基于CFD模擬的單點(diǎn)系泊船型網(wǎng)箱浮架結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

陳俊池, 劉祚時(shí), 陳俊華, 陳炫光

基于CFD模擬的單點(diǎn)系泊船型網(wǎng)箱浮架結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

陳俊池1, 劉祚時(shí)1, 陳俊華2, 陳炫光3

(1. 江西理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 江西 贛州 341000; 2. 浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院 機(jī)電與能源工程學(xué)院, 浙江 寧波 315100; 3. 寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院, 浙江 寧波 315211)

針對(duì)單點(diǎn)系泊(SPM)網(wǎng)箱系泊力大于傳統(tǒng)網(wǎng)箱, 離岸環(huán)境承受風(fēng)浪時(shí)風(fēng)險(xiǎn)更高的問題, 研究設(shè)計(jì)了一種相較傳統(tǒng)圓形網(wǎng)箱擁有更小系泊力的船型網(wǎng)箱, 運(yùn)用正交原理制定了三因素三水平的試驗(yàn)方案, 對(duì)網(wǎng)箱浮架進(jìn)行了計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬, 分析網(wǎng)箱在波流共同作用下的水動(dòng)力特性變化。研究表明, 在兼顧經(jīng)濟(jì)成本與網(wǎng)箱安全性的條件下, 長24 m, 寬9 m, 頭部角度為60°的網(wǎng)箱浮架具有較優(yōu)良的水動(dòng)力性能和相對(duì)較低的養(yǎng)殖成本。該網(wǎng)箱系統(tǒng)能隨著潮流改變方向而在錨點(diǎn)周圍移動(dòng), 從而極大減小網(wǎng)箱底部的養(yǎng)殖殘?jiān)逊e并降低錨固安裝成本, 可為我國深水網(wǎng)箱的發(fā)展提供一定的理論參考依據(jù)。

抗風(fēng)浪船型網(wǎng)箱; 單點(diǎn)系泊; 水動(dòng)力分析; 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著海洋漁業(yè)資源的不斷減少, 以及近海養(yǎng)殖日益嚴(yán)重的環(huán)境污染, 現(xiàn)階段我國提出了“發(fā)展外海, 拓展遠(yuǎn)洋”的漁業(yè)養(yǎng)殖發(fā)展方針, 海洋養(yǎng)殖業(yè)正向著深遠(yuǎn)海發(fā)展[1]。深遠(yuǎn)海域漁業(yè)資源豐富, 水體交換強(qiáng), 有利于海水養(yǎng)殖, 但也存在著海流強(qiáng)、風(fēng)浪大的特點(diǎn)。因此, 提高養(yǎng)殖網(wǎng)箱在外海惡劣環(huán)境下的安全性和可靠性正成為現(xiàn)在養(yǎng)殖網(wǎng)箱研究的熱點(diǎn)問題之一[2-3]。程暉等[4]對(duì)投放于黃海冷水團(tuán)的“鉆石型”單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱的箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬, 用于改進(jìn)其水動(dòng)力特性。徐為兵等[5]建立了碟形網(wǎng)箱的數(shù)值計(jì)算模型, 對(duì)其多海況下的水動(dòng)力特性進(jìn)行了研究。Drach等[6]通過有限元軟件設(shè)計(jì)分析了一種用于外海養(yǎng)殖的“金字塔”型單點(diǎn)系泊銅合金網(wǎng)衣網(wǎng)箱。Shainee等[7]設(shè)計(jì)了一種自潛式單點(diǎn)系泊籠式網(wǎng)箱, 并進(jìn)行了數(shù)值模擬以分析其浸沒特性和浮力變化。

目前我國在深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖領(lǐng)域普遍采用圓形重力式深水網(wǎng)箱, 錨泊方式為多點(diǎn)固定并與海底樁柱連接。這種固定式養(yǎng)殖網(wǎng)箱的養(yǎng)殖殘?jiān)练e在一塊養(yǎng)殖區(qū)域, 會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)睾Ｑ蟓h(huán)境造成一定污染[8]。若采用單點(diǎn)系泊方式錨泊網(wǎng)箱, 則可有效改善這一狀況。單點(diǎn)系泊(SPM)網(wǎng)箱系統(tǒng)可以隨著潮流改變方向而在錨點(diǎn)周圍移動(dòng)。這種流動(dòng)性有助于在相對(duì)較大的區(qū)域內(nèi)散布未吃的食物和魚糞, 從而減輕當(dāng)?shù)睾Ｑ蟓h(huán)境的惡化[9], SPM籠系統(tǒng)可以將固定魚籠下廢物的底棲積累減少2~70倍。此外, 與當(dāng)前的多點(diǎn)系泊系統(tǒng)相比, SPM系統(tǒng)的使用將錨固安裝成本降低了50%以上[10]。然而, 由于SPM網(wǎng)箱系泊力遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的圓形網(wǎng)箱, 離岸環(huán)境承受風(fēng)浪時(shí)SPM網(wǎng)箱系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)極高。

針對(duì)這一問題設(shè)計(jì)了船型浮架結(jié)構(gòu)的網(wǎng)箱。浮架的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)網(wǎng)箱的抗風(fēng)浪能力有著至關(guān)重要的影響, 因此選擇較優(yōu)的浮架結(jié)構(gòu)參數(shù)組合十分重要。影響網(wǎng)箱水動(dòng)力性能的因素很多, 若使用全面設(shè)計(jì)方案, 水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算及結(jié)果處理很龐大。筆者采用了正交設(shè)計(jì)理論, 通過計(jì)算機(jī)流體力學(xué)數(shù)值模擬(CFD)技術(shù), 運(yùn)用極差分析法處理計(jì)算結(jié)果, 選出較優(yōu)的浮架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。

1 單點(diǎn)系泊船型網(wǎng)箱簡介

船型網(wǎng)箱屬于重力式網(wǎng)箱, 依靠上部結(jié)構(gòu)(網(wǎng)箱浮架)提供浮力和下部結(jié)構(gòu)(沉子或底圈)重量的組合來維持魚類養(yǎng)殖體積, 圖1為船型網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)圖。在單點(diǎn)系泊的條件下, 船型結(jié)構(gòu)物在受到方向不同的波流力時(shí)可以很快調(diào)整自身位置, 使浮架與來流方向形成一定角度, 以減小波流力, 降低網(wǎng)箱在臺(tái)風(fēng)大浪時(shí)的失效風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 船型網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)圖

本文研究的船型網(wǎng)箱除了浮架結(jié)構(gòu)外其余部分均與傳統(tǒng)圓形中重力式網(wǎng)箱相同, 所以本文只研究船型網(wǎng)箱的浮架結(jié)構(gòu)部分, 對(duì)錨泊, 沉子和網(wǎng)衣系統(tǒng)不作討論。表1為浮架各結(jié)構(gòu)的部件參數(shù)。

表1 網(wǎng)箱浮架部件參數(shù)

注: “*”單位為kg/個(gè)

我國目前使用中的圓形重力式深水網(wǎng)箱浮架周長大多在50~80 m。本文設(shè)計(jì)的船型網(wǎng)箱浮架結(jié)構(gòu)周長也與之相仿。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

影響船型浮架抗風(fēng)浪性能的因素有很多, 包括組成浮架的HDPE管的規(guī)格和連接方式、浮架頭部角度、框架的長度和寬度以及波浪的波高和波頻等。由于影響因素眾多, 且各種因素之間還會(huì)有交互作用, 若采用傳統(tǒng)的全面試驗(yàn)則需要進(jìn)行大量計(jì)算, 在試驗(yàn)時(shí), 無論是數(shù)據(jù)量的計(jì)算規(guī)模, 還是人工修改計(jì)算參數(shù)等都十分繁雜, 需要耗費(fèi)大量人力物力, 在實(shí)際應(yīng)用中無法實(shí)現(xiàn)。

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是多因素多水平的優(yōu)化設(shè)計(jì), 通過對(duì)各試驗(yàn)參數(shù)的合理安排, 科學(xué)分析各試驗(yàn)因素, 從眾多試驗(yàn)條件中找到最具代表性的參數(shù)組合, 科學(xué)安排試驗(yàn), 使花費(fèi)盡可能少的試驗(yàn)次數(shù)就能得到較優(yōu)的方案。本文采用正交設(shè)計(jì)方法, 解決船型浮架結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)問題。

2.1 試驗(yàn)?zāi)康募翱疾熘笜?biāo)的確定

本文通過數(shù)值模擬試驗(yàn)方法, 探討船型浮架不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)網(wǎng)箱所受波流力的影響, 并選取較優(yōu)的參數(shù)組合方案, 從而達(dá)到減小網(wǎng)箱所受波流力的效果, 得到較優(yōu)的船型浮架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

網(wǎng)箱在臺(tái)風(fēng)大浪中的失效原因主要是承受的波流力超過了本身的極限。作用在網(wǎng)箱浮架上的力難以測量, 錨繩受力可以比較清晰地反應(yīng)浮架所受的波流力。但網(wǎng)箱越大, 所受波流力越大, 為了從數(shù)據(jù)上衡量船型網(wǎng)箱的性能優(yōu)劣, 引入了網(wǎng)箱系數(shù)這一考察指標(biāo), 這里定義: 網(wǎng)箱系數(shù)=網(wǎng)箱錨繩力×浮架周長/浮架面積。

網(wǎng)箱錨繩力為望小特性, 越小說明網(wǎng)箱越不容易失效; 浮架周長指浮架內(nèi)浮環(huán)所用HDPE管材的總長度, 越小說明網(wǎng)箱成本越低; 浮架面積指網(wǎng)箱內(nèi)浮環(huán)所圍成的面積, 網(wǎng)箱的養(yǎng)殖體積=浮架面積×網(wǎng)深, 這里假設(shè)網(wǎng)箱網(wǎng)深相同, 則浮架面積越大, 網(wǎng)箱養(yǎng)殖體積越大, 故浮架面積為望大特性。由上可知, 網(wǎng)箱系數(shù)越小, 說明該組設(shè)計(jì)參數(shù)越優(yōu)秀。

2.2 試驗(yàn)因素及水平的確定

波浪的波高、波頻以及海水流速等波浪海流條件可以根據(jù)鋪設(shè)地實(shí)際條件來選定, 網(wǎng)箱的錨碇系統(tǒng)采用單點(diǎn)系泊的方式。

考慮到控制成本和浮力配給, 以及以往重力式網(wǎng)箱浮管的連接方式, 船型浮架采用內(nèi)外兩根HDPE管組成雙浮管結(jié)構(gòu), 浮管間距為0.5 m, 每隔2 m設(shè)置一個(gè)三通連接支架。HDPE管外直徑選擇250 mm, 壁厚15 mm。

在排除上述條件后, 剩余還有船型網(wǎng)箱的浮架頭部角度, 浮架長度和浮架寬度3個(gè)因素。

1) 浮架長度

浮架主體受到的波流阻力可分為摩擦阻力和剩余阻力。摩擦阻力F與黏性水和浮架濕表面的關(guān)系為[11]:

式中,F為摩擦阻力系數(shù);為水的密度;為船體濕表面積;為浮架相對(duì)海流速度。

由此可知, 當(dāng)浮架長度增加時(shí), 濕表面積增加, 浮架主體所受波流力也隨之增加。對(duì)剩余阻力來說, 長度增加, 則長度與寬度的比值增加, 船型浮架相對(duì)更加瘦長, 網(wǎng)箱所受波流力也隨之減小。故需要設(shè)計(jì)優(yōu)化一個(gè)較為合理的浮架長度。

2) 浮架寬度

對(duì)于海上漂浮物, 浮體的寬度是影響橫搖的主要因素。網(wǎng)箱的橫搖周期指完成一次完整橫搖的時(shí)間, 公式如下[12]:

式中,為浮架寬度;G為浮架重心距水面高度;M為浮架重心到穩(wěn)心的高度。

從公式(1)可知, 由于網(wǎng)箱浮架為寬短縱長的船型, 浮架寬度的增加對(duì)摩擦阻力影響不大。但對(duì)剩余阻力而言, 浮架寬度增加時(shí), 會(huì)加大興波阻力及漩渦阻力, 同時(shí), 浮架過寬會(huì)使迎浪面增大, 風(fēng)浪中的附加阻力也會(huì)增加。

3) 浮架頭部角度

浮架頭部角度指船型浮架兩側(cè)HDPE管彎折所形成的角度。船型浮架的頭部角度也是影響浮架所受波流力的重要因素。對(duì)剩余阻力來說, 浮架頭部角度的減小, 會(huì)使浮架頭部興波區(qū)域的型線變的平緩, 興波作用相對(duì)減小, 網(wǎng)箱所受波流力也隨之減小。同時(shí)角度減小使浮架框架曲度變化緩和, 能夠減小漩渦的產(chǎn)生, 降低形狀阻力。

綜合考慮浮架長度、寬度和頭部角度對(duì)網(wǎng)箱所受波流力的影響后, 對(duì)上述3個(gè)因素各安排3個(gè)水平, 圖2為各因素示意圖, 具體因素水平安排如表2所示。

圖2 船型浮架設(shè)計(jì)尺寸

表2 試驗(yàn)因素水平表

本試驗(yàn)有3個(gè)因子, 每個(gè)因子有3個(gè)水平, 所以選用9(34)的正交表。由于本試驗(yàn)不考慮各因子之間的交互作用, 可以把因子放在任意的列上, 一個(gè)因子占一列。

3 數(shù)值計(jì)算方法

由于網(wǎng)箱的浮架結(jié)構(gòu)只有兩根主浮管和連接支架直接與海面接觸, 故可將上部結(jié)構(gòu)包括扶手管、三通、立柱等的質(zhì)量簡化到主浮管上, 忽略其余部分的影響。浮架結(jié)構(gòu)每個(gè)部件的尺寸與海浪的波長和波高相比較小, 采用小尺度波浪結(jié)構(gòu)物的計(jì)算方法, 用改進(jìn)的Morison方程[13]計(jì)算浮架受力。

其中D和I分別代表阻力和慣性力, 它們都與流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。因?yàn)樗骱筒ɡ藢?duì)運(yùn)動(dòng)流體的水動(dòng)力影響最大[15], 可以引入表示均勻流和滿足拉普拉斯方程的漸進(jìn)波的線性波速勢:

利用式(5)對(duì)(,,)和求導(dǎo), 分別得到了三維速度場和加速度場。利用線性波理論進(jìn)一步簡化水深, 可以得到波峰下的水平流速為:

其中a是一個(gè)波周期的振幅。接下來, 如果我們只考慮等式(5)的黏性阻力部分, 并將其應(yīng)用于等式(8), 我們得到以下表達(dá)式:

建立數(shù)值分析模型需要模擬波浪周期、頻率和波高。網(wǎng)箱的鋪設(shè)地位于浙江省象山縣, 根據(jù)當(dāng)?shù)厮沫h(huán)境的調(diào)查研究[16], 網(wǎng)箱試驗(yàn)的波浪條件可以基本確定。選取當(dāng)?shù)仄骄ǜ? m, 波頻選擇6 s。根據(jù)實(shí)際鋪設(shè)地海況設(shè)計(jì)仿真環(huán)境條件, 水深為20 m, 錨繩長度為50 m, 采用懸鏈線錨繩, 波浪和水流均沿軸正方向入射, 水流速度為1 m/s。為了便于分析, 考慮到以后開展模型試驗(yàn)時(shí)造波類型的局限性, 將波浪視為規(guī)則波。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 網(wǎng)箱水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算

基于以上的表頭設(shè)計(jì), 采用了CFD方法, 開展了網(wǎng)箱船型浮架的數(shù)值計(jì)算。圖3為9組試驗(yàn)的網(wǎng)箱浮架外形圖, 并將浮架進(jìn)行了無系泊條件下的水動(dòng)力分析, 并得到浮架在波浪下的框架應(yīng)力圖。進(jìn)而進(jìn)行浮架水動(dòng)力的時(shí)域系泊分析, 得到單點(diǎn)系泊船型網(wǎng)箱在給定海況下的運(yùn)動(dòng)情況與錨繩力隨時(shí)間的變化曲線。將錨繩力在每個(gè)周期下的變化取最大值, 計(jì)算結(jié)果如下表3所示。

在所用浮管同規(guī)格的情況下, 浮架周長能代表網(wǎng)箱成本, 浮架面積能代表網(wǎng)箱養(yǎng)殖容量, 周長除以面積就代表了單位養(yǎng)殖體積網(wǎng)箱所花造價(jià), 將其命名為成本系數(shù), 并將計(jì)算獲得的錨繩受力峰值乘成本系數(shù)得到本試驗(yàn)的考察指標(biāo)網(wǎng)箱系數(shù), 網(wǎng)箱系數(shù)綜合考慮了養(yǎng)殖網(wǎng)箱的抗風(fēng)浪性能和養(yǎng)殖成本, 能一定程度上代表船型網(wǎng)箱的性能優(yōu)越性。

從表3的試驗(yàn)結(jié)果可以直觀看到, 隨著浮架周長和面積的增大, 網(wǎng)箱在周期下的受力峰值并不一直增大, 而是呈現(xiàn)波動(dòng)。直接分析試驗(yàn)結(jié)果比較困難, 采用極差分析對(duì)結(jié)果進(jìn)行判斷。船型浮架各因子對(duì)網(wǎng)箱優(yōu)劣的影響程度大小可從各個(gè)因子的“極差”來判別。極差指該因子各水平下的平均值的最大值與最小值之差, 該值越大, 改變這一因子水平對(duì)指標(biāo)造成的影響也就越大, 反之亦然。對(duì)同一因子不同水平下的試驗(yàn)結(jié)果之和取平均值, 可代表該因子對(duì)結(jié)果的影響。

圖4為船型浮架長、寬、頭部角度在不同水平下的試驗(yàn)均值變化, 圖中A1, A2, A3為浮架長度的3個(gè)水平; B1, B2, B3為寬度的3個(gè)水平; C1, C2, C3為浮架頭部角度的3個(gè)水平。

4.2 各因素對(duì)網(wǎng)箱所受波流力的影響

從圖4中可看出浮架各因素水平情況下網(wǎng)箱錨繩力的變化情況, 該變化反應(yīng)了網(wǎng)箱所受波流力的變化。觀察折線A的水平變化可得, 當(dāng)浮架長度增加時(shí)網(wǎng)箱受力先減小后增大。這可能是因?yàn)楦〖荛L度增加時(shí), 濕表面積增加, 摩擦阻力隨之增大。同時(shí)長度的增加使船形浮架型線更加平緩, 興波作用緩和, 興波阻力隨之變小, 并且船型浮架的去流段增長使船體曲度變化緩和, 減少漩渦的產(chǎn)生, 降低形狀阻力。故錨繩力在浮架長度增加時(shí)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。從B因素變化折線可知錨繩力隨浮架寬度的增加而增加。從C因素變化曲線得浮架頭部角度從60°變化為75°時(shí)錨繩力增加值很小, 但增大為90°時(shí)錨繩力增加較多。

4.3 各因素對(duì)網(wǎng)箱橫搖的影響

網(wǎng)箱的橫搖是衡量網(wǎng)箱優(yōu)劣的重要條件之一, 如圖4可知, 當(dāng)浮架長度由18 m增加到24 m時(shí)網(wǎng)箱橫搖減小較多, 從24 m增加為30 m時(shí)橫搖降低較少; 浮架寬度增加時(shí), 網(wǎng)箱橫搖先減小后增大; 浮架頭部角度增大時(shí), 網(wǎng)箱橫搖先減小后增大。

4.4 各因素對(duì)網(wǎng)箱成本系數(shù)的影響

網(wǎng)箱成本系數(shù)為周長/面積所獲得的值, 可以代表養(yǎng)殖一個(gè)單位魚類所需要的網(wǎng)箱造價(jià)成本。從圖4可以看出, 隨著浮架長度、寬度、頭部角度的增加, 網(wǎng)箱成本系數(shù)逐漸降低, 但減小成本的同時(shí)浮架面積的增大也增加了深水網(wǎng)箱在受到風(fēng)浪時(shí)受損的風(fēng)險(xiǎn)。

4.5 各因素對(duì)網(wǎng)箱系數(shù)的影響

從對(duì)圖4的極差分析可看出, 船型浮架的長度與寬度對(duì)網(wǎng)箱系數(shù)的影響較大。隨著網(wǎng)箱船型浮架長度和寬度以及頭部角度的增加, 網(wǎng)箱整體受力會(huì)隨之增加, 但同時(shí)網(wǎng)箱的養(yǎng)殖面積也會(huì)增大, 所以需要綜合考慮養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)與經(jīng)濟(jì)效益之間的平衡關(guān)系。由圖4可知, 浮架長度和寬度的變化對(duì)網(wǎng)箱系數(shù)影響較大, 而浮架的頭部角度則對(duì)其影響較小。在浮架長度取24 m, 浮架寬度取9 m, 浮架頭部角度為60°時(shí)網(wǎng)箱系數(shù)最小, 即此參數(shù)的網(wǎng)箱具有較好的經(jīng)濟(jì)性與安全性。

圖3 各因子水平下的網(wǎng)箱浮架結(jié)構(gòu)及其受力分析

表3 系泊分析試驗(yàn)結(jié)果

注: 表中(1) (2) (3)分別為正交試驗(yàn)的試驗(yàn)條件, 網(wǎng)箱系數(shù)=浮架周長/浮架面積

圖4 浮架各因素極差變化圖

4.6 結(jié)論的合理性驗(yàn)證

在鋪設(shè)地象山港水深20 m, 承受波高6 m, 周期6.8 s大浪的工況下, 通過仿真計(jì)算得到本設(shè)計(jì)的網(wǎng)箱浮架所受應(yīng)力最大值為6 MPa左右, 小于同工況條件下同周長圓形HDPE網(wǎng)箱所受7 MPa的應(yīng)力。同時(shí)本設(shè)計(jì)所選用直徑250 mm, 壁厚15 mm的HDPE浮管屈服強(qiáng)度為24.1 MPa, 大于其在6 m大浪時(shí)所受應(yīng)力。初步驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的網(wǎng)箱浮架在惡劣海況下失效概率較低, 能較好地完成設(shè)計(jì)任務(wù)。

5 結(jié)語

目前人們對(duì)海產(chǎn)品日益增長的需求, 很大程度上可以通過水產(chǎn)養(yǎng)殖來滿足。當(dāng)近岸養(yǎng)殖達(dá)到飽和并引發(fā)日益嚴(yán)重的養(yǎng)殖污染時(shí), 離岸養(yǎng)殖便成了唯一的解決方案。在相對(duì)惡劣的離岸環(huán)境下進(jìn)行網(wǎng)箱設(shè)計(jì)是一項(xiàng)挑戰(zhàn), 也是一項(xiàng)不斷發(fā)展的技術(shù), 為此世界各地的研究人員提出了各種符合當(dāng)?shù)睾Ｑ蟓h(huán)境的離岸式網(wǎng)箱解決方案。本研究通過CFD數(shù)值模擬仿真的方法, 在模擬海洋環(huán)境下對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的船型浮架進(jìn)行了分析, 發(fā)現(xiàn)船型網(wǎng)箱受力并不是隨著浮架長度的增加而一直增加, 而是存在一個(gè)較優(yōu)長度, 并結(jié)合制造成本對(duì)網(wǎng)箱參數(shù)進(jìn)行了選擇, 得出了一個(gè)較為合理的方案。本研究提出的船型網(wǎng)箱豐富了在單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱領(lǐng)域的研究, 為我國的養(yǎng)殖網(wǎng)箱深水化發(fā)展提供了一定的理論參考依據(jù)。

[1] 陳志明, 毛沛盛, 嚴(yán)謹(jǐn), 等. 現(xiàn)代海水網(wǎng)箱、海洋牧場技術(shù)進(jìn)展及研究方法[J]. 廣東造船, 2018, 37(2): 46-49. Chen Zhiming, Mao Peisheng, Yan Jin, et al. The technology progress and design method of modern marine cage and ranching[J]. Guangdong Shipbuilding, 2018, 37(2): 46-49.

[2] 張起信, 張啟勝, 劉光穆, 等. 淺談深?？癸L(fēng)浪網(wǎng)箱養(yǎng)魚業(yè)[J]. 海洋科學(xué), 2007, 31(3): 82-83. Zhang Qixin, Zhang Qisheng, Liu Guangmu, et al. An elementary introduction to culturing fish in anti-wave cages[J]. Marine Sciences, 2007, 31(3): 82-83.

[3] 林德芳, 關(guān)長濤, 黃濱, 等. 海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱抗風(fēng)浪措施的探討[J]. 海洋水產(chǎn)研究, 2005, 26(6): 55-60. Lin Defang, Guan Changtao, Huang Bin, et al. Discussion on anti-wave measures of mairculture cage[J]. Marine Fisheries Research, 2005, 26(6): 55-60.

[4] 程暉, 黃六一, 倪益, 等. 水流條件下單點(diǎn)系泊不同結(jié)構(gòu)“鉆石型”重力式網(wǎng)箱的水動(dòng)力特性數(shù)值模擬[J]. 中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2019, 49(3): 161-170. Cheng Hui, Huang Liuyi, Ni Yi, et al. Numerical study on hydrodynamics of single-point mooring different structural net of“diamond shape”gravity fish cage in current[J]. Periodical of Ocean University of China, 2019, 49(3): 161-170.

[5] 徐為兵, 朱克強(qiáng), 張大朋, 等. 網(wǎng)格錨定單體碟形網(wǎng)箱的水動(dòng)力特性研究[J]. 海洋科學(xué), 2015, 39(10): 68-72. Xu Weibing, Zhu Keqiang, Zhang Dapeng, et al. Hydro-dynamic characteristics of single grid mooring ocean spar sea station[J]. Marine Sciences, 2015, 39(10): 68-72.

[6] Drach A, Tsukrov I, Decew J, et al. Engineering proce-dures for design and analysis of submersible fish cages with copper netting for exposed marine environment[J]. Aquacultural Engineering, 2016, 70: 1-14.

[7] Shainee M, Leira B J, Ellingsen H, et al.?Investigation of a self-submersible SPM cage system in random waves[J]. Aquacultural Engineering, 2014, 58: 35-44.

[8] 郭芳, 黃小平. 海水網(wǎng)箱養(yǎng)殖對(duì)近岸環(huán)境影響的研究進(jìn)展[J]. 水產(chǎn)科學(xué), 2006, 25(1): 37-41. Guo Fang, Huang Xiaoping. Advances of studies on im-pacts of net-cage mariculture on coastal environment[J]. Fisheries Science, 2006, 25(1): 37-41.

[9] Huang C C, Pan J Y. Mooring line fatigue: A risk analysis for an SPM cage system[J]. Aquacultural Engineering, 2010, 42(1): 8-16.

[10] Goudey C A, Loverich G, Kite P H, et al. Mitigating the environmental effects of mariculture through single point moorings (SPMs) and drifting cages[J]. ICES Journal of Marine Science, 2001, 58(2): 497-503.

[11] Boualem K. The Governing Equations and Dry Dyna-mics[M]. Berlin: Springer International Publishing, 2019: 78-82.

[12] 朱仁慶, 楊松林, 王志東. 船舶流體力學(xué)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2015: 39-42.Zhu Renqing, Yang Songlin, Wang Zhidong. Ship Hydrodynamics[M]. Beijing: National Defence Industrial Press, 2015: 39-42.

[13] Brebbia C A, Walker S. Dynamic analysis of offshore structures[J]. Applied Ocean Research, 1987, 3(4): 205.

[14] Huang C C, Tang H J, Pan J Y. Numerical modeling of a single-point mooring cage with a frontal rigid frame[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2009, 34(2): 113-122.

[15] Dean R G, Dalrymple R A. Water Wave Mechanics for Engineers and Scientists[M]. New Jersey: Prentice Hall, 1984: 70-75.

[16] 楊忠良, 葉欽, 施偉勇. 基于AWAC觀測在象山海域自然海況條件下波浪特征及波浪能統(tǒng)計(jì)分析[C]//國家海洋技術(shù)中心. 中國海洋可再生能源發(fā)展年會(huì)暨論壇. 北京: 海洋出版社, 2013: 567-573. Yang Zhongliang, Ye Qin, Shi Weiyong. Statistical analysis of wave characteristics and wave energy under natural sea conditions in Xiangshan sea area based on AWAC observation[C]//National Marine Technology Center. Annual Meeting and Forum on Marine Renewable Energy Development in China.Beijing: Ocean Press, 2013: 567-573.

Structural analysis and design of single point mooring cage floating frame based on CFD simulation

CHEN Jun-chi1, LIU Zuo-shi1, CHEN Jun-hua2, CHEN Xuan-guang3

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China; 2. College of Mechatronics and Energy Engineering, Ningbo Institute of Technology, Zhejiang University, Ningbo 315100, China; 3. School of Mechanical Engineering and Mechanics, Ningbo University, Ningbo 315211, China)

Thesingle point mooring (SPM) cage system has attracted considerable attention because of its ability to move around anchor points with the current in different directions. This mobility can considerably reduce the accumulation of aquaculture residue at the bottom of the cage and reduce the installation cost of anchorage. However, because the mooring force of the SPM cage is greater than that of a conventional circular cage, the risk of the SPM cage system is very high when exposed to wind and waves. A ship-type of a floating frame with a mooring force that was smaller than that of a conventional circular cage was designed to solve this problem along with a three- factor and three-level test scheme that was formulated based on the orthogonal principle. To analyze the changes of the hydrodynamic characteristics of the cage when exposed to both waves and current, computer numerical simulation of the cage floating frame was conducted. The results show that the stress of the cage will initially decrease followed by an increase that is caused by the length increasing when the width of the floating frame is constant. The stress of the cage will continue to amplify with the increase of the width of the floating frame and the angle of the head. Taking economic costs and cage safety into consideration, the analysis shows that a cage floating frame with a length of 24 m, a width of 9 m, and a head angle of 60° has excellent hydrodynamic performance and a relatively low breeding cost. This provides a solution to address to the risk faced by the SPM deep-water cage and provides a theoretical reference for developing deep-water cages in China.

anti-wave ship cage; single-point mooring; hydrodynamic analysis; structural design

Jul. 15, 2019

[Scientific and Technological Major Project of Ningbo, No.2015C110015; Science and Technique Plans of Ningbo, No.2015C50061]

S953.4

A

1000-3096(2020)04-0116-08

10.11759/hykx20190715003

2019-07-15;

2019-08-29

寧波市重大科技攻關(guān)項(xiàng)目(2015C110015); 寧波市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015C50061)

陳俊池(1994-), 男, 浙江舟山人, 碩士研究生, 主要從事海洋養(yǎng)殖裝備的研究, E-mail: 1448707570@qq.com; 陳俊華,

, 男, 教授, 主要研究方向?yàn)楹Ｑ笾悄莛B(yǎng)殖裝備、海洋能開發(fā), E-mail: cjh@nit.zju.edu.cn

(本文編輯: 劉珊珊)