淺海圍欄牧場設(shè)施工程數(shù)值模擬分析

鄒海生 朱燁 洪揚 李超

摘要：為了研究淺海養(yǎng)殖圍欄設(shè)施的可靠性、安全性，以我國海洋工程的樁基設(shè)計及漁用網(wǎng)片水動力性能研究為基礎(chǔ)，應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與計算機數(shù)值模擬技術(shù)，對圍欄設(shè)施阻力進行模擬計算與分析。研究表明，對單一網(wǎng)片采用數(shù)值模擬的方法進行受力分析是可行的，其誤差范圍為±3 N，采用數(shù)值模擬方法對圍欄設(shè)施的水動力性能進行研究，得出隨著樁柱數(shù)的增加、流速的加快，圍欄設(shè)施的總阻力也逐漸增大，同時在一定區(qū)間內(nèi)其總阻力的變化小，適當(dāng)增加樁柱數(shù)或選擇合適樁柱數(shù)，對圍欄設(shè)施有很好的保護作用。

關(guān)鍵詞：養(yǎng)殖圍欄設(shè)施;樁柱;網(wǎng)片;數(shù)值模擬

中圖分類號： S953.2文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）08-0238-04

收稿日期：2019-03-22

基金項目：中國水產(chǎn)科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費專項（編號：2017HY-ZD0603）。

作者簡介：鄒海生（1981—），男，安徽合肥人，工程師，主要從事海洋漁業(yè)裝備設(shè)施研究。Tel：（021）67866750;E-mail：zouhaisheng@fmiri.ac.cn。

淺海牧場式圍欄設(shè)施與生態(tài)養(yǎng)殖符合漁業(yè)轉(zhuǎn)方式、調(diào)結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向，是海水養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)調(diào)整產(chǎn)業(yè)升級的重要新興技術(shù)，有廣闊的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景。圍欄牧場養(yǎng)殖設(shè)施是漁業(yè)裝備與工程集成應(yīng)用、相輔相成的重要體現(xiàn)[1-5]。目前該模式發(fā)展迅速，但存在規(guī)模較小、成本較高、養(yǎng)殖對象單一、技術(shù)不夠成熟等問題;同時在圍欄構(gòu)建中普遍缺乏關(guān)于風(fēng)、浪、流的基礎(chǔ)理論作依據(jù)，且國內(nèi)相關(guān)研究較少，在實際使用中存在著結(jié)構(gòu)安全性的問題，可造成養(yǎng)殖生產(chǎn)的巨大經(jīng)濟損失等問題。

趙云鵬等對不同流速和不同沖角組合情況下的單片網(wǎng)衣周圍的流場進行了數(shù)值模擬[6];王磊等介紹了樁柱式銅合金圍欄養(yǎng)殖發(fā)展現(xiàn)狀及圍欄結(jié)構(gòu)強度，并提出幾點建議[7];陳昌平等研究了水流作用下金屬網(wǎng)衣的水阻力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)線直徑加大會增加水的阻力[8]?，F(xiàn)有研究大部分都是利用數(shù)值方法對網(wǎng)衣受力進行3個方向上的分析，而關(guān)于樁柱和網(wǎng)衣的模擬研究鮮見報道。為研究立柱的抗風(fēng)浪性能、圍欄網(wǎng)繩的受力情況，本研究先采用Fluent軟件對單一網(wǎng)片水動力性能進行數(shù)值模擬[9-10]，并修正計算過程和有關(guān)參數(shù)，驗證數(shù)值模擬的可行性，再對不同流速下不同樁柱圍欄設(shè)施受力情況以及在同一流速下，不同樁柱圍欄設(shè)施的受力情況進行計算機模擬，探討不同樁柱對圍欄設(shè)施受力的影響，旨在為圍欄設(shè)施的總體設(shè)計提供可靠的技術(shù)支持。

1?流體力學(xué)控制方程

海浪運動為不可壓縮性流動，因此本研究中流體運動的控制方程采用不可壓縮黏性流體Navier-Stokes方程組[11-12]：

ρt+xi（ρui）=0

t（ρui）+xj（ρuiuj）=-pxi+ρgi+xjμuixj+Si。（1）

式中：ρ為流體密度;t為時間;xi，xj（i=1，2，3;j=1，2，3）為3個方向上的空間坐標(biāo);ui、uj為3個方向的速度分量;p為壓強;gi為3個方向上的加速度;μ為動力黏性系數(shù);Si為源項。

RNGk-ε模型具有較高的精確度和可信度，已被廣泛應(yīng)用到各種湍流模擬中。本研究采用 RNGk-ε 模型進行模擬，對于不可壓縮波浪，其輸運方程為

kt+xi（kui）=xjakveffkxj+Gk-ε

εt+xi（εui）=xjaεveffεxj+G1εεkGk-G2εε2k。（2）

式中：veff為有效黏度;Gk為由于平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項;ε為湍流耗散率;常數(shù)ak=aε=1.39，G1ε=1.42，G2ε=1.68。

2?單一網(wǎng)片水動力性能數(shù)值模擬及試驗驗證

2.1?網(wǎng)片三維模型

利用計算流體力學(xué)軟件Fluent對單一網(wǎng)片進行水動力性能數(shù)值模擬[13-14]，網(wǎng)片大小為480 mm×480 mm，網(wǎng)繩直徑為4 mm，間距為40 mm，實際網(wǎng)繩為上下編織形狀，但該形狀在進行數(shù)值計算網(wǎng)格劃分時比較繁瑣，因此將網(wǎng)繩簡化為相互穿透齊平形狀，該簡化操作對于數(shù)值計算結(jié)果的影響基本可以忽略，簡化后的網(wǎng)片三維模型見圖1。

2.2?網(wǎng)格劃分

計算域選取網(wǎng)前1倍的網(wǎng)片長度，網(wǎng)后4倍的網(wǎng)片長度，如圖2所示。為了得到更加精確的模擬效果以及節(jié)省計算時間，在網(wǎng)格劃分時，將網(wǎng)繩附近的網(wǎng)格進行加密，網(wǎng)格由網(wǎng)繩處向外逐漸稀疏，以保證網(wǎng)格有良好的過渡性，這樣既能保證計算的準確性，又能減少計算時間，整體域網(wǎng)格及網(wǎng)繩附近網(wǎng)格見圖3。

由于要計算得到網(wǎng)繩對水流的阻力，而在網(wǎng)繩壁面附近流場變化比較劇烈，因此在劃分網(wǎng)格時網(wǎng)繩周圍要進行邊界層網(wǎng)格劃分，這樣能夠比較真實地捕捉網(wǎng)繩壁面附近的流場情況，網(wǎng)繩附近邊界層網(wǎng)格見圖4。

2.3?計算結(jié)果及試驗驗證

本研究模擬計算了流體流速為0.30、0.45、0.60、0.75、0.85 m/s時網(wǎng)片的阻力值，計算結(jié)果見表1。由表1、圖5可以看出，數(shù)值模擬計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，說明數(shù)值模型的建立、湍流模型的選取、邊界條件的設(shè)置及求解器的選取比較合理，誤差范圍為±3 N，由此說明數(shù)值模擬計算在網(wǎng)箱阻力計算上具有較好的可行性。

圖6為單一網(wǎng)繩在流體流速為0.6 m/s時周圍的壓力和速度矢量分布， 在網(wǎng)繩迎流面由于受到網(wǎng)繩的阻滯流速會突然減小，壓力增大，流到網(wǎng)繩兩側(cè)時速度會增大，網(wǎng)繩背面速度很小，因此所得到的數(shù)值模擬流場信息與實際相符。

3?圍欄設(shè)施數(shù)值模擬及優(yōu)化

3.1?不同樁柱數(shù)模型建立

在“2”節(jié)對單一網(wǎng)片數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，對圍欄設(shè)施進行受力計算， 圍欄設(shè)施平面布局形式采用圓形，實際圍欄設(shè)施直徑大小為40 m，樁柱直徑為 1 m，水深為10 m，取樁柱數(shù)為15、20、25、30進行計算，網(wǎng)目形狀為正方形，數(shù)值模擬計算中縮尺比為 1 ∶20，圖7給出了樁柱數(shù)為25的圍欄設(shè)施平面及三維模型，模型總體直徑為1 996 mm，樁距為 250 mm，相鄰樁柱夾角為14.4°，樁柱直徑為 50 mm。

由于圍欄設(shè)施模型較大且網(wǎng)繩較細，導(dǎo)致整個模型的長寬比非常大，給網(wǎng)格劃分帶來了極大的難度，因此在模型高度上選取0.08 m進行計算，三維模型和數(shù)值計算模型見圖7。

3.2?不同流體流速圍欄設(shè)施阻力數(shù)值模擬結(jié)果

本研究計算了流體流速為0.11、0.22、0.34、0.45、0.56、0.67 m/s 時不同樁柱數(shù)圍欄設(shè)施對水流的總阻力，計算結(jié)果見圖8。

由圖8可以看出，隨著樁柱數(shù)的增加，流速的加快，圍欄設(shè)施的總阻力也逐漸增大，在樁柱數(shù)為15根時，圍欄設(shè)施阻力比其他樁柱數(shù)下小，說明此時圍欄設(shè)施的主要受力在網(wǎng)繩上，隨著樁柱數(shù)減少到一定數(shù)量時，總阻力表現(xiàn)為網(wǎng)繩的受力，水流沖擊對于網(wǎng)繩的破壞較大，而當(dāng)樁柱數(shù)增加到30根時，樁柱所受總阻力變大，水流對網(wǎng)繩的沖擊力減小，此時對于網(wǎng)繩有保護作用。同時還可以看出，樁柱為15～25根時，圍欄設(shè)施的總阻力相差不多，增加或者減小樁柱，總阻力變化不明顯。

3.3?同一流速圍欄設(shè)施所受阻力數(shù)值模擬結(jié)果

研究同一流速下，不同樁柱數(shù)圍欄設(shè)施的受力情況。模擬計算了流速為0.45 m/s時圍欄設(shè)施受力的變化情況。

從圖9可以看出，在流速為0.45 m/s時，隨著樁柱數(shù)的增加，圍欄設(shè)施的總阻力增加;在樁柱數(shù)為17～20根時總阻力變化較小，而在樁柱數(shù)為 20～21根、24～25根、27～28根時總阻力變化較大，可以得出，在一定合理的范圍內(nèi)，增加樁柱數(shù)對總阻力無大影響。根據(jù)計算的數(shù)據(jù)， 擬合得出數(shù)學(xué)

模型：

y=-0.000 04x4+0.002 2x3-0.035 1x2+0.388 3x+8.990 7;

r2=0.989 7。（3）

4?結(jié)論

通過對5個流體流速下網(wǎng)片阻力進行數(shù)值模擬分析得出，流體在網(wǎng)繩兩側(cè)的速度會增大，網(wǎng)繩背面速度很小，且數(shù)值模擬的流場信息與實際相符。證明該數(shù)值模型可用于圍欄樁柱的模擬性研究，通過分析不同樁柱數(shù)、不同流速下圍欄設(shè)施總受力情況，最終可知，流速越大圍欄設(shè)施受到阻力越大;同時在樁柱數(shù)為15～25根時，圍欄設(shè)施總阻力相差不大;在同一流速下，17～20根樁柱范圍內(nèi)總阻力變化較小;所以在進行圍欄設(shè)施設(shè)計時，為了保護網(wǎng)繩不被破壞可適當(dāng)增加樁柱數(shù)量，但同時還需考慮成本、制造工藝等方面的問題，還可在一定范圍內(nèi)或總阻力跳變較大時，選擇合適樁柱數(shù)。

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