雙層網(wǎng)底鲆鰈網(wǎng)箱耐流特性的數(shù)值模擬

崔 勇， 關(guān)長濤， 李 嬌， 公丕海

(農(nóng)業(yè)部海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展重點(diǎn)試驗(yàn)室，青島市海水魚類種子工程與生物技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所，山東 青島 266071)

雙層網(wǎng)底鲆鰈網(wǎng)箱耐流特性的數(shù)值模擬

崔 勇， 關(guān)長濤， 李 嬌， 公丕海

(農(nóng)業(yè)部海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展重點(diǎn)試驗(yàn)室，青島市海水魚類種子工程與生物技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所，山東 青島 266071)

雙層網(wǎng)底鲆鰈網(wǎng)箱的網(wǎng)底結(jié)構(gòu)在水流作用下會發(fā)生傾斜與轉(zhuǎn)動。為確保網(wǎng)底結(jié)構(gòu)的安全，需對其耐流特性進(jìn)行動力分析。為此，根據(jù)有限元法建立了流場中雙層網(wǎng)底網(wǎng)箱受力的數(shù)學(xué)模型，通過計算機(jī)數(shù)值模擬對雙層網(wǎng)底的最大位移與傾角進(jìn)行研究，并將雙層網(wǎng)底的計算結(jié)果與單層網(wǎng)底進(jìn)行對比分析。模擬結(jié)果顯示，隨著流速的增大，上層網(wǎng)底與下層網(wǎng)底的傾角逐漸增加，并且兩層網(wǎng)底的傾斜方向恰好相反。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)實(shí)際海區(qū)流速超過93 cm/s時，雙層網(wǎng)底網(wǎng)箱的上、下兩層網(wǎng)底會發(fā)生接觸碰撞，從而影響網(wǎng)底的穩(wěn)定。此外，雙層網(wǎng)底網(wǎng)箱的下層網(wǎng)底位移要大于單層網(wǎng)底網(wǎng)箱，但其傾角卻小于后者，這可能與雙層網(wǎng)底網(wǎng)箱的上層網(wǎng)底設(shè)計有關(guān)。

雙層網(wǎng)底；耐流特性；有限元；鲆鰈網(wǎng)箱

鲆鰈類養(yǎng)殖網(wǎng)箱是一種帶有網(wǎng)底平臺結(jié)構(gòu)的特種網(wǎng)箱，主要用于鲆科、鰈科、鰨科等底棲魚類的養(yǎng)殖。該網(wǎng)箱的特殊性在于能夠?yàn)轹姻l魚類健康生長提供穩(wěn)定、適宜的棲息平臺，以避免魚體因與網(wǎng)底摩擦而受傷。在網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)上，鲆鰈類養(yǎng)殖網(wǎng)箱與用于游泳性魚類養(yǎng)殖的其他各類網(wǎng)箱間的主要差異有兩點(diǎn)：一是網(wǎng)衣的深度??；二是網(wǎng)箱底部必須設(shè)有平底結(jié)構(gòu)的網(wǎng)底平臺。鲆鰈類養(yǎng)殖網(wǎng)箱強(qiáng)調(diào)的是網(wǎng)底面積的大小，而不是網(wǎng)箱容積的多少。因此，為滿足鲆鰈類養(yǎng)殖需求，本研究提出一種雙層網(wǎng)底鲆鰈網(wǎng)箱，可用以增加單體網(wǎng)箱的有效養(yǎng)殖面積，從而提高網(wǎng)箱養(yǎng)殖空間利用效率。雙層網(wǎng)底在水流作用下會發(fā)生傾斜與轉(zhuǎn)動，為確保鲆鰈網(wǎng)箱網(wǎng)底結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，有必要對網(wǎng)箱的耐流特性開展研究。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者在離岸網(wǎng)箱水動力特性方面進(jìn)行了大量的水槽試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究[1-12]。目前，此類研究中針對鲆鰈網(wǎng)箱耐流特性的報道還比較少。趙云鵬等[13]通過集中質(zhì)量法對方形鲆鰈網(wǎng)箱在波浪作用下的運(yùn)動變形進(jìn)行了數(shù)值模擬；桂福坤等[14]對鲆鰈網(wǎng)箱在波浪作用下的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行測試，并與圓形重力式網(wǎng)箱進(jìn)行了比較；崔勇等[15]通過水槽模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬，研究不同結(jié)構(gòu)形式的鲆鰈網(wǎng)箱水動力特性。本研究以新設(shè)計的一種雙層網(wǎng)底鲆鰈網(wǎng)箱為研究對象，基于ANSYS提供的參數(shù)化建模技術(shù)，對其耐流特性進(jìn)行數(shù)值模擬，并與傳統(tǒng)的單層網(wǎng)底鲆鰈網(wǎng)箱進(jìn)行對比分析，研究結(jié)果可為新型鲆鰈網(wǎng)箱工程設(shè)計提供理論參考。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)運(yùn)動方程

根據(jù)有限元動力分析方法，雙層網(wǎng)底鲆鰈網(wǎng)箱整體結(jié)構(gòu)在流場中的運(yùn)動可由下式來表示[16]：

(1)

鲆鰈網(wǎng)箱主要由剛性的框架與柔性的網(wǎng)衣組成，網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)離散后形成不同的結(jié)構(gòu)單元。首先獲取不同特性單元的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和節(jié)點(diǎn)力矢量，然后組裝形成網(wǎng)箱總體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和節(jié)點(diǎn)力矢量。

1.2 單元特性

利用有限元軟件ANSYSMechanical模塊內(nèi)置的PIPE59管單元來模擬網(wǎng)箱離散單元。PIPE59管單元是一種可承受拉、壓、彎作用，并且能夠模擬海洋水流的單軸單元，可以用來計算位于水中的圓管形構(gòu)件的浮力、水流力的靜載荷與動載荷(圖1)。PIPE59單元的每個結(jié)點(diǎn)有3個或6個自由度，即沿x，y，z方向的線位移及繞X，Y，Z軸的角位移。在模擬網(wǎng)衣單元時，消除抗彎剛度可將管單元轉(zhuǎn)換為繩索單元[16]。

圖1 管單元模型圖Fig.1 The figure of the pipe element

網(wǎng)箱離散后的框架單元用管單元來模擬，其單元質(zhì)量矩陣形式與三維梁單元相似[17]，其中，

(2)

(3)

式中：A—單元的橫截面積，m2；I—慣性矩；D、d—單元的外徑和內(nèi)徑，m。網(wǎng)箱離散后的網(wǎng)衣和錨繩單元用管單元模擬時，僅考慮單元軸向拉伸效應(yīng)，單元內(nèi)徑d設(shè)置為0，其單元的剛度矩陣與質(zhì)量矩陣與三維桿單元相同。單元載荷通過Morison方程來計算[18]：

(4)

2 雙層網(wǎng)底鲆鰈網(wǎng)箱模型

新設(shè)計的雙層網(wǎng)底鲆鰈網(wǎng)箱以文獻(xiàn)[19]中所述的方形金屬框架鲆鰈網(wǎng)箱為基礎(chǔ)，網(wǎng)箱主體規(guī)格為5 m×5 m×4 m，網(wǎng)底面積16 m2，上層網(wǎng)底設(shè)置水深2 m，底面積9 m2，即雙層網(wǎng)底網(wǎng)箱的總養(yǎng)殖面積為25 m2。上層網(wǎng)底的四角用聚乙烯繩索平衡固定于網(wǎng)箱上框架與底框架的四角，確保上層網(wǎng)底平臺處于水平狀態(tài)(圖2)。

圖2 雙層網(wǎng)底鲆鰈網(wǎng)箱Fig.2 The Flounder fish cage with double bottoms

為了與文獻(xiàn)[19]中所述的單層網(wǎng)底鲆鰈網(wǎng)箱進(jìn)行比較，計算用例根據(jù)重力相似準(zhǔn)側(cè)，采用1∶20的大尺度比，模型網(wǎng)箱參數(shù)見表1，水流工況見表2，設(shè)計水深0.6 m。

表1 模型網(wǎng)箱參數(shù)

表2 水流工況

3 結(jié)果與討論

3.1 網(wǎng)箱變形

圖3為水流作用下雙層網(wǎng)底鲆鰈網(wǎng)箱在達(dá)到平衡狀態(tài)時變形情況的數(shù)值模擬結(jié)果。

圖3 水流作用下網(wǎng)箱變形模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of flounder fish cages deformation in current

其中，流速v1～v6分別為9.9、13.3、14.2、18.4、20.9和25.6 cm/s。從圖3可以看出，當(dāng)流速較小時，網(wǎng)箱的上層網(wǎng)底與下層網(wǎng)底傾斜角度均不大，可以較好地保持網(wǎng)底平衡。隨著流速的增大，上、下層網(wǎng)底的傾角逐漸增加，并且兩層網(wǎng)底的傾斜方向恰好相反，上層網(wǎng)底為順時針方向，而下層網(wǎng)底為逆時針方向。當(dāng)流速較大時，上層網(wǎng)底的傾斜幅度要明顯大于下層網(wǎng)底。當(dāng)流速達(dá)到20.9 cm/s時，兩層網(wǎng)底結(jié)構(gòu)幾乎接觸到一起；當(dāng)流速為25.6 cm/s時，上、下層網(wǎng)底由于傾角過大而產(chǎn)生碰撞，從而影響網(wǎng)底結(jié)構(gòu)的平衡與穩(wěn)定。

3.2 網(wǎng)底運(yùn)動幅度與最大傾角

圖4為在不同水流作用下兩層網(wǎng)底在水平與垂直方向運(yùn)動幅值的比較，位移計算結(jié)果采用網(wǎng)底中心點(diǎn)位置。由圖可見，兩層網(wǎng)底在兩個方向的運(yùn)動幅度均隨流速的增加而增大。上層網(wǎng)底在兩個方向的運(yùn)動幅度隨流速增加而增大的趨勢較緩，而下層網(wǎng)底的運(yùn)動幅度在高流速時顯著增加。在同一流速條件下，下層網(wǎng)底水平與垂直方向的運(yùn)動幅度均大于上層網(wǎng)底。此外，流速相同時，上層網(wǎng)底的水平運(yùn)動幅度大于其垂直運(yùn)動幅度，而下層網(wǎng)底的垂直運(yùn)動幅度則大于其水平運(yùn)動幅度。尤其值得注意的是，在高流速區(qū)，下層網(wǎng)底的垂向位移較大。

圖4 上層網(wǎng)底與下層網(wǎng)底運(yùn)動幅度Fig.4 Motion amplitude of the upper and lower bottoms

圖5為上層網(wǎng)底與下層網(wǎng)底最大傾角隨流速變化模擬值的比較。圖中負(fù)值表示網(wǎng)底傾斜方向?yàn)轫槙r針，正值表示逆時針。兩層網(wǎng)底的最大傾角均隨著流速的增加而增大，但傾斜的方向正好相反。上層網(wǎng)底的最大傾角隨流速增加而增大的幅度要大于下層網(wǎng)底，當(dāng)流速為25.6 cm/s時，上層網(wǎng)底的最大傾角約為-14°，而下層網(wǎng)底的最大傾角較小，約為6°。從模擬結(jié)果看，同時參考圖3，在流速最大的工況條件下，兩層網(wǎng)底最大傾角的絕對值雖然不是很大，但由于二者的傾斜方向正好相反，并且有垂直方向的位移，兩層網(wǎng)底仍會發(fā)生接觸碰撞而影響鲆鰈魚類的安全生長。

圖5 上層網(wǎng)底與下層網(wǎng)底最大傾角Fig.5 Maximum pitch of the upper and lower bottoms

圖6為本計算用例中雙層網(wǎng)底網(wǎng)箱與文獻(xiàn)[20]中所述單層網(wǎng)底網(wǎng)箱的網(wǎng)底運(yùn)動幅度的比較，其中雙層網(wǎng)底運(yùn)動幅度值為下層網(wǎng)底。由圖6可見，在相同流速條件下，雙層網(wǎng)底在水平與垂直方向的運(yùn)動幅度均大于單層網(wǎng)底，這可能與雙層網(wǎng)底網(wǎng)箱增加了上層網(wǎng)底有關(guān)。由于上、下層網(wǎng)底通過繩索相連接，上層網(wǎng)底的運(yùn)動變形通過繩索傳導(dǎo)到下層網(wǎng)底，致使雙層網(wǎng)底在兩個方向的運(yùn)動幅度均大于單層網(wǎng)底。

圖6 雙層網(wǎng)底與單層網(wǎng)底運(yùn)動幅度比較Fig.6 Comparison of the motion of single and double bottoms

圖7為雙層網(wǎng)底與單層網(wǎng)底在水流作用下最大傾角變化的比較。從圖中可以看出，當(dāng)流速一定時，雙層網(wǎng)底網(wǎng)箱下層網(wǎng)底的最大傾角要小于單層網(wǎng)底。究其原因，同樣可能與上層網(wǎng)底的牽帶效應(yīng)有關(guān)。由前述可知，上、下層網(wǎng)底的傾斜方向恰好相反，由于兩者之間通過繩索連接，上層網(wǎng)底的反方向傾斜可能減緩了下層網(wǎng)底的傾斜角度。由此可見，雙層網(wǎng)底網(wǎng)箱的上層網(wǎng)底設(shè)計對整體網(wǎng)箱水動力特性的影響至關(guān)重要。對于雙層網(wǎng)底網(wǎng)箱，兩層網(wǎng)底之間的連接方式及上層網(wǎng)底的設(shè)置水深，可作為今后的研究內(nèi)容繼續(xù)深入探討。

圖7 雙層網(wǎng)底與單層網(wǎng)底最大傾角比較Fig.7 Comparison of the pitch of single and double bottoms

3.3 錨繩受力

圖8為雙層網(wǎng)底與單層網(wǎng)底網(wǎng)箱最大錨繩力的比較。

圖8 雙層網(wǎng)底與單層網(wǎng)底最大錨繩力比較Fig.8 Comparison of the maximum mooring line force of single and double bottoms

兩種網(wǎng)箱的迎流側(cè)與背流側(cè)錨繩的最大張力均隨流速的增加而增大，當(dāng)流速相同時，迎流側(cè)錨繩力均大于背流側(cè)。雙層網(wǎng)底網(wǎng)箱的錨繩力與單層網(wǎng)底網(wǎng)箱的相比，無論是迎流側(cè)還是背流側(cè)，在各流速條件下差別均不大。在低流速區(qū)，雙層網(wǎng)底迎流側(cè)的最大錨繩力略小于單層網(wǎng)底，當(dāng)流速為25.6 cm/s時，雙層網(wǎng)底迎流側(cè)錨繩力大于單層網(wǎng)底，這可能與此流速下雙層網(wǎng)底發(fā)生碰撞接觸有關(guān)。兩種網(wǎng)箱的背流側(cè)最大錨繩力隨流速變化的曲線幾乎吻合，只有在高流速區(qū)，雙層網(wǎng)底最大錨繩力略大于單層網(wǎng)底，這同樣與高流速下雙層網(wǎng)底網(wǎng)箱的運(yùn)動變形較大有關(guān)。

4 結(jié)論

利用有限元法對新設(shè)計的一種雙層網(wǎng)底鲆鰈網(wǎng)箱的耐流特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果與單層網(wǎng)底網(wǎng)箱進(jìn)行對比。分析認(rèn)為，對于雙層網(wǎng)底網(wǎng)箱在水流作用下的動力分析是非常有必要的。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流速超過20.9 cm/s(此時對應(yīng)實(shí)際海區(qū)流速為93 cm/s)時，雙層網(wǎng)底網(wǎng)箱的上、下兩層網(wǎng)底最大傾角的絕對值雖然較小，但由于二者的傾斜方向相反，并且下層網(wǎng)底有較大垂向位移而發(fā)生接觸，從而影響網(wǎng)底結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。因此，為保證網(wǎng)箱系統(tǒng)及鲆鰈魚類養(yǎng)殖安全，建議此結(jié)構(gòu)網(wǎng)箱應(yīng)在流速不超過80 cm/s海區(qū)使用。此外，通過比較雙層網(wǎng)底與單層網(wǎng)底的位移變化，發(fā)現(xiàn)前者下層網(wǎng)底在兩個方向的位移大于后者，但最大傾角卻小于后者，這可能與雙層網(wǎng)底網(wǎng)箱的上層網(wǎng)底的具體設(shè)計有關(guān)，今后將繼續(xù)開展相關(guān)研究。

[1] 萬榮,崔勇,崔江浩,等.一種基于有限元原理的養(yǎng)殖網(wǎng)箱耐流特性的數(shù)值計算方法[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報,2007,37(5):709-712.

[2] 鄭艷娜,董國海,桂福坤,等.圓形重力式網(wǎng)箱浮架結(jié)構(gòu)在波浪作用下的運(yùn)動響應(yīng)[J].工程力學(xué), 2006,23(S1):222-228.

[3] 桂福坤,吳常文,李玉成,等.純流下帶底圈重力式網(wǎng)箱的水動力特性試驗(yàn)研究[J].中國海洋平臺, 2008, 23(5): 8-14.

[4] 宋偉華,梁振林,趙芬芳,等.方形網(wǎng)箱波浪水動力學(xué)的近似計算[J]. 浙江海洋學(xué)院學(xué)報, 2003, 22(2): 95-103.

[5] 黃小華,郭根喜,胡昱,等.波流作用下深水網(wǎng)箱受力及運(yùn)動變形的數(shù)值模擬[J]. 中國水產(chǎn)科學(xué), 2011, 18(2): 443-450.

[6] 黃六一,梁振林,宋偉華,等.方形箱網(wǎng)結(jié)構(gòu)減流效果試驗(yàn)[J]. 中國水產(chǎn)科學(xué), 2007,14(5):860-863.

[7] DECEW J, TSUKROV I, RISSO A,etal. Modeling of dynamic behavior of a single-point moored submersible fish cage under currents[J]. Aquacultural Engineering, 2010, 43(2):38-45.

[8] 李坤鵬,許條建,董國海,等.水流作用下重力式網(wǎng)箱浮架結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)研究[J].漁業(yè)現(xiàn)代化,2016,43(1):30-35.

[9] 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.

[10]黃濱,關(guān)長濤,李嬌,等.一種聯(lián)排升降式鲆鰈魚類網(wǎng)箱系統(tǒng)的構(gòu)建與研究[J].漁業(yè)現(xiàn)代化,2010,37(3):20-24.

[11]崔勇,關(guān)長濤,萬榮,等. 基于有限元方法對鲆鰈網(wǎng)箱耐流特性的數(shù)值模擬[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報,2011,41(6):51-54.

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

[13]趙云鵬,陳小芳,許條建,等.波浪作用下一種鲆鰈類方形網(wǎng)箱水動力特性數(shù)值模擬研究[J].中國水產(chǎn)科學(xué),2012, 19(5): 889-899.

[14]GUI F K, ZHAO Y P, XU T J,etal. Numerical simulation of dynamic response of a net cage for flatfish in waves[J]. China Ocean Engineering, 2014,28(1):43-56.

[15]崔勇,關(guān)長濤,萬榮,等.浮式鲆鰈類網(wǎng)箱在波流場中動態(tài)響應(yīng)的數(shù)值模擬[J].工程力學(xué), 2015,32(3):249-256.

[16]李茜,楊樹耕.采用ANSYS程序的自升式平臺結(jié)構(gòu)有限元動力分析[J].中國海洋平臺,2003,18(4):41-46.

[17]CUI Y, GUAN C T, WAN R,etal. Numerical simulation of a flatfish cage system in waves and currents[J]. Aquacultural Engineering, 2013,56:26-33.

[18]ANSYS Incorporated. ANSYS User's Manual [M]. Canonsburg, USA: ANSYS, Incorporated, 2009:270-275.

[19]崔勇.方形金屬框架鲆鰈類網(wǎng)箱水動力學(xué)特性研究[D].青島:中國海洋大學(xué),2012.

[20]CUI Y, GUAN C T, WAN R,etal. Dynamic analysis of hydrodynamic behavior of a flatfish cage system under wave conditions[J]. China Ocean Engineering, 2014,28(2):215-226.

Numerical simulation of the anti-current characteristics of double-bottom cages for flounder fish

CUI Yong，GUAN Changtao，LI Jiao，GONG Pihai

(Key Laboratory of Sustainable Development of Marine Fisheries, Ministry of Agriculture,QingdaoKeyLaboratoryforMarineFishBreedingandBiotechnology,YellowSeaFisheriesResearchInstitute，ChineseAcademyofFisherySciences,Qingdao266071，China)

The bottom frame of flounder fish cages with double bottom floors would incline and rotate in current. To ensure the cage bottom structure safety, it is necessary to carry out dynamic analysis for the anti-current characteristics of the cages. Herein, based on the finite element method, a numerical model of the double-bottom cage deformation in current force is developed and then the maximum displacement and pitch of the double bottom are studied. In addition, the calculated results of double-bottom cage are compared with those of single-bottom cage. The simulation results show that the pitches of the upper and lower bottom floors increase along with the increase of flow velocity, and the dip directions of the two bottom floors are just opposite. It is found that when the flow velocity exceeds 93 cm/s in sea, the upper and lower bottom floors of the cage would collide with each other and affect the safety of the cage bottom. Moreover, the displacement of the lower bottom of double-bottom cage is larger than the bottom displacement of the single bottom cage, but the pitch of lower bottom is smaller than the bottom pitch of the single bottom cage, which might be related to the design of the upper bottom of the cage.

double-bottom; anti-current characteristics; finite element method; flounder fish cage

10.3969/j.issn.1007-9580.2016.06.008

2016-09-21

2016-11-30

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng) (CARS-50-G05)；鰲山科技創(chuàng)新計劃(2015ASKJ02-03)；國家自然科學(xué)基金(30972256, 51239002)

崔勇(1980—)，男，助理研究員，博士，研究方向：設(shè)施漁業(yè)。E-mail：cuiyong@ysfri.ac.cn

S953.4

A

1007-9580(2016)06-039-06