三種浮繩式框架養(yǎng)殖圍網(wǎng)系泊纜繩和框架綱張力試驗研究?

王 飛， 胡夫祥， 高 敏， 董書闖， 彭道民， 宋偉華??

(1.浙江海洋大學水產(chǎn)學院，浙江 舟山 316022; 2.東京海洋大學，日本 東京 1088477; 3.浙江省海洋漁業(yè)裝備技術研究重點實驗室，浙江 舟山 316022)

淺海圍網(wǎng)養(yǎng)殖是一種新的生態(tài)型、健康型、大面積型的海水養(yǎng)殖方式，主要由網(wǎng)衣、框架、貼底錨鏈和系泊纜繩等構件組成，敷設在開放海域，主要承受風、浪、流等因子的綜合作用。在災害天氣襲擊下，圍網(wǎng)易發(fā)生變形和扭曲，造成養(yǎng)殖水體減少、安全性能下降，甚至導致纜繩斷裂或設施摧毀等巨大損害。因此，框架系統(tǒng)受力和變形直接影響圍網(wǎng)養(yǎng)殖容量的變化和安全使用。

Suhey等[1]對碟形網(wǎng)箱中的框架結構進行變形和受力情況的研究分析；Fredriksson[2]采用有限元法分析了HDPE網(wǎng)箱浮式框架結構的力學性能；Ursell[3-5]對漂浮圓柱在波浪作用下的荷載和運動響應進行了研究；Slaattelid[6]對一種重力式網(wǎng)箱在各種海況條件下的錨繩受力特性和浮架結構的應力特性進行了試驗研究。林德芳等[7]對不同網(wǎng)箱框架系統(tǒng)的材料性能進行了對比研究；陳昌平等[8-12]通過物理模型試驗和數(shù)值模擬對網(wǎng)箱在波流作用下的水動力特性進行了研究，分析了錨繩的張力分布和浮架的運動響應。盡管學者們使用不同的方法對網(wǎng)箱框架在波、流作用下的水動力特性進行了研究，但關于不同浮筒系泊下系泊纜繩和框架綱張力的研究未見報道。為此，本文依據(jù)海洋工程和漁具力學等理論，結合圍網(wǎng)敷設情況和水文條件等海上實際狀況，根據(jù)松田皎模型準則設計制作長方體、圓柱體和球體3種不同浮筒形狀的浮繩式柔性框架養(yǎng)殖圍網(wǎng)模型，采用預加張力的系泊方法，在流速為17、23、28、35和45 cm/s、系泊角度為59°、63°、68°、71°、74°、76°和90°的工況下進行水槽模型試驗，分析圍網(wǎng)框架綱和系泊纜繩的張力變化規(guī)律，同時研究框架綱和系泊纜繩的張力與水流速度和系泊角度的關聯(lián)度。研究結論對設計、完善海水養(yǎng)殖圍網(wǎng)的設施，提高設施的耐久性、穩(wěn)定性具有現(xiàn)實指導意義。

1 試驗材料

1.1 實物圍網(wǎng)

通過對浙江省圍網(wǎng)養(yǎng)殖基地調(diào)查，本研究選擇周長300 m的正方形浮繩式養(yǎng)殖圍網(wǎng)作為實物母網(wǎng)，網(wǎng)衣的網(wǎng)目尺寸均為65 mm，網(wǎng)線直徑1.5 mm，3種浮繩式柔性框架圍網(wǎng)的結構名稱和規(guī)格尺寸見表1。

表1 3種浮繩式柔性框架圍網(wǎng)的結構名稱和規(guī)格尺寸

1.2 模型準則

在選擇模型試驗準則時，假定大比例尺為50，周長300 m、網(wǎng)高13.5 m實物圍網(wǎng)經(jīng)換算的后模型網(wǎng)周長和網(wǎng)高分別為6和0.27 m。由于垂直方向上尺寸的縮減過大，導致水槽試驗無法正常進行。因此，依據(jù)日本學者松田皎[13]模型試驗理論，對于這種“極窄”類型的網(wǎng)漁具和漁業(yè)設施，分別建立水平和垂直方向兩個模型大尺度比，以解決圍網(wǎng)模型設計的空間缺陷問題。由于本文主要針對浮繩式圍網(wǎng)框架系統(tǒng)水動力性能進行研究，因而沒有涉及網(wǎng)衣受力的測試。

1.3 試驗模型

參照實物圍網(wǎng)的結構制作了長方體、圓柱體和球體3種類型浮子的圍網(wǎng)框架模型網(wǎng)?？紤]到水槽試驗中水槽尺寸的實際要求和圍網(wǎng)形狀測量的需求，模型框架設為正方形，邊長為1.5 m，周長為6 m。模型尺寸滿足水槽的空間要求，并充分考慮了尺寸效應和池壁效應。模型網(wǎng)衣的網(wǎng)目尺寸均為21.5 mm，網(wǎng)線直徑0.5 mm，模型材料為聚酰胺(PA)有結網(wǎng)衣。3種圍網(wǎng)模型的沉鏈配重均為1.17 kg/m(見表2)。

2 試驗方法和數(shù)據(jù)處理

2.1 試驗設計

試驗設備及模型的安裝如圖1。圍網(wǎng)模型由柔性的框架、網(wǎng)衣、以及系泊繩索、貼底沉鏈等組成。水下共裝配5個傳感器，分別安裝在2條框架綱和3條系泊纜繩上。試驗時，傳感器將信號值傳輸?shù)接嬎銠C。

本試驗模型設計采用日本學者松田皎的漁具模型試驗特別準則[13]，按照日本東京海洋大學水平循環(huán)式動水槽的尺寸參數(shù)(長9.0 m、寬2.2 m、深1.95 m)，模型設計比例如下：

(1)大比例：水平方向，λh=Lh1/Lh2=50；垂直方向，λv=Lv1/Lv2=10。

(2)小比例：網(wǎng)目尺寸比、網(wǎng)線直徑比λ2=a1/a2=d1/d2=3。

表2 浮繩式框架模型所用材料參數(shù)

圖1 試驗模型及設備安裝示意圖

(4)受力比例：G1/G2=λhλvλ2。

(5)試驗水深：1.35 m。

式中：下標“1”對應實物母網(wǎng)，下標“2”對應模型網(wǎng)。

2.2 試驗工況

通過對圍網(wǎng)敷設海域的水流流速的實際調(diào)查，極限水流約0.8 m/s，常見流速范圍為0.4～0.6 m/s，因此選取0.2、0.4、0.5、0.6和0.8 m/s 5檔流速水平。根據(jù)模型試驗準則計算的水槽試驗流速對應分別為17、23、28、35和45 cm/s。試驗時使用螺旋式流速計(東京計測技研株式會社制造，測量誤差±3% FS)測定實際水流流速。

系泊角度依據(jù)系泊距離的遠近確定。假設系泊距離無限遠，或者圍網(wǎng)設施外圍依靠“浮繩框”系泊，則認為此時的系泊角度為90°，即系泊纜繩繩與圍網(wǎng)垂直方向的夾角為直角。根據(jù)實際調(diào)查，圍網(wǎng)實際系泊纜繩離圍網(wǎng)中心的距離范圍為20～55 m，因此分別取20、27、34、41、48、55 m及無限遠為試驗長度，對應系泊角度依次為59°、63°、68°、71°、74°、76°、90°。水槽試驗時，通過調(diào)節(jié)圍網(wǎng)試驗時前方安裝的劍突裝置來調(diào)節(jié)系泊角度，以滿足試驗的需要。

2. 3測試點的選擇

為了對圍網(wǎng)模型框架系統(tǒng)的水動力變化規(guī)律進行記錄與分析，在框架綱和系泊纜繩上共選擇了5個測量點(見圖2)，并分別在3條系泊纜繩和2條框架綱上安裝水下張力傳感器(日本電子工業(yè)株式會社制造，型號分別為A3604-1和A3604-2，量程均為10 kg，測量誤差±1%FS)。為方便記錄，標記順流方向右邊系泊纜繩張力為F1、順流方向第二條系泊纜繩張力為F2，垂直方向右邊側(cè)向系泊纜繩張力為F3，垂直水流方向框架綱張力為T1，順流方向右邊框架綱張力為T2，其中，水流方向4條系泊纜繩等距離系泊敷設，相鄰兩綱間距為0.5 m。通過系泊距離和水深關系計算系泊纜繩與垂直方向的夾角α。

圖2 測試點選擇示意圖

2.4 關聯(lián)度分析

采用灰色關聯(lián)分析方法[14]對水流速度和系泊角度的變化趨勢進行量化分析，對比系泊纜繩和框架綱的張力，計算各影響因素與張力之間的灰關聯(lián)度。關聯(lián)度計算公式如下：

3 結果和討論

3.1 系泊纜繩張力與流速的關系

長方體浮筒、圓柱體浮筒和球體浮筒在系泊角度α= 71°、不同流速的情況下，系泊纜繩張力的變化情況見圖3。實驗結果表明，隨著流速的不斷增大，3種類型浮筒的系泊纜繩張力均不斷增大。當流速V≤35 cm/s時，系泊纜繩的張力變化均比較平穩(wěn)。當V>35 cm/s時，3條系泊纜繩的張力急劇增大，其中F1、F2增幅最為明顯，特別是圓柱體浮筒的F2從V=35 cm/s時的3.88 N增大到V=45 cm/s時的8.39 N，增幅高達116.24%。系泊纜繩這種變幅從綱索的布局結構來看，其張力主要分布在平行于水流方向的2條綱索上，平行于水流方向的2條系泊纜繩張力中，長方體浮筒明顯大于圓柱體浮筒和浮球浮筒，而與水流相垂直的系泊纜繩F3較小，且隨流速的增加變化也較小，說明張力的大小與纜繩的裝配有關。

3.2 框架綱張力與流速的關系

圖4顯示系泊角度α= 71°、不同流速下，框架綱張力的變化情況。結果顯示，隨著流速的不斷增大，兩條框架綱張力都不斷增大，且平行于水流方向的T2較明顯，特別是球體浮筒的T2從V=35 cm/s時的5.32 N增大到V=45 cm/s時的9.07 N，增幅達70.48%。相同流速時，T2>T1。由于水流垂直方向的框架綱受到的張力沿框架均勻分布，且水流為均勻流，因此在與水流垂直方向上無附加質(zhì)量力產(chǎn)生，導致該方向框架所受張力較小。相比之下，與水流平行的框架綱因承受水流對框架和網(wǎng)衣等所產(chǎn)生的作用力，張力隨流速增加而明顯增大。對比3種形狀的浮筒，當V≤35 cm/s時的變化相對于V>35 cm/s時小，尤其是長方體浮筒的框架綱張力的變化更為平緩且數(shù)值最小，由于張力通常與流速平方成正比，隨著流速增加的趨勢更加明顯。

圖3 系泊纜繩張力隨流速的變化

圖4 框架綱張力隨流速的變化

3.3 系泊纜繩張力與系泊角度的關系

圖5顯示流速45 cm/s時，不同系泊角度下系泊纜繩水動力的變化情況。結果表明，對比系泊纜繩F1，當系泊角度范圍為59°～71°時，長方體浮筒的系泊纜繩所受到的水動力與圓柱體浮筒的比較接近，但兩者都明顯大于球體浮筒的系泊纜繩所受到的水動力；當系泊角度繼續(xù)增大，球體浮筒的系泊纜繩F1明顯大于其他兩種，其原因為框架上配置的球體浮筒數(shù)量最多而且間距最小，因而在系泊角度超過74°時，所受阻力最大。此外，考慮到圍網(wǎng)設施為方形結構，而系泊纜繩F1處在角部，為整個圍網(wǎng)設施中應力集中區(qū)域，因此系泊角度的變化導致波動較大。

系泊纜繩F2在系泊角度變化的過程中變化較平穩(wěn)，長方體浮筒的受力大于其他兩種。其原因為第2條系泊纜繩與水流平行，因此在不同系泊角度下，所受張力比較均勻，隨系泊角度變化波動較小。由于長方體浮筒自身結構產(chǎn)生的水阻力較大，因此隨系泊角度變化，所產(chǎn)生的張力大于其他兩種浮筒所受張力。

對于系泊纜繩F3，長方體浮筒的張力基本隨系泊角度的增大而逐漸減??；圓柱體浮筒的F3在系泊角度的變化過程中先減小后增大，當α= 71°時達到最小。球體浮筒除了在系泊角度為76°時出現(xiàn)最大值外，在其他系泊角度下均處于一個穩(wěn)定的變化趨勢。其原因為張力F3與水流方向垂直，隨系泊角度的增大，長方體浮筒在垂直于來流方向產(chǎn)生的橫向剪切力減小，因此張力F3逐漸減小。由于球體浮筒的對稱性，在來流作用下不產(chǎn)生橫向剪切力或剪切力微弱，因此張力F3變化較小。

圖5 系泊纜繩張力隨系泊角度的變化

3.4 框架綱張力與系泊角度的關系

圖6為流速45 cm/s時框架綱水動力隨系泊角度的變化情況。對垂直于水流方向的框架綱水動力T1而言，圓柱體浮筒的T1基本大于其他兩種，當角度范圍為74°～90°時，球體浮筒的T1基本處于平穩(wěn)狀態(tài)，而長方體浮筒T1隨角度的增加而減小。對于平行于水流方向的框架綱張力T2，在不同的系泊角度下，球體浮筒始終大于圓柱體浮筒和長方體浮筒，由于球體浮筒數(shù)量多且間距小，水阻力比較大，致使T2隨系泊角度增大而增大。長方體浮筒的框架綱張力T2始終處于最小且平穩(wěn)狀態(tài)，這有利于長方體浮筒浮繩式框架養(yǎng)殖圍網(wǎng)敷設的穩(wěn)定性。

圖6 框架綱張力隨系泊角度的變化

3.5 關聯(lián)度分析

基于灰色關聯(lián)度的F1、F2、F3、T1、T2、流速和系泊角度數(shù)據(jù)的結果見表3。3種類型浮筒的流速、系泊角度與系泊纜繩的張力F1、F2、F3、框架綱的張力T1、T2的關聯(lián)度均表明流速大于系泊角度。在實驗條件下，當流速較小時系泊角度不變或者變化微弱，隨著流速的增加，系泊纜繩和框架綱的張力不斷增加。關聯(lián)度分析結果表明，系泊角度對系泊纜繩和框架綱張力影響也是由流速變化而產(chǎn)生的。因此，與流速影響相比，系泊角度對綱索張力的影響居次要地位。

表3 系泊纜繩、框架綱張力與流速、系泊角度的關聯(lián)度

注: 流速Current speeds; 角度Angles。

4 結語

本研究針對長方體、圓柱體和球體3種不同筒形狀的浮繩式柔性框架養(yǎng)殖圍網(wǎng)模型，通過5種流速和7種沖角工況下的張力動水槽試驗研究表明，流速與張力的關聯(lián)度大于系泊角度與張力的關聯(lián)度；系泊角度在63°～74°時，系泊纜繩和框架綱張力的變化較平穩(wěn)，且當系泊角度為71°時，張力均較?。粚Ρ?種不同浮筒形狀圍網(wǎng)，長方體浮筒浮繩式框架養(yǎng)殖圍網(wǎng)的系泊纜繩和框架綱張力的變化相對較平穩(wěn)。根據(jù)實際情況，長方體、圓柱體和圓球的抗浪能力逐漸降低，因而在生產(chǎn)應用中，用圓球制成的框架圍網(wǎng)需要有網(wǎng)蓋來防止養(yǎng)殖對象從框架上頂躍過而逃逸。試驗結果為近海浮繩式柔性框架養(yǎng)殖圍網(wǎng)浮筒形狀和系泊角度及適宜流速的選擇提供重要的參考依據(jù)，也為柔性框架圍網(wǎng)養(yǎng)殖設施性能研究提供參考。由于條件所限，本次試驗僅在均流工況下進行，未考慮波浪、海表面風等因素對圍網(wǎng)養(yǎng)殖設施的水動力性能及安全性影響進行研究，今后在有條件的情況下，應對上述幾方面開展相關試驗研究，以使研究得到進一步完善。