了方形網(wǎng)箱外部流速分布情況，結(jié)果表明網(wǎng)衣對網(wǎng)箱外部的流場分布影響顯著。黃六一等[11]通過對網(wǎng)箱在水流作用下的形狀變化的研究，得出網(wǎng)箱在水流作用下會發(fā)生變形，從而影響網(wǎng)箱的有效養(yǎng)殖面積。本文以4組網(wǎng)箱模型為研究對象，在4種流速下，通過聲學多普勒流速儀（ADV）定點測流速和粒子圖像測速（PIV）技術(shù)進行流場測試，對比分析網(wǎng)箱各要素對網(wǎng)箱周圍流場的影響，為實際生產(chǎn)提供借鑒。

2 材料與方法

2.1 試驗設(shè)備

本試驗在大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室PIV試驗波流水槽中進行。水槽長為22m，寬為0.45m，高為0.6m，試驗水深設(shè)定為恒定水深0.4m，對應(yīng)原型水深20m。試驗中根據(jù)實際海況、網(wǎng)箱的種類以及實驗水槽等的限制因素，確定模型試驗的模型比尺為1∶50，模型網(wǎng)箱尺寸如圖1所示，對應(yīng)周長為40m的原型網(wǎng)箱。在圓形網(wǎng)箱的基礎(chǔ)上，建立4個網(wǎng)箱模型如圖2所示，模型網(wǎng)箱各參數(shù)如表1所示。其他設(shè)備主要有造流系統(tǒng)、ADV、電荷耦合元件（CCD）圖像采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、激光器、示蹤粒子（聚氯乙烯（PVC）粉末）、相機、測力計和計算機等。

圖1 模型網(wǎng)箱尺寸（單位：m）Fig.1 Sizeofnet cage model(unit：m)

圖2 4種不同類型網(wǎng)箱模型Fig.2 Four kinds of net cage models

表1 模型網(wǎng)箱各單位參數(shù)Table 1 Parameters of each cells on net cage models

2.2 試驗方法與內(nèi)容

PIV技術(shù)克服了流場中單點測量的局限性[12～14]，可對流場進行無接觸、無干擾、高精確的測量，是研究水流瞬時流態(tài)的有效手段。示蹤粒子為PVC粉末，圖像分析系統(tǒng)采用美國TSI公司生產(chǎn)的粒子圖像測試系統(tǒng)。當三維ADV顯示的流速達到試驗流速時，用CCD照相機對網(wǎng)箱系統(tǒng)內(nèi)外進行拍照，每次采集8組圖像，每組圖像采集的時間間隔平均為0.038 s[15]。然后對采集到的圖像進行整理、分析和處理就可得到網(wǎng)箱周圍流場分布。將ADV試驗結(jié)果與PIV測得的流場分布結(jié)果進行對比，如果結(jié)果吻合度較好，則說明這兩種測量方法的可信度高，貼近實際情況。模型流速設(shè)為0.06m/s，0.10m/s，0.14m/s和0.18m/s；對應(yīng)的原型流速為0.481m/s，0.742m/s，1.011m/s和1.287m/s。試驗中測得流速為0.068m/s，0.105m/s，0.143m/s和0.182m/s。

2.2.1 ADV測流速

1）單體網(wǎng)箱測流試驗。在4種不同水流流速下分別對4種單體模型網(wǎng)箱進行ADV試驗，試驗布置圖如圖3所示，測量點1的速度即為來流速度，比較各測量點的實際速度，計算出水流流速衰減率，選擇較優(yōu)的一組網(wǎng)箱模型。

2）群組網(wǎng)箱測流試驗。本試驗以單體網(wǎng)箱測流試驗為基礎(chǔ)，在其中選擇較優(yōu)的一組模型網(wǎng)箱作為研究對象進行試驗，試驗布置圖如圖4所示，其中測量點1為原點，分別測量各個點的水流流速，并進行比較。

圖3 單體網(wǎng)箱流速測量的橫切圖（a）和縱切圖（b）（單位：m）Fig.3 The horizontalview(a)and verticalview(b)for velocity measurement of singlenet cage(unit：m)

圖4 群組網(wǎng)箱流速測量的橫切圖（a）和縱切圖（b）（單位：m）Fig.4 Thehorizontalview(a)and verticalview(b)for velocity measurement of multiplenet cages(unit：m)

2.2.2 PIV測流場

本試驗在4種不同水流流速下，用PIV技術(shù)測定4種不同類型模型網(wǎng)箱某一鉛直切面上的流場分布情況，具體試驗設(shè)計如圖5所示。

3 試驗結(jié)果與分析

試驗前對PIV和ADV的測速差異進行校對[16]。試驗結(jié)果表明不同來流速度下流場測量誤差基本一致。通過ADV測定網(wǎng)箱流速，將得到的數(shù)據(jù)進行對比，繪制成圖表，分別對相同網(wǎng)目尺寸、不同網(wǎng)目形狀及相同網(wǎng)目形狀、不同網(wǎng)目尺寸的網(wǎng)箱進行比較，選擇減流效果較好的網(wǎng)箱類型，進而為群組網(wǎng)箱水流流速測定試驗奠定基礎(chǔ)。通過PIV技術(shù)，對網(wǎng)箱周圍流場變化進行測定，結(jié)合ADV測流結(jié)果，進行最優(yōu)網(wǎng)箱組合的選擇。

3.1 網(wǎng)箱流速變化

3.1.1 單體網(wǎng)箱流速變化分析

根據(jù)圖3，分別采集各測量點在不同來流時的流速，整理結(jié)果如圖6所示，其中x表示測量點距離原點的水平距離。

對于同一個網(wǎng)箱模型，不同來流速度通過網(wǎng)箱時的最低水流流速均出現(xiàn)在500～900mm，并且對于不同來流速度水流最大衰減率差異不大，因此隨機選擇來流速度為u0=0.182m/s，對4種類型的網(wǎng)箱進行分析比較，得出如下結(jié)論：C1、C2、C3和C4的最大流速衰減率分別為33.5%、45.1%、54.9%和62.1%，即C4＞C3＞C2＞C1，說明小網(wǎng)目網(wǎng)衣減流效果整體優(yōu)于大網(wǎng)目網(wǎng)衣；由于C1＜C2、C3＜C4，說明相同網(wǎng)目尺寸的網(wǎng)箱，菱形網(wǎng)目網(wǎng)箱減流效果優(yōu)于方形網(wǎng)目網(wǎng)箱。

圖5 PIV試驗裝置示意圖Fig.5 Schematic of the PIV testset

在出現(xiàn)最低水流速度處之后，網(wǎng)箱對來流的影響依然存在，流速隨著距離的增加逐漸增大。在測量點1 700mm處，水流速度仍然小于來流速度，可見網(wǎng)箱對水流的減流影響范圍很大。

綜合以上結(jié)果，水流在穿過網(wǎng)箱時流速銳減；小網(wǎng)目網(wǎng)衣對水流的影響大于大網(wǎng)目網(wǎng)衣，來流穿過網(wǎng)箱時，水流減小的幅度更大；對比相同材質(zhì)的菱形網(wǎng)目網(wǎng)箱和方形網(wǎng)目網(wǎng)箱，水流穿過菱形網(wǎng)目網(wǎng)箱時流速減小幅度較大，即菱形網(wǎng)目網(wǎng)箱在減流方面優(yōu)于方形網(wǎng)目網(wǎng)箱。

3.1.2 群組網(wǎng)箱流速變化分析

由單體網(wǎng)箱水流變化試驗可知小網(wǎng)目網(wǎng)箱減流效果優(yōu)于大網(wǎng)目網(wǎng)箱，但網(wǎng)目太小也有很大的安全隱患，如水流交換差、網(wǎng)衣附著生物嚴重、承受力大和容易損壞等，因而在實際生產(chǎn)中必須慎重考慮。

圖6 各網(wǎng)箱的ADV測量結(jié)果Fig.6 The ADV measurement results of each net cage

基于以上考慮，筆者選擇C2網(wǎng)箱作為本試驗研究對象，以4個C2網(wǎng)箱為一群組，迎流方向相鄰的兩個網(wǎng)箱的中心間距為0.4m，ADV分別測量群組前后以及4個中心點的流速，結(jié)果如圖7所示。

圖7 網(wǎng)箱群組的ADV測量結(jié)果Fig.7 The ADV measurement results of multiple net cages

隨著網(wǎng)箱數(shù)量的累加，流速是不斷減小的；其中，4個網(wǎng)箱中心的流速最大衰減率依次為25.9%、67.6%、63.2%和88.2%，網(wǎng)箱后的流速衰減率為72.1%。群組網(wǎng)箱的減流效果顯著，且第2個網(wǎng)箱已經(jīng)可以減流50%以上，對養(yǎng)殖動物可以起到很好的保護作用，因此在流速較大的海區(qū)，可以考慮在養(yǎng)殖網(wǎng)箱前增加一個空網(wǎng)箱來保護養(yǎng)殖動物。

3.2 網(wǎng)箱流場分析

對4種單體網(wǎng)箱進行PIV流場試驗，在4種流速下進行圖像采集，再對所得圖像進行分析和計算，從而得到流場情況，進而得到網(wǎng)箱周圍的流場分布情況。

u0=0.068m/s時，C1流場分布結(jié)果如圖8所示，其中x表示測量點位置，y表示水深，虛線框為網(wǎng)箱，下同。100mm處，水流流速為0.034m/s，水流流速衰減率達到50%；200mm處，水流流速為0.051m/s，水流流速衰減率為25%；300 mm處，水流流速為0.034m/s，水流流速衰減率為50%；500mm處，水流流速為0.034m/s，水流流速衰減率為50%；網(wǎng)箱底部水流流速明顯大于來流速度。由圖8b可以看出，PIV與ADV試驗結(jié)果基本吻合。

u0=0.105m/s時，C1流場分布結(jié)果如圖9所示。100mm處，水流流速為0.035m/s，水流流速衰減率達到66.67%；200mm處，水流流速為0.071m/s，水流流速衰減率為32.38%；300mm處，水流流速為0.053m/s，水流流速衰減率為49.52%；500mm處，水流流速為0.071m/s，水流流速衰減率為32.38%。

圖8 C1流場分布結(jié)果（u0=0.068m/s）Fig.8 Flow field distribution results of C1（u0=0.068m/s）

圖9 C1流場分布結(jié)果（u0=0.105m/s）Fig.9 Flow field distribution results of C1（u0=0.105m/s）

u0=0.143 m/s時，C1流場分布結(jié)果如圖10所示。100mm處，水流流速為0.080m/s，水流流速衰減率達到44.06%；200mm處，水流流速為0.115m/s，水流流速衰減率為19.58%；300mm處，水流流速為0.070m/s，水流流速衰減率為51.05%；500mm處，水流流速為0.073m/s，水流流速衰減率為48.95%。

圖10 C1流場分布結(jié)果（u0=0.143m/s）Fig.10 Flow field distribution results of C1（u0=0.143m/s）

u0=0.182 m/s時，C1流場分布結(jié)果如圖11所示。100mm處，水流流速為0.138m/s，水流流速衰減率達到了23.08%；200mm處，水流流速為0.151m/s，水流流速衰減率為17.03%；300mm處，水流流速為0.111m/s，水流流速衰減率為39.01%；500mm處，水流流速為0.102 m/s，水流流速衰減率為43.96%。由圖11b可看出，PIV與ADV試驗結(jié)果基本一致。

圖11 C1流場分布結(jié)果（u0=0.182m/s）Fig.11 Flow field distribution results of C1（u0=0.182m/s）

綜上所述，在水流第一次流經(jīng)網(wǎng)衣時，水流折流較大；之后水流逐漸增大，水流經(jīng)過網(wǎng)箱后面網(wǎng)衣時，水流驟減；待水流完全經(jīng)過網(wǎng)箱時，隨著距離的增加，水流流速慢慢增大；網(wǎng)箱C1的流場在小流速時相對平穩(wěn)，大流速時網(wǎng)箱的底部流速較大，且隨著距離的增加，流速緩慢降低；不論流速大小，PIV與ADV試驗結(jié)果基本一致。

u0=0.143 m/s時，C2流場分布結(jié)果如圖12所示。100mm處，水流流速為0.063m/s，水流流速衰減率達到55.94%；200mm處，水流流速為0.084m/s，水流流速衰減率為41.26%；300mm處，水流流速為0.053m/s，水流流速衰減率為62.94%；500mm處，水流流速為0.073m/s，水流流速衰減率為48.95%。將圖12與圖10中C2與C1在100～300mm范圍內(nèi)的水流流速進行比較，對應(yīng)位置C2水流流速均小于C1，說明C2的減流能力要優(yōu)于C1。

圖12 C2流場分布結(jié)果（u0=0.143m/s）Fig.12 Flow field distribution results of C2（u0=0.143m/s）

u0=0.182 m/s時，C2流場分布結(jié)果如圖13所示。其結(jié)論與u0=0.143m/s時基本一致。比較圖13與圖12，在兩種來流流速下，網(wǎng)箱C2內(nèi)流場線都比較規(guī)律，流場都比較穩(wěn)定，網(wǎng)箱變形不明顯。

圖13 C2流場分布結(jié)果（u0=0.182m/s）Fig.13 Flow field distribution results of C2（u0=0.182m/s）

u0=0.182 m/s時，C4流場分布結(jié)果如圖14所示。比較圖14b與圖13b中C4與C2在測量點100～300mm的水流流速，對應(yīng)位置C4水流流速均小于C2，說明C4的減流能力要優(yōu)于C2；但比較箱內(nèi)流線情況可知，C4內(nèi)的流線較亂，并且網(wǎng)箱變形嚴重，因此ADV與PIV測量結(jié)果略有差異。

u0=0.182 m/s時，C3流場分布結(jié)果如圖15所示。100mm處，水流流速為0.126m/s，水流流速衰減率達到30.77%；200mm處，水流流速為0.063m/s，水流流速衰減率為65.38%；300mm處，水流流速為0.056m/s，水流流速衰減率為69.23%；500mm處，水流流速為0.025 m/s，水流流速衰減率為86.26%。C3的減流效果也較好，但網(wǎng)箱變形嚴重，流線也較紊亂。

圖14 C4流場分布結(jié)果（u0=0.182m/s）Fig.14 Flow field distribution results of C4（u0=0.182m/s）

圖15 C3流場分布結(jié)果（u0=0.182m/s）Fig.15 Flow field distribution results of C3（u0=0.182m/s）

綜合以上分析可知，PIV與ADV測量結(jié)果基本吻合；從減流效果方面來看，菱形網(wǎng)目優(yōu)于方形網(wǎng)目，小網(wǎng)目網(wǎng)衣優(yōu)于大網(wǎng)目網(wǎng)衣。從PIV流場圖可以明顯看出，小網(wǎng)目網(wǎng)衣變形嚴重，對周圍水環(huán)境影響較大，對測量結(jié)果也有一定的影響，在實際生產(chǎn)中也要充分考慮這一點。

4 討論

通過PIV流場分析以及ADV定點流速分析可知，水流穿過網(wǎng)箱時，流速顯著變小，網(wǎng)箱對水流流速的衰減率甚至達到一半以上。網(wǎng)衣網(wǎng)目的大小以及網(wǎng)衣網(wǎng)目形狀都與網(wǎng)箱的減流作用有直接關(guān)系。其中，小網(wǎng)目的網(wǎng)衣減流能力優(yōu)于大網(wǎng)目，小網(wǎng)目的密實度明顯大于大網(wǎng)目，減流效果更好。然而，小網(wǎng)目的網(wǎng)衣減流大導致網(wǎng)箱受力增大，也容易導致網(wǎng)衣破損，另外也會導致網(wǎng)箱變形嚴重，有效養(yǎng)殖面積降低，這些都不利于養(yǎng)殖生產(chǎn)。有研究表明，流速為0.75m/s時，網(wǎng)箱容積的損失率就達到了47%～56%，網(wǎng)衣變形比較嚴重，導致有效養(yǎng)殖面積銳減。菱形網(wǎng)衣的密實度為0.272，而方形網(wǎng)衣的密實度為0.243[17]，因此，菱形網(wǎng)衣的減流效果優(yōu)于方形網(wǎng)衣，這也與試驗結(jié)果是一致的。群組網(wǎng)箱對水流的減流效果比較理想，越靠后的網(wǎng)箱承受的流速越小，迎流方向上的第2個網(wǎng)箱已經(jīng)可以減流50%以上，第4個網(wǎng)箱的流速衰減率為88.2%。

由Zhao等[6]利用網(wǎng)箱數(shù)值模擬的流場分布可知，網(wǎng)衣前有一定范圍的流速衰減區(qū)域，該衰減區(qū)域比較??；網(wǎng)衣后的流速衰減區(qū)域的范圍相對較大，其寬度幾乎與網(wǎng)衣寬度相同，并且隨著與網(wǎng)衣距離的增加而變窄，同時網(wǎng)衣兩側(cè)及網(wǎng)底水流流速也相應(yīng)增大。由試驗的PIV流場分析圖也可以看出，網(wǎng)衣前流速比來流速度偏小，可能是由網(wǎng)衣的擾流作用引起的；網(wǎng)箱底部顏色較深，即水流大；網(wǎng)箱后的流速變化與網(wǎng)箱高度和寬度密切相關(guān)，距離網(wǎng)箱越遠，流速衰減的面積越小，而且顏色逐漸加深，即流速逐漸增大。宋偉華等[10]在方形網(wǎng)箱減流試驗中的流速測試范圍為網(wǎng)箱后50～125 cm的兩個水層，結(jié)果顯示網(wǎng)箱減流效果明顯，網(wǎng)箱尾部的減流區(qū)域集中在網(wǎng)袋與來流垂直的投影面中部，而網(wǎng)箱兩側(cè)的流速略有增加。這與試驗結(jié)果是一致的。

5 結(jié)語

根據(jù)ADV對4組圓形網(wǎng)箱模型在不同水流流速下分別進行單體和群組網(wǎng)箱流速的測定，以及PIV技術(shù)對網(wǎng)箱內(nèi)外流場分布的測定結(jié)果，通過分析相關(guān)數(shù)據(jù)可得出以下結(jié)論。

1)4組單體網(wǎng)箱在相同來流速度情況下，對水流均具有不同程度的減流效果；但對于相同網(wǎng)目大小的網(wǎng)箱，菱形網(wǎng)目網(wǎng)箱減流效果優(yōu)于方形網(wǎng)目網(wǎng)箱；而對于相同網(wǎng)目形狀的網(wǎng)箱，小網(wǎng)目網(wǎng)衣網(wǎng)箱減流效果優(yōu)于大網(wǎng)目網(wǎng)衣網(wǎng)箱。

2)群組網(wǎng)箱對水流的減流效果比較明顯，并且隨著網(wǎng)箱數(shù)量的增加，水流流速逐漸降低，在實際生產(chǎn)過程中可以在養(yǎng)殖網(wǎng)箱前面設(shè)置一個空網(wǎng)箱，進行減流。

3)在不同水流流速下，大網(wǎng)目網(wǎng)箱內(nèi)外流場分布比較均勻，穩(wěn)定性較好，而小網(wǎng)目網(wǎng)箱的流線比較紊亂，網(wǎng)箱變形嚴重，這將影響網(wǎng)箱內(nèi)水體交換并降低有效養(yǎng)殖面積。

根據(jù)以上試驗結(jié)果，在網(wǎng)箱養(yǎng)殖生產(chǎn)實踐中選擇網(wǎng)箱時，不僅要考慮網(wǎng)箱的減流情況，還要充分考慮網(wǎng)箱的穩(wěn)定性問題；通過在網(wǎng)箱前面建立一個減流堤，可以有效地減流，增強網(wǎng)箱的穩(wěn)定性。本文主要研究了4種模型網(wǎng)箱在水流作用下的流場分布情況，從中得到了一些規(guī)律和啟示，可為網(wǎng)箱養(yǎng)殖在生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用提供借鑒。

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