水流條件下單點系泊不同結構“鉆石型” 重力式網箱的水動力特性數值模擬?

程 暉, 黃六一, 倪 益, 董雙林, 趙芬芳

(中國海洋大學水產學院，山東 青島 266003)

目前我國近岸海水養(yǎng)殖已經基本飽和，隨著沿海各地對環(huán)境和生態(tài)保護要求的提高，近岸養(yǎng)殖空間將進一步壓縮，海洋水產品產量很難有較大提高，需要進一步拓展海水養(yǎng)殖空間[1]。因此，積極發(fā)展深遠海網箱養(yǎng)殖已成為我國海洋漁業(yè)空間拓展的必然選擇。近年來，利用黃海冷水團進行冷水性魚類的離岸網箱養(yǎng)殖成為海水養(yǎng)殖的一個熱點。黃海冷水團綠色高效養(yǎng)魚項目已經列入山東省“海上糧倉”建設計劃重點項目和青島海洋科學與技術國家實驗室重大科研任務預研項目[2]。養(yǎng)殖網箱是在黃海冷水團開展冷水性高品質魚類綠色養(yǎng)殖的最重要載體，開發(fā)安全、智能化新型網箱是建成冷水團魚類養(yǎng)殖基地的重要保障。

由于抗風浪網箱常年投放在海中，海上波浪、海流及臺風的惡劣海況，很容易引起網箱的大變形，甚至網箱的結構破碎[4]。雖然海水養(yǎng)殖網箱至今已有幾十年的發(fā)展，其結構的安全性、可靠性依然是制約網箱往深遠海方向發(fā)展的主要因素。一方面海流引起網箱變形會減少其有效的養(yǎng)殖容積，增大養(yǎng)殖魚類所受的環(huán)境壓力，影響其生長；另一方面，波浪引起網箱框架不斷擺動，容易導致框架的結構疲勞以及結構連接件的破碎。特別是深水離岸網箱的研究歷史較短，還有較多問題需要深入研究。

對網箱這種柔性結構的水動力學研究主要有兩種方法：模型實驗和數值模擬。隨著計算機硬件的升級和算法的改進，目前數值模擬方法越來越多的應用于網箱設計中。朱立新[3]、何鑫[4]在Matlab編程環(huán)境下利用有限單元法對重力式網箱群在水流下的形變進行了研究。趙云鵬[5-8]在Fortran編程環(huán)境中利用質量集中法建立數學模型，對網衣和重力式網箱在波流下的形變進行了研究。胡保有[9]和高曉芳[10]利用Matlab 中的Simulink工具進行可視化編程來分析網箱在波浪作用下的位移。崔勇[11-15]利用ANSYS中的命令流對方型金屬網箱進行了波流狀態(tài)下的形變、錨泊受力的研究。張福友[16]利用了經典ANSYS中的PIPE59+LINK16單元來模擬網箱在水流下的變形，并與實驗進行對比，并提出剛性配重的網箱水平漂移要小于重錘形式的網箱。王笛清[17]利用了ANSYS中的結構分析模塊對網箱的浮框進行了力學特性分析。李鯉[18]用ABAQUS研究了波流狀態(tài)下的深海浮式網箱結構動力響應，并得出了在規(guī)則波和不規(guī)則波下網箱結構動力響應。Trygve Kristiansen[22-23]提出使用網面單元和桿單元對網箱進行數值模擬，Chang[24]使用Abaqus 對全尺寸網箱在波流下的變形進行了研究，Ida[25]利用實驗數據對FhSim和FishSim兩種網箱模擬軟件進行驗證，結果顯示兩個軟件在水流速度0.5 m/s以內的結果十分吻合，當流速超過0.7 m/s或者波陡超過1/15時數值模擬的阻力會過大。

本研究采用數值模擬方法，對目前在黃海冷水團使用的“鉆石型”單點系泊網箱設計5種不同結構，進行網箱水動力特性數值模擬，分析網箱不同箱體結構的中部水平漂移、底部水平漂移和阻力等特性，獲得該網箱較優(yōu)箱體結構，為該類型網箱的結構設計提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 方法原理

數值模擬使用有限元方法，在計算中對網線材料、水流等做以下假設：

(1) 網線絕對柔軟，只能承受軸向拉力；

(2) 網線單元拉伸前后的橫截面積保持不變；

(3) 根據中村充[27]重力式網箱網內流速公式，水流經過網片后流速衰減8.5%。

網箱結構動力學計算核心是根據虛功原理來求解經過時間和空間離散后的運動方程(見公式1)。

(1)

(2)

(3)

(4)

1.2 試驗方案

1.2.1 網箱模型
圖1為本文研究的單點系泊網箱原型。該網箱系統(tǒng)包括浮框、底框、箱體、浮子、錨繩以及錨。本文為研究錨泊纜繩受力，將網箱框架設置固定在水面。由于只受水流影響，試驗采用田內準則[28]，實物網箱與模型網箱大尺度比為40，小尺度比為3，數值模擬的模型網箱與原型網箱的參數見表1。本文使用的數值模擬方法已經通過水槽模型試驗驗證[19]，驗證結果顯示數值計算的阻力與實驗所得阻力平均誤差13.5%，水平漂移平均誤差為5.69%。

圖1 單點系泊網箱結構示意圖

組件Component參數Parameter模型網箱Model scale原型網箱Full scale浮框Floating system內浮框周長Circumference of inner pipe/m1.560外浮框周長Circumference of outer pipe/m2.1184.4浮管直徑Outer diameter of pipe/mm8315浮管厚度Pipe thickness/mm117網衣Netting system網目大小Mesh size/mm1030網線直徑Twine diameter/mm13網箱高度Height/m0.87535沉框Sinker system重量Weight/kg0.176450沉框管直徑Outer diameter/mm3110

1.2.2 方案設置 根據以往的設計經驗和相關參考文獻可知，網箱的水平漂移與網箱配重的大小、配重的位置、配重的形式(剛性或柔性)、網箱底框形狀、網目形狀、網箱網袋錐度有關[3-6]。根據上述資料設置表2所示的5種方案進行數值模擬，并將計算結果與文獻[19]中網箱(以下簡稱方案0)進行比較。

表2 優(yōu)化方案參數表

方案1與方案0相比，箱體從網高的1/2處開始由上半部分的六邊形變?yōu)閳A形， 圓柱形網衣相對于六邊形網衣在90°夾角時迎流面積較小，水流載荷較小，有利于減少水阻力。

方案2與方案0相比，網衣方形網目改為菱形網目，其他條件不變，菱形網目和方形網目是常用的網箱網目形狀，根據以往的研究，菱形網目網衣可以減少網箱水平位移，但是會導致網箱網底傾斜和偏轉[11]。

方案3與方案0相比，改變了網箱的配重方式，在保證總配重不變的情況下，將一半的配重以6個重錘的方式加載到網體的中間位置，并且在箱體中間位置增加一個剛性圓環(huán)，圓環(huán)的密度與水相同，箱體中間增加剛性圓環(huán)可以有效地保持網箱箱體在水流中的體積，但同時會增加迎流面積，增加水流載荷；箱體中間增加配重有利于保持箱體形狀。

方案4與方案1相比，在箱體中間位置增加一個剛性圓環(huán)，同時將底框形狀變?yōu)閳A形，這樣能夠較好的控制網箱的水平位移，但是由于迎流面的增大，會導致網箱阻力增大。

方案5與方案1相比，將箱體改為上大下小的圓臺型，箱體錐度為0.9，并且在中間加一剛性圓環(huán)，在低流速條件下圓柱形網箱有較大的初始變形，容積損失率較大，而圓臺形網箱初始變形很小，容積損失率較小，具有較好的耐流特性和抗變形能力。

1.2.3試驗工況 根據實際海流的情況，以及文獻[19]中的計算條件，本文數值模擬實驗中使用的水流速度如表3所示。

表3 實驗流速設置

1.3 數據處理

本研究使用田內準則進行數值模擬實驗，來計算模型網箱在純水流作用時的阻力和變形。田內準則的比例關系如下：

(5)

(6)

(7)

式中：lp、lm分別為原型和模型的主線尺度；下標p代表原型；下標m代表模型；ap、am分別為原型網和模型網的網目目腳長度；dp、dm分別為原型網和模型網的網線直徑；vp、vm為實際和模擬流速。數值模擬實驗中大比例尺λ設置為40，小比例尺λ′為3。根據田內準則對模擬實驗數據進行換算，獲得出實際網箱的阻力(公式8)和網箱的水平漂移(公式9)。

Fp=Fm×λ2×λ′。

(8)

Xp=Xm×λ。

(9)

在本研究中，網箱中部水平漂移是指網箱背流面網衣的中心位置在來流方向上的位移變化，網箱底部水平漂移是指網箱底框最后沿位置在來流方向上的位移變化。

2 結果

2.1 箱體形狀

圖2為各優(yōu)化方案在實際流速1 m/s時的形狀變化結果。圖中利用俯視圖、側視圖和正視圖顯示網箱箱體在受到水流作用時的變化情況。從圖2中可以看出僅改變底框形狀對網箱的變形影響并不明顯(對比方案1)。網目形狀的改變對網箱變形有較大的影響(對比方案2)，菱形網目的網箱由于網線結構為斜向交叉結構，在重力作用下會有網箱中部向內收縮的趨勢 (圖2方案2正視圖)，并且在水流沖擊時網箱的底部后方會明顯抬起，這些現(xiàn)象與崔勇[14]、趙云鵬[6]所做的數值模擬有相似的結論。將配重的位置提高在一定程度上可以降低網箱中部的水平漂移，但是網箱的底部漂移會更大(對比方案3)，因此在總配重一定的情況下，將所有配重集中到網箱底部是最佳分配方式。方案4和方案5均是在中間增加了一個固定環(huán)，通過增加剛性的圓圈，可以減小網箱的容積損失和水平漂移。

2.2 網體中部水平位移

各優(yōu)化方案的箱體中點水平位移計算結果與方案0網箱的比較見圖3和表4。表4中網箱位移為換算后的實際位移，變動率為優(yōu)化方案相對于方案0網箱水平位移變化率。從圖3中可以看出隨著水流速度增大，網箱中點處的水平偏移量隨著增大，增大的速度隨著水流速增大而減小。所有的優(yōu)化結果中部的水平漂移均比方案0網箱的小，其中效果最好的為方案5，其次分別為方案2、方案3、方案4、方案1。當水流速度為1 m/s時，與方案0網箱相比方案5網箱中部的水平漂移減少30.59%。

2.3 箱體底部水平位移

各優(yōu)化方案的網箱底部位移計算結果與方案0網箱的比較見圖4和表5。從圖4中可以看出所有的優(yōu)化結果的在網箱底部的水平漂移均比方案0網箱的小。但是這種差別隨著流速的增大而減少。其中效果最好的為方案2，其次為方案5，方案3，方案4，方案1。當水流速度為1 m/s時，與方案0網箱相比方案2網箱底部的水平漂移減少37%，案5網箱底部的水平漂移減少22%。

2.4 網箱總阻力優(yōu)化

優(yōu)化方案的阻力計算結果與方案0網箱的比較見圖5和表6。圖5中可以看出網箱阻力隨著水流速度的增大而增大。優(yōu)化方案1、2比方案0網箱的阻力稍大一些，優(yōu)化方案3的阻力結果與方案0網箱相當，優(yōu)化方案4、5比方案0網箱的阻力小。當流速為1 m/s時，優(yōu)化方案5的阻力最小，與方案0網箱相比的阻力小13%，這是因為采用的是圓錐形網衣，在來流方向的投影面積小于其他各種方案。

圖2 流速為1 m/s時各優(yōu)化方案位移云圖

圖3 網箱中部水平位移結構優(yōu)化結果

流速Velocity/m·s-1方案0Case 0方案1 Case 1 方案2 Case 2 方案3 Case 3方案4Case 4 方案5 Case 50.5水平位移X-displacement/m10.918.538.5668.568.526.96變動率Rate of change/%--21.79-19.81-21.52-21.88-36.211水平位移X-displacement/m12.0010.679.5810.4410.778.34變動率Rate of change/%--11.18-20.23-12.98-10.34-30.59

圖4 網箱底部水平位移結構優(yōu)化結果

流速Velocity/m·s-1方案0Case 0方案1 Case 1 方案2 Case 2 方案3 Case 3方案4Case 4 方案5 Case 50.5水平位移X-displacement/m20.4618.0912.4617.5114.6014.45變動率Rate of change/%--11.54-39.08-14.44-28.62-29.351水平位移X-displacement/m23.2121.7314.5521.2321.1318.02變動率Rate of change/%--6.39-37.33-8.53-8.99-22.39

圖5 網箱阻力計算結果

流速Velocity/m·s-1方案0Case 0方案1 Case 1 方案2 Case 2 方案3 Case 3方案4Case 4 方案5 Case 50.5阻力Drag/kN23.4727.7830.8227.2322.3326.17變動率Rate of change/%-+18.33+31.31+16.03-4.88+11.501阻力Drag/kN86.0687.3296.4383.9078.1874.89變動率Rate of change/%-+1.46+12.05-2.51-9.15-12.98

3 討論

表7為上述優(yōu)化方案結果匯總。優(yōu)化方案計算結果以及其與原型網箱相比的變化值，“+”代表增大，“-”代表減少。綜合優(yōu)化方案與模型網箱的水平比較可以發(fā)現(xiàn)方案5為所有優(yōu)化方案中最好的，網箱的阻力減少的同時，網箱中部和底部的位移均有較大的減小。據此可以建議將網箱箱體設計為上大下小的形狀、采用方形網目、在網箱中間加抗變形的圓環(huán)和將配重集中在底部可減小網箱水平漂移和阻力。

Note：①Full-scaled velocity is 0.5 m/s；②Full-scaled velocity is 1.0 m/s；③Case No.；④Displacement at the middle；⑤Displacement at the bottom；⑥Drag force；⑦Case 0；⑧Case 1；⑨Case2；⑩Case3；Case 4；Case 5

3.1 流速對各方案水平位移的影響

通過對各個方案的比較可以看出，優(yōu)化方案可以在一定程度上降低網箱的水平位移。當流速增加時，網箱的水平漂移均增大；網箱水平漂移的增長速度會隨著水流速度增加而降低，呈對數函數增長關系，這與崔勇[11]、張福友[16]研究結果相似。當實際流速度超過0.6m/s時除優(yōu)化方案2和方案5外，其他優(yōu)化方案與方案0的網箱在水平位移方面差別較小。

3.2 網目形狀對水平位移和總阻力影響

通過方案2與方案0網箱相比可以看出，菱形網目的網體可較大幅度的減小網箱水平位移，但是所帶來的網箱底框的大幅度傾斜和偏轉，會增大箱體的不穩(wěn)定性。菱形網目在重力作用下由于網片自身張力作用會使網目減小，增加了網片的密實度，增加水阻力。崔勇[11]研究發(fā)現(xiàn)在低流速下兩者差異不明顯，而在中高流速下，方形網目網箱迎流面纜繩張力大于菱形網目網箱，其網箱運動幅度大于菱形網目網箱。結合網體中部的位移結果和網體的水平位移云圖，與其它采用方形網目箱體比較發(fā)現(xiàn)方案2的位移規(guī)律與其他形狀的網箱有較大的不同，其網體中部的水平位移在低流速時較小，但是隨著水流速度增大而快速增大，這與崔勇[11]研究結果相似。究其原因，可能是由于其菱形網目局部網線受力傳遞不如方形網目均勻所致。根據位移云圖所示，方案二的網體在水流下底框傾斜很大，背流側部分的網衣幾乎與水面平行，當實際流速為1 m/s時，其網體形狀呈反“7”形狀。

3.3 配重形式對水平位移和總阻力影響

通過優(yōu)化方案3與方案0網箱相比，在保持總配重重量不變的情況下，配重集中在底部比配重分散到網箱不同網高處更有利于網箱的形狀保持。張福友等[16]研究了在相同配重重量下底層均勻配置沉子、底層和中間均勻配置沉子、最底層配置底圈3種方案的耐流特性，發(fā)現(xiàn)最底圈配置底圈網箱水平位移最小，其次為底層和中間均勻配置沉子網箱。從結構力學的角度來考慮，將浮框視為固定點，配重距浮框越遠，提供的回復力矩越大。因此最經濟的配重分布應該加載到網箱的最底端，而不是網箱的其他部位。

3.4 剛性圓環(huán)對水平位移和總阻力影響

優(yōu)化方案4與方案1網箱相比，在網箱中部合適的位置增加剛性圓環(huán)能夠較好的控制網箱的水平位移。水流的沖擊會使網衣向后傾斜，向后傾斜的程度與水流荷載的大小有關。由于網箱迎流面網衣對水流的衰減作用，網箱背側的網衣受到的水流的荷載要更小一些，因此向后傾斜的角度會小。增加一個剛性圓環(huán)，將前后側網衣連接起來，能夠在一定程度上控制網箱的水平移動。增加的抗變形圓環(huán)可以采用與水密度相似的硬質塑料管，從而在不增加網箱的浮力儲備的情況下，減小網箱的水平位移。

3.5 箱體形狀對水平位移和總阻力影響

通過方案1和方案0的結果對比看出，圓形網箱比六邊形網箱有著更小的水平位移。圓形的底框和圓形的網衣有利于減少阻力和水平位移，這是因為六邊形網衣的90°夾角迎流面積大于圓柱形網箱，水流作用在網衣上面的作用力比較大。圓柱形的網衣與來流方向成90°夾角的面積小，因此網衣所受的水流荷載要小于六邊形網箱的網衣。根據方案5和方案4的對比可以看出上大下小的圓臺型網箱水平漂移距離更小。黃小華[26]研究發(fā)現(xiàn)在低流速條件下圓柱形網箱有較大的初始變形，容積損失率較大，而圓臺形網箱初始變形很小，容積損失率較小，具有較好的耐流特性和抗變形能力，與本實驗結果相似。從阻力角度來看，將六邊形箱體換成圓形的箱體有利于減少阻力。對比方案4和方案5 可以看出圓臺形箱體由于迎流面積減少，其阻力會更小。當來流速度小于0.5 m/s時，方案5的阻力要比方案4增大，這可能與網箱周圍的流場效應有關系，需要做進一步的研究來探索這一現(xiàn)象。

4 結語

網箱箱體變形是網衣水阻力與網箱配重重力的平衡結果。如果采取措施使箱體減少變形，網箱的網衣迎流面積會相對較大，此時網箱阻力會增加。如果在保持大的養(yǎng)殖容積和減少網箱阻力兩者中只能選一個，應首先選擇保證網箱的養(yǎng)殖容積，這是網箱養(yǎng)殖目的決定的。研究結果表明，采用剛性底框、方形網目，中部增加剛性圓環(huán)，網體形狀為上大下小的圓臺形，有利于減小網箱的橫向位移，增大網箱養(yǎng)殖容積。