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(yàn)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(xué)水產(chǎn)學(xué)院，浙江 舟山 316022; 2.東京海洋大學(xué)，日本 東京 1088477; 3.浙江省海洋漁業(yè)裝備技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(gòu)件組成，敷設(shè)在開(kāi)放海域，主要承受風(fēng)、浪、流等因子的綜合作用。在災(zāi)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(dǎo)致纜繩斷裂或設(shè)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(duì)碟形網(wǎng)箱中的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jié)構(gòu)的力學(xué)性能；Ursell[3-5]對(duì)漂浮圓柱在波浪作用下的荷載和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了研究；Slaattelid[6]對(duì)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(jié)構(gòu)的應(yīng)力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。林德芳等[7]對(duì)不同網(wǎng)箱框架系統(tǒng)的材料性能進(jìn)行了對(duì)比研究；陳昌平等[8-12]通過(guò)物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)網(wǎng)箱在波流作用下的水動(dòng)力特性進(jìn)行了研究，分析了錨繩的張力分布和浮架的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。盡管學(xué)者們使用不同的方法對(duì)網(wǎng)箱框架在波、流作用下的水動(dòng)力特性進(jìn)行了研究，但關(guān)于不同浮筒系泊下系泊纜繩和框架綱張力的研究未見(jiàn)報(bào)道。為此，本文依據(jù)海洋工程和漁具力學(xué)等理論，結(jié)合圍網(wǎng)敷設(shè)情況和水文條件等海上實(shí)際狀況，根據(jù)松田皎模型準(zhǔn)則設(shè)計(jì)制作長(zhǎng)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(yù)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(jìn)行水槽模型試驗(yàn)，分析圍網(wǎng)框架綱和系泊纜繩的張力變化規(guī)律，同時(shí)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(guān)聯(lián)度。研究結(jié)論對(duì)設(shè)計(jì)、完善海水養(yǎng)殖圍網(wǎng)的設(shè)施，提高設(shè)施的耐久性、穩(wěn)定性具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)材料

1.1 實(shí)物圍網(wǎng)

通過(guò)對(duì)浙江省圍網(wǎng)養(yǎng)殖基地調(diào)查，本研究選擇周長(zhǎng)300 m的正方形浮繩式養(yǎng)殖圍網(wǎng)作為實(shí)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(jié)構(gòu)名稱和規(guī)格尺寸見(jiàn)表1。

表1 3種浮繩式柔性框架圍網(wǎng)的結(jié)構(gòu)名稱和規(guī)格尺寸

1.2 模型準(zhǔn)則

在選擇模型試驗(yàn)準(zhǔn)則時(shí)，假定大比例尺為50，周長(zhǎng)300 m、網(wǎng)高13.5 m實(shí)物圍網(wǎng)經(jīng)換算的后模型網(wǎng)周長(zhǎng)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(guò)大，導(dǎo)致水槽試驗(yàn)無(wú)法正常進(jìn)行。因此，依據(jù)日本學(xué)者松田皎[13]模型試驗(yàn)理論，對(duì)于這種“極窄”類型的網(wǎng)漁具和漁業(yè)設(shè)施，分別建立水平和垂直方向兩個(gè)模型大尺度比，以解決圍網(wǎng)模型設(shè)計(jì)的空間缺陷問(wèn)題。由于本文主要針對(duì)浮繩式圍網(wǎng)框架系統(tǒng)水動(dòng)力性能進(jìn)行研究，因而沒(méi)有涉及網(wǎng)衣受力的測(cè)試。

1.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

參照實(shí)物圍網(wǎng)的結(jié)構(gòu)制作了長(zhǎng)方體、圓柱體和球體3種類型浮子的圍網(wǎng)框架模型網(wǎng)。考慮到水槽試驗(yàn)中水槽尺寸的實(shí)際要求和圍網(wǎng)形狀測(cè)量的需求，模型框架設(shè)為正方形，邊長(zhǎng)為1.5 m，周長(zhǎng)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(yīng)和池壁效應(yīng)。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(jié)網(wǎng)衣。3種圍網(wǎng)模型的沉鏈配重均為1.17 kg/m(見(jiàn)表2)。

2 試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)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(gè)傳感器，分別安裝在2條框架綱和3條系泊纜繩上。試驗(yàn)時(shí)，傳感器將信號(hào)值傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。

本試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)采用日本學(xué)者松田皎的漁具模型試驗(yàn)特別準(zhǔn)則[13]，按照日本東京海洋大學(xué)水平循環(huán)式動(dòng)水槽的尺寸參數(shù)(長(zhǎng)9.0 m、寬2.2 m、深1.95 m)，模型設(shè)計(jì)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(yàn)?zāi)Ｐ图霸O(shè)備安裝示意圖

(4)受力比例：G1/G2=λhλvλ2。

(5)試驗(yàn)水深：1.35 m。

式中：下標(biāo)“1”對(duì)應(yīng)實(shí)物母網(wǎng)，下標(biāo)“2”對(duì)應(yīng)模型網(wǎng)。

2.2 試驗(yàn)工況

通過(guò)對(duì)圍網(wǎng)敷設(shè)海域的水流流速的實(shí)際調(diào)查，極限水流約0.8 m/s，常見(jiàn)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(yàn)準(zhǔn)則計(jì)算的水槽試驗(yàn)流速對(duì)應(yīng)分別為17、23、28、35和45 cm/s。試驗(yàn)時(shí)使用螺旋式流速計(jì)(東京計(jì)測(cè)技研株式會(huì)社制造，測(cè)量誤差±3% FS)測(cè)定實(shí)際水流流速。

系泊角度依據(jù)系泊距離的遠(yuǎn)近確定。假設(shè)系泊距離無(wú)限遠(yuǎn)，或者圍網(wǎng)設(shè)施外圍依靠“浮繩框”系泊，則認(rèn)為此時(shí)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(shí)際調(diào)查，圍網(wǎng)實(shí)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(wú)限遠(yuǎn)為試驗(yàn)長(zhǎng)度，對(duì)應(yīng)系泊角度依次為59°、63°、68°、71°、74°、76°、90°。水槽試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)圍網(wǎng)試驗(yàn)時(shí)前方安裝的劍突裝置來(lái)調(diào)節(jié)系泊角度，以滿足試驗(yàn)的需要。

2. 3測(cè)試點(diǎn)的選擇

為了對(duì)圍網(wǎng)模型框架系統(tǒng)的水動(dòng)力變化規(guī)律進(jìn)行記錄與分析，在框架綱和系泊纜繩上共選擇了5個(gè)測(cè)量點(diǎn)(見(jiàn)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(huì)社制造，型號(hào)分別為A3604-1和A3604-2，量程均為10 kg，測(cè)量誤差±1%FS)。為方便記錄，標(biāo)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(shè)，相鄰兩綱間距為0.5 m。通過(guò)系泊距離和水深關(guān)系計(jì)算系泊纜繩與垂直方向的夾角α。

圖2 測(cè)試點(diǎn)選擇示意圖

2.4 關(guān)聯(lián)度分析

采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法[14]對(duì)水流速度和系泊角度的變化趨勢(shì)進(jìn)行量化分析，對(duì)比系泊纜繩和框架綱的張力，計(jì)算各影響因素與張力之間的灰關(guān)聯(lián)度。關(guān)聯(lián)度計(jì)算公式如下：

3 結(jié)果和討論

3.1 系泊纜繩張力與流速的關(guān)系

長(zhǎng)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(jiàn)圖3。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(dāng)流速V≤35 cm/s時(shí)，系泊纜繩的張力變化均比較平穩(wěn)。當(dāng)V>35 cm/s時(shí)，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(shí)的3.88 N增大到V=45 cm/s時(shí)的8.39 N，增幅高達(dá)116.24%。系泊纜繩這種變幅從綱索的布局結(jié)構(gòu)來(lái)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(zhǎng)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(shuō)明張力的大小與纜繩的裝配有關(guān)。

3.2 框架綱張力與流速的關(guān)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(jié)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(shí)的5.32 N增大到V=45 cm/s時(shí)的9.07 N，增幅達(dá)70.48%。相同流速時(shí)，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(wú)附加質(zhì)量力產(chǎn)生，導(dǎo)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(duì)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(duì)比3種形狀的浮筒，當(dāng)V≤35 cm/s時(shí)的變化相對(duì)于V>35 cm/s時(shí)小，尤其是長(zhǎng)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(shì)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(guān)系

圖5顯示流速45 cm/s時(shí)，不同系泊角度下系泊纜繩水動(dòng)力的變化情況。結(jié)果表明，對(duì)比系泊纜繩F1，當(dāng)系泊角度范圍為59°～71°時(shí)，長(zhǎng)方體浮筒的系泊纜繩所受到的水動(dòng)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(dòng)力；當(dāng)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?yàn)榭蚣苌吓渲玫那蝮w浮筒數(shù)量最多而且間距最小，因而在系泊角度超過(guò)74°時(shí)，所受阻力最大。此外，考慮到圍網(wǎng)設(shè)施為方形結(jié)構(gòu)，而系泊纜繩F1處在角部，為整個(gè)圍網(wǎng)設(shè)施中應(yīng)力集中區(qū)域，因此系泊角度的變化導(dǎo)致波動(dòng)較大。

系泊纜繩F2在系泊角度變化的過(guò)程中變化較平穩(wěn)，長(zhǎng)方體浮筒的受力大于其他兩種。其原因?yàn)榈?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(dòng)較小。由于長(zhǎng)方體浮筒自身結(jié)構(gòu)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(duì)于系泊纜繩F3，長(zhǎng)方體浮筒的張力基本隨系泊角度的增大而逐漸減小；圓柱體浮筒的F3在系泊角度的變化過(guò)程中先減小后增大，當(dāng)α= 71°時(shí)達(dá)到最小。球體浮筒除了在系泊角度為76°時(shí)出現(xiàn)最大值外，在其他系泊角度下均處于一個(gè)穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。其原因?yàn)閺埩3與水流方向垂直，隨系泊角度的增大，長(zhǎng)方體浮筒在垂直于來(lái)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(duì)稱性，在來(lái)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(guān)系

圖6為流速45 cm/s時(shí)框架綱水動(dòng)力隨系泊角度的變化情況。對(duì)垂直于水流方向的框架綱水動(dòng)力T1而言，圓柱體浮筒的T1基本大于其他兩種，當(dāng)角度范圍為74°～90°時(shí)，球體浮筒的T1基本處于平穩(wěn)狀態(tài)，而長(zhǎng)方體浮筒T1隨角度的增加而減小。對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)方體浮筒浮繩式框架養(yǎng)殖圍網(wǎng)敷設(shè)的穩(wěn)定性。

圖6 框架綱張力隨系泊角度的變化

3.5 關(guān)聯(lián)度分析

基于灰色關(guān)聯(lián)度的F1、F2、F3、T1、T2、流速和系泊角度數(shù)據(jù)的結(jié)果見(jiàn)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(guān)聯(lián)度均表明流速大于系泊角度。在實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)流速較小時(shí)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(guān)聯(lián)度分析結(jié)果表明，系泊角度對(duì)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(duì)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(guān)聯(lián)度

注: 流速Current speeds; 角度Angles。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究針對(duì)長(zhǎng)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(guò)5種流速和7種沖角工況下的張力動(dòng)水槽試驗(yàn)研究表明，流速與張力的關(guān)聯(lián)度大于系泊角度與張力的關(guān)聯(lián)度；系泊角度在63°～74°時(shí)，系泊纜繩和框架綱張力的變化較平穩(wěn)，且當(dāng)系泊角度為71°時(shí)，張力均較?。粚?duì)比3種不同浮筒形狀圍網(wǎng)，長(zhǎng)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(duì)較平穩(wěn)。根據(jù)實(shí)際情況，長(zhǎng)方體、圓柱體和圓球的抗浪能力逐漸降低，因而在生產(chǎn)應(yīng)用中，用圓球制成的框架圍網(wǎng)需要有網(wǎng)蓋來(lái)防止養(yǎng)殖對(duì)象從框架上頂躍過(guò)而逃逸。試驗(yàn)結(jié)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(shè)施性能研究提供參考。由于條件所限，本次試驗(yàn)僅在均流工況下進(jìn)行，未考慮波浪、海表面風(fēng)等因素對(duì)圍網(wǎng)養(yǎng)殖設(shè)施的水動(dòng)力性能及安全性影響進(jìn)行研究，今后在有條件的情況下，應(yīng)對(duì)上述幾方面開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)研究，以使研究得到進(jìn)一步完善。