六三型網(wǎng)箱的阻力性能研究

劉永利，王 磊，石建高，余雯雯，閔明華，王魯民

（中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所，上海 200090）

六三型網(wǎng)箱的阻力性能研究

劉永利，王 磊，石建高，余雯雯，閔明華，王魯民*

（中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所，上海 200090）

為了給南海海域使用六三型網(wǎng)箱選址、選型、錨泊等提供數(shù)據(jù)參考，以六三型網(wǎng)箱為研究對(duì)象，在主尺度為90 m×6 m×3 m的試驗(yàn)水池內(nèi)進(jìn)行模型試驗(yàn)，研究2種浮管框架（420 mm和315 mm），不同網(wǎng)深（8 m和10 m）以及配重為底圈和沉子時(shí)對(duì)六三型網(wǎng)箱受力的影響。結(jié)果顯示：在同等條件下，315 mm雙浮管網(wǎng)箱的受力大于420 mm單浮管網(wǎng)箱的受力；網(wǎng)深10 m的網(wǎng)箱受力大于網(wǎng)深8 m的網(wǎng)箱受力；配重為底圈的網(wǎng)箱受力大于配重為沉子的網(wǎng)箱受力，并且配重為底圈的箱體形狀保持也好于配重為沉子的網(wǎng)箱。綜合考慮框架成本、制造加工難易度和網(wǎng)箱的受力情況，建議在流速1m／s以內(nèi)的海區(qū)使用420 mm單浮管框架結(jié)構(gòu)的網(wǎng)箱。

六三型網(wǎng)箱；阻力性能；單點(diǎn)錨泊

自1998年海南省從挪威引進(jìn)圓形雙浮管重力式網(wǎng)箱以后，全國多家科研院所和企業(yè)聯(lián)合攻關(guān)，已成功開發(fā)出聚乙烯框架、鋼結(jié)構(gòu)、浮繩式等多種型式的深水網(wǎng)箱［1-2］。各種網(wǎng)箱從南到北已遍布中國沿海海域，現(xiàn)使用最為廣泛的是圓形重力式深水網(wǎng)箱。國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)網(wǎng)箱的抗流特性［3-6］、配重形式［7-9］、阻流效果［10-13］、水動(dòng)力［14-18］特性等都做了許多研究。東南沿海為臺(tái)風(fēng)多發(fā)地，每年的臺(tái)風(fēng)都給養(yǎng)殖漁民的生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失。為了減少臺(tái)風(fēng)災(zāi)害對(duì)網(wǎng)箱養(yǎng)殖造成的損失，須對(duì)養(yǎng)殖用網(wǎng)箱進(jìn)行升級(jí)和改造，盡量減小生產(chǎn)安全隱患，減小臺(tái)風(fēng)對(duì)網(wǎng)箱的損害。針對(duì)南海地區(qū)臺(tái)風(fēng)多發(fā)、海況環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種六三型單點(diǎn)錨泊的網(wǎng)箱系統(tǒng)。由于該型網(wǎng)箱是單點(diǎn)錨泊，因此能夠做到隨海浪起伏“隨波逐流”，可適應(yīng)復(fù)雜的海況環(huán)境，有效降低風(fēng)浪對(duì)網(wǎng)箱的破壞性。通過對(duì)六三型網(wǎng)箱進(jìn)行模型試驗(yàn)，研究2種框架結(jié)構(gòu)類型、不同網(wǎng)深規(guī)格、不同配重形式對(duì)六三型深水網(wǎng)箱受力的影響，了解和掌握六三型網(wǎng)箱在各種海況條件下的水阻力特性，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，以期為網(wǎng)箱選址、設(shè)計(jì)、選型、海上設(shè)置安裝及錨泊等提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1．1 試驗(yàn)設(shè)備

網(wǎng)箱模型試驗(yàn)在中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所網(wǎng)具模型試驗(yàn)水池進(jìn)行。試驗(yàn)靜水池主尺度90 m×6 m×3 m；拖車車速范圍0．1～4．0 m／s，相對(duì)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，量程為0～20 kg，測力儀器的線性誤差小于滿量程的0．5‰；ROV水下攝影機(jī)一部。

1．2 原型網(wǎng)箱及模型網(wǎng)箱規(guī)格參數(shù)

六三型網(wǎng)箱是在圓形重力式網(wǎng)箱框架的基礎(chǔ)上，外接一個(gè)三角形框架，在三角形的三個(gè)頂角分別加一條與內(nèi)部圓相切的支架，整體構(gòu)成外部三角形，內(nèi)部六邊形的框架結(jié)構(gòu)。原型六三型網(wǎng)箱框架為HDPE材料，管徑為420 mm的單浮管框架和管徑為315 mm的雙浮管框架結(jié)構(gòu)（圖1）。網(wǎng)箱箱體采用錐臺(tái)形網(wǎng)袋，頂部周長40 m，底部周長30 m，網(wǎng)衣高度分為8 m和10 m兩種，實(shí)物網(wǎng)箱網(wǎng)衣為聚乙烯無結(jié)網(wǎng)衣，網(wǎng)目大小為75 mm，網(wǎng)線直徑3 mm，網(wǎng)衣裝配縮結(jié)系數(shù)為0．707，設(shè)計(jì)使用水深為25 m，錨繩長度100 m。網(wǎng)箱采用單點(diǎn)錨泊方式進(jìn)行錨泊（圖2）。網(wǎng)箱沉力配備為400 kg，網(wǎng)箱配重形式分別設(shè)計(jì)了底圈和重錘沉子兩種形式。模型網(wǎng)箱選用大尺度比λ為10．5，小尺度比λ′為3進(jìn)行制作。模型網(wǎng)箱選取直徑40 mm和30 mm的PPR管材，壁厚均為3．0 mm，采用熱塑焊接制成40mm管徑的單浮管框架和30 mm管徑的雙浮管框架；兩種框架結(jié)構(gòu)的網(wǎng)衣裝配高度均為0．8 m和1．0 m兩種，沉力配備為1．2 kg（配重為重錘時(shí)，重錘20個(gè)，每個(gè)60 g，均勻地掛在網(wǎng)箱底部四周：配重為底圈時(shí)，底圈重1．2 kg）；箱體采用聚乙烯經(jīng)編網(wǎng)，網(wǎng)目尺寸25 mm、網(wǎng)線直徑1．0 mm；網(wǎng)衣裝配形式與原型網(wǎng)箱相同。

圖1 六三型網(wǎng)箱框架Fig．1 Schematic of six-three sea cage

圖2 網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)及錨泊圖Fig．2 Constructional and anchoring diagram

1．3 試驗(yàn)方法

根據(jù)漁具模型試驗(yàn)準(zhǔn)則［19］進(jìn)行模型試驗(yàn)。在靜水池拖車前端有一可水平和垂直調(diào)節(jié)的拖曳桿，將網(wǎng)箱框架固定在拖曳桿上，采用拖動(dòng)模型網(wǎng)箱的辦法來進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換定律［20］，拖車車速等同于水流速度。模型試驗(yàn)速度為0．17 m／s、0．26 m／s、0．35 m／s、0．43 m／s、0．52 m／s和0．61 m／s，對(duì)應(yīng)實(shí)際流速為0．3 m／s、0．45 m／s、0．6 m／s、0．75 m／s、0．9 m／s和1．05 m／s。

1．4 力的測試和計(jì)算

模型網(wǎng)箱的錨泊方式為單點(diǎn)錨泊，力的測試通過LH-S02微型力傳感器進(jìn)行采集，在電腦軟件上進(jìn)行讀取，然后根據(jù)阻力換算公式進(jìn)行換算。阻力換算公式［21］：F實(shí)＝F模λ2λ′。式中：F實(shí)—實(shí)物網(wǎng)箱受力；F?！Ｐ途W(wǎng)箱受力；λ—大尺度比；λ′—小尺度比。

1．5 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

針對(duì)2種框架結(jié)構(gòu)（420 mm單浮管框架和315 mm雙浮管框架）的網(wǎng)箱分別進(jìn)行了2種網(wǎng)深（8 m和10 m）、2種配重形式（底圈和沉子）的網(wǎng)箱模型試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2．1 不同配重形式箱體受力

由圖3比較可知420mm單浮管框架，8 m網(wǎng)深在流速低于0．75 m／s時(shí)，兩種配重形式的網(wǎng)箱受力相差不多，配重為底圈的整體受力比配重為沉子的稍大1．7％～4．6％，當(dāng)流速為1．05 m／s時(shí)，配重為底圈的要比配重為沉子的受力大14．4％；10 m網(wǎng)深時(shí)，隨著流速的增加，箱體受力也隨之變大，配重為底圈的受力比配重為沉子的受力大23％～33．6％。

315 mm雙浮管框架，8 m網(wǎng)深在流速小于0．6 m／s時(shí)，配重為底圈的比配重為沉子的箱體受力大10．8％～12．3％，流速高于0．75 m／s時(shí)配重為底圈比配重為沉子受力大25．3％～33．2％。10 m網(wǎng)深時(shí)，流速小于0．75 m／s，配重為底圈比配重為沉子受力大1．8％～6．3％，流速高于0．75 m／s時(shí)，配重為底圈比配重為沉子受力大19．8％～28％。同等條件下隨著流速的增加，箱體受力不斷增大［22］，配重為底圈的受力要大于配重為沉子的受力。在相同流速、相同網(wǎng)深、相同框架結(jié)構(gòu)等條件下，受力相差變化較大出現(xiàn)在流速高于0．6～0．75m／s，流速小于0．6m／s時(shí)相差1．7％～12．3％，流速大于0．75 m／s時(shí)，配重為底圈的受力增大幅度明顯高于配重為沉子時(shí)的受力，相差19．8％～33．6％，這與趙云鵬［23］等的研究也相一致。究其原因，是因?yàn)榕渲貫榈兹r(shí)，底圈使網(wǎng)袋底部撐開，使得網(wǎng)袋整體形變量要小于配重為沉子時(shí)的形變量，從而導(dǎo)致配重為底圈的箱體受力面積比配重為沉子的箱體受力面積大，所以配重為底圈的受力要大于配重為沉子的箱體受力，由圖4也可看出配重為底圈的箱體容積保持率也高于配重為沉子的箱體。

圖3 箱體受力比較圖Fig．3 Sea cage stress com parison chart

2．2 不同網(wǎng)深箱體受力

在相同流速、相同框架結(jié)構(gòu)等條件下比較發(fā)現(xiàn)，配重為沉子時(shí)，10m深的網(wǎng)箱受力比8m深的網(wǎng)箱受力大4．2％～22．3％，配重為底圈時(shí)，10 m深的網(wǎng)箱受力比8 m深的網(wǎng)箱受力大1．5％～11．5％。在流速1．05 m／s時(shí)，420 mm單浮管框架網(wǎng)箱受力最大為16．2 kN，315 mm雙浮管框架網(wǎng)箱受力達(dá)到20．1 kN。兩種配重形式都是隨著網(wǎng)深的增加受力變大，配重為沉子時(shí)受力增加幅度與網(wǎng)深的增加幅度基本一致，網(wǎng)深增加了25％，受力增大22．3％。

2．3 不同框架結(jié)構(gòu)形式箱體受力

配重為底圈，8 m網(wǎng)深，在流速小于0．6 m／s時(shí)，315 mm的雙浮管框架結(jié)構(gòu)的網(wǎng)箱比420 mm單浮管框架結(jié)構(gòu)的網(wǎng)箱受力大4．1％～7．3％，流速大于0．75 m／s時(shí)，315 mm的雙浮管框架結(jié)構(gòu)的網(wǎng)箱比420 mm單浮管框架結(jié)構(gòu)的網(wǎng)箱受力大6．5％～12．4％；

10 m網(wǎng)深，流速小于0．75 m／s時(shí)，315 mm的雙浮管框架結(jié)構(gòu)的網(wǎng)箱比420 mm單浮管框架結(jié)構(gòu)的網(wǎng)箱受力大2．4～5．4％；流速大于0．75 m／s時(shí)，315 mm的雙浮管框架結(jié)構(gòu)的網(wǎng)箱比420 mm單浮管框架結(jié)構(gòu)的網(wǎng)箱受力大27．2％。

配重為沉子，8 m網(wǎng)深315 mm的雙浮管框架結(jié)構(gòu)的網(wǎng)箱比420 mm單浮管框架結(jié)構(gòu)的網(wǎng)箱受力大7．1％～16．8％；10 m網(wǎng)深，315 mm雙浮管框架的受力比420 mm單浮管的受力大2．1％～28．2％。

不難發(fā)現(xiàn)，不論是8m網(wǎng)深還是10m網(wǎng)深的箱體，都是雙浮管的框架結(jié)構(gòu)受力大于單浮管的框架結(jié)構(gòu)，配重為底圈的受力大于配重為沉子的受力。315 mm雙浮管框架的網(wǎng)箱浮管長度約為420mm單浮管框架浮管長度的2倍，而受力僅大了28．2％，這也說明水流作用下的單純浮架受力在整體網(wǎng)箱的受力中所占比重不大［24］。

2．4 不同配重形式箱體形變比較

圖4選取的是420 mm單浮管框架結(jié)構(gòu)，10 m網(wǎng)深時(shí)不同配重形式的三種流速時(shí)，采用水下攝影方法，在固定位置定點(diǎn)、定焦獲得影像資料，參考陳曉蕾等［12］關(guān)于網(wǎng)箱容積算法對(duì)影像資料進(jìn)行整理。

隨著流速的增加，沿著水流方向網(wǎng)箱箱體漂移不斷增大，箱體形變也不斷增大。配重為沉子的網(wǎng)箱迎流面的漂移形變量要比配重為底圈的大。因其吊掛的沉子均勻排布在網(wǎng)袋底部，兩個(gè)沉子之間沒有支撐物，水流沖擊時(shí)便會(huì)向中間聚攏從而使得網(wǎng)袋整體形變量大增。配重為底圈的箱體，同樣受水流的沖擊，但其底部為一整體，使得各部分相互牽制，迎流面受到周圍底圈的牽制作用，形變量就比單純?yōu)槌磷訒r(shí)的形變量要小，因此容積保持率要高于配重為沉子的箱體容積保持率。圖4的網(wǎng)箱水下照片也能更為直觀地看到兩種網(wǎng)箱在同一條件下的不同狀態(tài)。

圖4 不同流速下兩種網(wǎng)箱的水下照片F(xiàn)ig．4 Underwater photographs of two kinds of cages at different current velocities

3 結(jié)論

流速＜0．6～0．75 m／s時(shí)，315 mm雙浮管框架網(wǎng)箱和420 mm單浮管框架網(wǎng)箱的受力情況相差不多。因起換網(wǎng)便于操作，建議使用配重為沉子的形式。當(dāng)流速≥0．75 m／s時(shí)，建議使用配重為底圈的形式，雖然受力比配重為沉子形式的要大，但網(wǎng)形保持效果要好于配重為沉子的網(wǎng)箱。綜合考慮到框架成本，制造加工難易度，以及網(wǎng)箱的受力情況，建議在流速＜1 m／s的海區(qū)使用420 mm單浮管框架結(jié)構(gòu)的網(wǎng)箱比較合適。本文現(xiàn)僅做了網(wǎng)箱受力的研究，接下來將進(jìn)一步對(duì)網(wǎng)箱的容積保持以及在各種流速下的影響作進(jìn)一步探討。

參考文獻(xiàn)

［1］ 劉晉，郭根喜．國內(nèi)外深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖的現(xiàn)狀［J］．漁業(yè)現(xiàn)代化，2006，33（7）：30-34．

［2］ 劉永利，黃洪亮，張國勝，等．我國離岸深水網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)工藝的基礎(chǔ)性研究現(xiàn)狀［J］．海洋漁業(yè)，2007，29（3）：271-276．

［3］ 黃六一，梁振琳，萬榮，等．波流作用下網(wǎng)格錨泊的單個(gè)重力式網(wǎng)箱纜繩張力［J］．中國水產(chǎn)科學(xué)，2011，18（3）：636-645．

［4］ 黃六一，梁振林，趙芬芳，等．網(wǎng)箱形狀在海流中變化的模型試驗(yàn)［J］．青島海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，36（2）：245-248．

［5］ HUANG C C，TANG H J，LIU JY．Effects of waves and currents on gravity-type cages in the opensea［J］．Aquacultural Engineering，2008，38：105-116．

［6］ COLBOURNE D B，ALLEN JH．Observations on motions and loads in aquaculture cages from full scaleandmodel scale measurements［J］．Aquacuhural Engineering，2001，24：129-148．

［7］ 黃洪亮，王魯民，王明彥，等．沉力變化對(duì)圓形重力式網(wǎng)箱容積的影響［J］．中國水產(chǎn)科學(xué)，2004，11（S）：31-34．

［8］ LOVERICH G．A summary of the case against the use of gravity cages in the sea farming industry［J］．Aquaculture Pacific Exchange Campbell River，British Columbia，Canada，1997（9）：65-78．

［9］ FREDRIKSSON D．Open ocean fish cage andmooring system dynamics［D］．New Hampshire：University of New Hampshire，2001．

［10］ 黃六一，梁振琳，宋偉華，等．方形網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)減流效果試驗(yàn)［J］．中國水產(chǎn)科學(xué)，2007，14（5）：806-863

［11］ 劉永利，陳曉蕾，石建高，等．自減流低形變網(wǎng)箱模型試驗(yàn)［J］．海洋漁業(yè)，2011，33（2）：221-225．

［12］ 陳曉蕾，劉永利，黃洪亮，等．不同排布方式圓形重力式網(wǎng)箱容積保持率的模型試驗(yàn)［J］．海洋漁業(yè)，2008，30（4）：340-349．

［13］ 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．

［14］ 章守宇，劉洪生．飛碟形網(wǎng)箱的水動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算法［J］．水產(chǎn)學(xué)報(bào)，2002，26（6）：17-22．

［15］ ZHAO Y P，LIY C，DONGG H，etal．Numerical simulation of hydrodynamic behaviors of gravity cagein waves［J］．Chin OceanEngineering，2007，21（2）：225-238．

［16］ 陳昌平，李玉成，趙云鵬，等．水流作用下雙體組合式網(wǎng)箱水動(dòng)力特性研究［J］．中國海洋平臺(tái)，2011，26（1）：11-16．

［17］ ZHAO Y P，LIY C，DONGGH，etal．Numerical simulation of the hydrodynamic behaviour of gravity cage in waves［J］．China Ocean Engineering，2007，21（2）：225-239．

［18］ CHEN CP，LIY C，ZHAO Y P，etal．Numericalanalysis on the effects of submerged depth of the grid and direction of incidentwave on gravity gage［J］．China Ocean Engineering，2009，23（2）：233-250．

［19］ SC／T4001-1995．拖網(wǎng)模型水池試驗(yàn)方法［S］．

［20］ 周應(yīng)祺．漁具力學(xué)［M］．北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2001：7-13．

［21］ 陳雪忠，黃錫昌．漁具模型實(shí)驗(yàn)理論與方法［M］．上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2011：132-134．

［22］ 李玉成，毛雨嬋，桂福坤．不同配重方式和配重大小對(duì)重力式網(wǎng)箱受力的影響［J］．中國海洋平臺(tái)，2006，21（1）：6-16．

［23］ 趙云鵬，李玉成，董國海，等．水流作用下重力式網(wǎng)箱網(wǎng)衣張力分布［J］．漁業(yè)現(xiàn)代化，2008，35（6）：5-8．

［24］ 郭根喜，黃小華，胡昱，等．高密度聚乙烯圓形網(wǎng)箱錨繩受力實(shí)測研究［J］．中國水產(chǎn)科學(xué)，2010，17（4）：847-852．

Resistance performance test of six-three type sea cage

LIU Yong-li，WANG Lei，SHI Jian-gao，YUWen-wen，MIN Ming-hua，WANG Lu-min*

（East China Sea Fisheries Research Institute，Chinese Academy of Fishery Sciences，Shanghai 200090，China）

To provide reference for the sitting，type selection andmooring of six-three sea cagewhich will be used in the South China Sea，themodel test is conducted using this cage in experimental tankswith the size of 90 m×6 m×3 m．The effects of two floating frames（420 mm and 315 mm），various depths（8m and 10 m），and counter weight with bottom ring and sinker on tension of sea cage were investigated．The results showed that the tension of sea cage with 315 mm double floating frame was larger than that of cage with 420 mm single floating frame under equivalent conditions．The tension of cage with 10 m depth was larger than that of cage with 8m．And the tension of cage with bottom ring weights was greater than that of cage with sinker weight．In addition，the shape keeping of cagewith bottom ringwas superior to thatof cagewith bottom ring weights．Therefore，considering the costs of frame，manufacturing and processing，aswell as the tension of the cage，we recommends to use the cageswith 420 mm single floating frame when the flow velocity is less than 1m／s．

six-three sea cage；resistance performance；single-pointmooring

S 972．1

：A

2095-3666（2016）04-0293-06

10．13233／j．cnki．fishis．2016．04．008

2016-10-14

：2016-11-14

廣東省海洋經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新發(fā)展區(qū)域示范專項(xiàng)（GD2013-D01-001）

劉永利（1981-），男，助理研究員，研究方向：深水網(wǎng)箱性能的研究。E-mail：15921847103＠163．com

王魯民（1963-），男，研究員，研究方向：漁用新材料研究與開發(fā)。E-mail：lmwang＠eastfishery．a(chǎn)c．cn