基于模型試驗準(zhǔn)則的重力式圓形網(wǎng)箱水動力比較研究

黃六一， 倪 益， 程 暉， 王欣欣， 趙芬芳， 梁振林,2

(1 中國海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，山東 青島 266003； 2山東大學(xué)(威海)海洋學(xué)院，山東 威海 266071)

中國從20世紀(jì)90年代末引進并推廣深水抗風(fēng)浪網(wǎng)箱養(yǎng)殖。2012年，全國抗風(fēng)浪網(wǎng)箱已超過6 000只，其中60%以上為高密度聚乙烯(HDPE)圓形抗風(fēng)浪網(wǎng)箱?？癸L(fēng)浪網(wǎng)箱常年布設(shè)在半開放海域中，受海上惡劣的海洋環(huán)境和氣候考驗，要求網(wǎng)箱設(shè)施具有足夠的抗風(fēng)浪特性和耐流特性。開展網(wǎng)箱設(shè)施水動力學(xué)研究是確保網(wǎng)箱工程安全的重要技術(shù)手段[1-2]。網(wǎng)箱水動力研究方法主有理論分析、模型試驗、海上實測以及數(shù)值模擬，主要是借鑒漁具和海洋結(jié)構(gòu)物水動力研究相關(guān)方法，國內(nèi)外學(xué)者已進行過一系列研究[3-13]。模型試驗是漁具力學(xué)研究的重要手段，其準(zhǔn)則是水槽模型試驗的核心問題。早在20世紀(jì)20年代就有研究者對網(wǎng)漁具受力問題進行相關(guān)研究，并提出了一些關(guān)于網(wǎng)衣模型尺度比選擇的相似準(zhǔn)則，如田內(nèi)準(zhǔn)則、狄克遜準(zhǔn)則及克里斯登生準(zhǔn)則等。浮式網(wǎng)箱的框架主要漂浮于水面，在水流作用下，受到較大興波阻力。網(wǎng)箱模型試驗不僅需要考慮水流作用，還要考慮波浪作用，目前常用的基于粘性力相似的田內(nèi)準(zhǔn)則往往難以滿足試驗要求。對此，需要選擇合適的基于重力相似的模型相似準(zhǔn)則應(yīng)用于網(wǎng)箱模型制作和試驗。

本研究選取了周長40 m的HDPE圓形雙浮管重力式網(wǎng)箱養(yǎng)殖設(shè)施為研究對象，基于田內(nèi)準(zhǔn)則和狄克遜準(zhǔn)則為水槽試驗準(zhǔn)則，分別設(shè)計制作和裝配網(wǎng)箱模型，在循環(huán)水槽中進行模型試驗，分析、比較二者的試驗結(jié)果，檢驗其差異性，以期為開展網(wǎng)箱水槽模型試驗時選擇試驗準(zhǔn)則提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗網(wǎng)箱介紹

1.1.1 實物網(wǎng)箱

重力式網(wǎng)箱系統(tǒng)由框架、網(wǎng)衣和錨泊3個系統(tǒng)組成。本試驗實物網(wǎng)箱為目前國內(nèi)常用的周長40 m的重力式雙浮管HPDE圓形抗風(fēng)浪網(wǎng)箱。網(wǎng)箱參數(shù)見表1。

表1 實物網(wǎng)箱參數(shù)

注：HDPE—高密度聚乙烯管；PA—尼龍；PE—聚乙烯；PP—聚丙烯;P—周長；L—長度；H—高度

1.1.2 模型網(wǎng)箱

根據(jù)實驗水槽試驗段尺寸和市場上管材、網(wǎng)衣等實際材料的規(guī)格，選用大比例尺10∶1，小比例尺2∶1。由于按比例尺換算沒有對應(yīng)尺寸的HDPE管材，模型網(wǎng)箱框架選用無規(guī)共聚聚丙烯(PPR)管材。根據(jù)相關(guān)資料，PPR相對密度(0.90～0.92)×103kg/m3，拉伸屈服應(yīng)力大于20 MPa；HDPE相對密度(0.92～0.96)×103kg/m3，拉伸屈服應(yīng)力18～25 MPa，二者材料性能相似[14-15]。模型網(wǎng)箱參數(shù)見表2。

表2 模型網(wǎng)箱參數(shù)表

1.2 兩種試驗準(zhǔn)則介紹

田內(nèi)準(zhǔn)則是基于雷諾數(shù)相似，在自動模型區(qū)內(nèi)考慮采用大小尺度比(λ，λ′)進行模型設(shè)計。漁具一般處于水下，水面波動對其影響極小，但網(wǎng)箱與網(wǎng)具的作業(yè)方式有一定的差異，網(wǎng)箱一般布設(shè)在水面上，水流經(jīng)過網(wǎng)箱時會產(chǎn)生一定的波動，故水波作用會對網(wǎng)箱水動力產(chǎn)生一定的影響。由于HDPE網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)的特殊性(由浮管提供浮力)，如果完全按田內(nèi)準(zhǔn)則設(shè)計，無法找到合適的管材。本試驗以大比例尺選取網(wǎng)箱浮管直徑，按照儲備浮力大小，浮力不足部分采用圓柱形浮球綁扎在浮管下方，補充儲備浮力。

狄克遜準(zhǔn)則基于重力相似，適于在波浪試驗中使用。由于采用一個大尺度比和兩個小尺度比(λ，λa，λd)，制作模型時的材料選擇相對容易。本研究中，由于有合適的網(wǎng)片，狄克遜準(zhǔn)則中的兩個小尺度比相同[16-17]。表3為兩種準(zhǔn)則下實物原型與模型的換算公式。

表3 兩種模型準(zhǔn)則的換算公式

注：下標(biāo)1—實物；下標(biāo)2—模型；λ—大尺度比；λ′—小尺度比；L1、L2—線尺度；a1、a2—目腳長度；d1、d2—網(wǎng)線直徑；λa—網(wǎng)目尺度比；λd—網(wǎng)線直徑尺度比；v1、v2—作業(yè)速度；t1、t2—時間間隔；F1、F2—作用力(如張力、重力、浮力等)。

1.3 試驗設(shè)備

試驗在日本東京海洋大學(xué)的循環(huán)水槽進行。水槽試驗段尺寸9 m×2.2 m×1.6 m(長×寬×深)；水流流速調(diào)節(jié)范圍10～200 cm/s；槳式流速儀器量程0～200 cm/s，精度1%； 三分力儀量程0～200 N，精度0.5%。

1.4 試驗布設(shè)

試驗布設(shè)見圖1，網(wǎng)箱固定在三分力儀上，網(wǎng)箱框架在水面的位置依據(jù)其自由漂浮于水面時的位置確定。

圖1 試驗布設(shè)圖

1.5 試驗工況

表4 試驗流速及依據(jù)模型準(zhǔn)則換算的實際流速

1.6 浮力沉力配備

根據(jù)實物網(wǎng)箱浮力和沉力配備，采用兩種準(zhǔn)則換算模型網(wǎng)箱浮力和沉力(表5)。

表5 兩種準(zhǔn)則換算的模型網(wǎng)箱浮力和配重

1.7 數(shù)據(jù)處理方法

根據(jù)水阻力、水阻力系數(shù)和雷諾數(shù)公式[16]分析推算阻力與流速的經(jīng)驗公式，以及阻力公式與雷諾數(shù)之間的關(guān)系。

水阻力公式：

(1)

水阻力系數(shù)公式：

(2)

雷諾數(shù)公式：

(3)

式中：F—水阻力，N；C—阻力系數(shù)；Re—雷諾數(shù)；ρ—水密度，kg/m3；S—受流面積(網(wǎng)箱直徑與網(wǎng)箱箱體在水中的縮結(jié)高度的乘積)，m2；v—水流速度，m/s；d—特征尺寸(本試驗采用實物網(wǎng)目目腳大小為0.02 m)；γ—水的運動黏性系數(shù)(取20 ℃水的運動黏性系數(shù)1.008 7×10-6)。

2 結(jié)果與分析

2.1 網(wǎng)箱水阻力

2.1.1 整體網(wǎng)箱阻力

圖2為兩種模型準(zhǔn)則試驗中整體網(wǎng)箱(包含框架和網(wǎng)衣)阻力和流速關(guān)系曲線圖，阻力與流速呈冪函數(shù)關(guān)系，試驗結(jié)果與傳統(tǒng)的阻力和流速關(guān)系趨勢相吻合。圖3為依據(jù)田內(nèi)準(zhǔn)則和狄克遜準(zhǔn)則換算結(jié)果的阻力和流速關(guān)系曲線圖?？梢钥闯?，二者在同流速下的阻力非常接近。依據(jù)田內(nèi)準(zhǔn)則換算結(jié)果進行回歸分析，阻力(F1)與流速(v)關(guān)系式為：F1=18.063v1.627(R2=0.998)。依據(jù)狄克遜準(zhǔn)則換算結(jié)果進行回歸分析，阻力(F2)與流速(v)關(guān)系式為：F2=19.743v1.617(R2=0.994)。

圖2 兩種模型準(zhǔn)則試驗中整體網(wǎng)箱阻力和流速關(guān)系

圖3 依據(jù)兩種準(zhǔn)則換算的整體網(wǎng)箱阻力和流速關(guān)系

表6為通過試驗得到的回歸公式換算實際流速在30～130 cm/s時整體網(wǎng)箱的阻力結(jié)果。由表6可以看出，田內(nèi)準(zhǔn)則模型試驗結(jié)果換算值均小于狄克遜準(zhǔn)則的換算值，二者阻力差約-5%，差異不大。

表6 依據(jù)兩種準(zhǔn)則換算網(wǎng)箱阻力的結(jié)果比較

2.1.2 網(wǎng)箱箱體阻力

試驗中單獨測量了以狄克遜準(zhǔn)則為模型的網(wǎng)箱框架在不同流速下的阻力，網(wǎng)箱整體阻力減去框架阻力即為網(wǎng)箱箱體阻力。圖4為狄克遜準(zhǔn)則下的模型試驗網(wǎng)箱箱體、框架阻力與流速之間的關(guān)系曲線圖。箱體阻力、框架阻力與流速呈冪函數(shù)關(guān)系。由于框架入水面積較小，在水流中的投影面積較小，故其水阻力也較小。

圖4 網(wǎng)箱箱體和浮框阻力與流速關(guān)系

圖5為狄克遜準(zhǔn)則換算下的網(wǎng)箱箱體阻力與流速關(guān)系曲線。依據(jù)狄克遜準(zhǔn)則，回歸公式：F2= 20.669v1.576(R2=0.992)。

圖5 依據(jù)狄克遜準(zhǔn)則換算的網(wǎng)箱箱體阻力與流速關(guān)系

2.2 水阻力系數(shù)

2.2.1 整體網(wǎng)箱水阻力系數(shù)

由于依據(jù)田內(nèi)準(zhǔn)則和狄克遜準(zhǔn)則換算的結(jié)果差異較小，故將二者的換算值放在一起，分析整體網(wǎng)箱阻力系數(shù)(C)和雷諾數(shù)(Re)的關(guān)系。原型網(wǎng)箱直徑12.7 m，箱體在水中的縮結(jié)高度為10 m。圖6為C與Re的關(guān)系曲線圖，C隨著Re的增加而降低，通過回歸分析，二者呈冪函數(shù)關(guān)系：C=17.587Re-0.354(R2=0.941)。

圖6 整體網(wǎng)箱水阻力系數(shù)(C)與雷諾數(shù)(Re)的關(guān)系

2.2.2 網(wǎng)箱箱體水阻力系數(shù)

圖7為狄克遜準(zhǔn)則下的網(wǎng)箱箱體阻力系數(shù)(C)與雷諾數(shù)(Re)的關(guān)系曲線，C隨著Re的增加而減小，經(jīng)回歸分析，二者呈冪函數(shù)關(guān)系：C=30.526Re-0.424(R2=0.902)。

圖7 圓形網(wǎng)箱箱體水阻力系數(shù)(C)與雷諾數(shù)(Re)的關(guān)系

3 討論

3.1 網(wǎng)箱水阻力特性

依據(jù)兩種模型試驗準(zhǔn)則，網(wǎng)箱在水流中水阻力的試驗結(jié)果表明，網(wǎng)箱整體阻力以及網(wǎng)箱箱體阻力均隨著流速的增加而增加，阻力與流速呈冪函數(shù)關(guān)系。根據(jù)量綱分析的漁具構(gòu)件阻力與流速二次方呈正比關(guān)系[15]，但本研究結(jié)果與流速1.6次方左右呈正比關(guān)系。Zhao等[18]通過模型試驗和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，來流經(jīng)過網(wǎng)箱時網(wǎng)箱內(nèi)部流速明顯降低。而本研究采用的回歸方法，考慮到水流通過網(wǎng)箱時的流場變化，阻力與流速的關(guān)系中采用的流速為來流速度，因此，阻力不是與流速二次方呈正比關(guān)系。

3.2 網(wǎng)箱水阻力系數(shù)特性

網(wǎng)箱整體以及箱體阻力系數(shù)均隨著雷諾數(shù)的增加而降低，二者呈冪函數(shù)關(guān)系。網(wǎng)箱整體結(jié)構(gòu)為圓柱體，在風(fēng)洞和水槽中對三維圓柱狀繩索等水動力系數(shù)的試驗研究結(jié)果表明，這些圓柱狀漁具構(gòu)件的阻力系數(shù)均隨著雷諾數(shù)的增加而降低，二者為冪函數(shù)關(guān)系[19-20]。本研究結(jié)果與此相吻合，可以作為雙浮管重力式圓形網(wǎng)箱整體和箱體阻力估算的基本參數(shù)。

3.3 誤差分析

試驗表明，在實際流速30～130 cm/s范圍內(nèi)，田內(nèi)準(zhǔn)則的試驗結(jié)果始終略小于狄克遜準(zhǔn)則的試驗結(jié)果，二者阻力差約為-5%，可能是由于圓形網(wǎng)箱框架在水面引起水流波動較大，因此興波阻力較大。但根據(jù)網(wǎng)具模型兩種準(zhǔn)則的試驗換算結(jié)果比較，田內(nèi)準(zhǔn)則更為接近實測值[15]，但一般漁具完全處于水下，受到的興波阻力較小。從試驗結(jié)果來看，二者在一定流速范圍內(nèi)差異不大，表明田內(nèi)準(zhǔn)則和狄克遜準(zhǔn)則均可作為水流中網(wǎng)箱模型試驗準(zhǔn)則使用。但在使用田內(nèi)準(zhǔn)則時，根據(jù)大尺度比確定的管材規(guī)格和沉子規(guī)格，提供的浮力和沉力不能與試驗要求的浮力和沉力匹配，需要再配備浮沉力來滿足試驗要求，由此也可能帶來試驗誤差。本研究結(jié)果沒有與實測結(jié)果進行比較，因此有待進一步研究、比對，以確定哪種相似準(zhǔn)則的準(zhǔn)確度更高。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，雙浮管重力式圓形網(wǎng)箱整體和網(wǎng)箱箱體的阻力隨著流速增加而增加，二者呈冪函數(shù)關(guān)系。網(wǎng)箱整體阻力系數(shù)(C)隨著雷諾數(shù)(Re)的增加而減小，二者的關(guān)系為C=17.587Re-0.354(R2=0.941)。C隨著Re的增加而減小，二者的關(guān)系為C=30.526Re-0.424(R2=0.902)。在實際流速30～130 cm/s范圍內(nèi)，田內(nèi)準(zhǔn)則的試驗結(jié)果始終略小于狄克遜準(zhǔn)則的試驗結(jié)果，二者的阻力差約為-5%。田內(nèi)準(zhǔn)則和狄克遜準(zhǔn)則下的試驗結(jié)果在一定流速范圍內(nèi)差異不大，表明這兩種準(zhǔn)則均可作為水流中網(wǎng)箱模型試驗準(zhǔn)則使用。

致謝：本研究得到了日本東京海洋大學(xué)胡夫祥教授、曲曉玉博士、程兆海碩士的大力支持，在此表示衷心感謝。

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參考文獻

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