波流復合工況下縫邊式圍欄網(wǎng)衣水動力特性

王　順，馮德軍，桂福坤

波流復合工況下縫邊式圍欄網(wǎng)衣水動力特性

王順，馮德軍，桂福坤※

（浙江海洋大學國家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心，浙江省海洋養(yǎng)殖裝備與工程技術(shù)重點實驗室，舟山 316022）

圍欄養(yǎng)殖是一種發(fā)展迅速的新型生態(tài)養(yǎng)殖模式。網(wǎng)衣系統(tǒng)是圍欄養(yǎng)殖設(shè)施的核心組成部分，與設(shè)施的安全密切相關(guān)。該研究針對縫邊式圍欄網(wǎng)衣系統(tǒng)，采用集中質(zhì)量點法研究其在波流復合工況下的受力特性。研究結(jié)果表明：在波高4～6 m、流速1.0 m/s、入射角度0°時，綱繩最大受力出現(xiàn)在距水面下1～2.5 m處的第二、三根橫向綱繩兩端處；網(wǎng)線最大受力出現(xiàn)在水面下第二根橫向綱繩與中間兩根豎向綱繩連接處；網(wǎng)衣受力呈現(xiàn)對稱分布，整片網(wǎng)衣的載荷主要來自上半部分網(wǎng)衣，約占總荷載的80%；隨著入射角度的增大，綱繩和網(wǎng)線的最大受力以及網(wǎng)衣的最大偏移量逐漸減?。煌炔ǜ邨l件下，入射角度0°～40°時，圍欄網(wǎng)衣受力及最大偏移量下降速率較慢，入射角度40°～80°時，下降速率較快；位于兩側(cè)樁柱上的系縛點的最大受力出現(xiàn)在水面下第二、三根橫向綱繩兩端處。在工程運用過程中，建議將以上最大受力部位進行加固處理，以提升圍欄網(wǎng)衣抗破壞能力。該研究結(jié)果可為圍欄實際工程建設(shè)和維護階段提供技術(shù)支撐。

水產(chǎn)養(yǎng)殖；模型；力學性能；網(wǎng)衣；波流復合工況

0 引 言

圍欄養(yǎng)殖工程，因其有養(yǎng)殖面積大、養(yǎng)殖對象品質(zhì)更近生態(tài)等諸多優(yōu)點備受養(yǎng)殖企業(yè)青睞[1]。起初在池塘、湖泊、沿海灘涂用毛竹插入泥沙底部的方式進行養(yǎng)殖[2]，然后由內(nèi)海向優(yōu)質(zhì)水體的外海推進，出現(xiàn)浮繩式、圍欄等結(jié)構(gòu)形式。但是目前所有的圍欄養(yǎng)殖中都存在不同程度的網(wǎng)衣破壞，無論是在網(wǎng)衣強度設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計，還是后期維護階段，圍欄網(wǎng)衣設(shè)施安全性能評估成為當今研究熱點。

樁柱和網(wǎng)衣是圍欄養(yǎng)殖工程的兩個核心構(gòu)成單元。樁柱一般可參照《港口工程樁基規(guī)范》[3]或《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[4]進行設(shè)計和建造。圍欄養(yǎng)殖工程的建造是在深水抗風浪網(wǎng)箱投入應(yīng)用之后，最近10年迅速發(fā)展的水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)，抗風浪網(wǎng)箱網(wǎng)衣的研究發(fā)展為圍欄養(yǎng)殖工程網(wǎng)衣提供了方法和手段。最初的研究以試驗[5]為主，后又引入數(shù)值模擬的方法[6-9]，建立了通用的網(wǎng)箱的數(shù)值模擬方法和程序[10-14]，并被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)箱浮架、網(wǎng)衣、錨碇等系統(tǒng)的水動力特性研究。

圍欄養(yǎng)殖工程和浮繩式圍網(wǎng)都是圈圍一定量的海面，上至海面、下至海底，但是在結(jié)構(gòu)形式上，浮繩式圍網(wǎng)采用浮球支撐網(wǎng)的重力，圍欄則是利用樁柱固定網(wǎng)衣，在支撐網(wǎng)衣上存在一定的不同。葉衛(wèi)富[15]通過模型水槽試驗對浮繩式圍網(wǎng)進行了研究，初步得到圍網(wǎng)設(shè)施水動力變化規(guī)律，但只研究一個入射方向上的水流和波浪工況，也未對圍網(wǎng)形狀變化進行研究，且僅僅針對框架綱和系泊綱進行研究。崔勇等[16]通過物理試驗和數(shù)值模擬手段，對圍網(wǎng)浮子的最大位移和網(wǎng)衣張力進行研究。徐克品等[17]采用正弦波理論和莫里森方法理論對浮繩式圍網(wǎng)網(wǎng)衣進行研究，得到局部網(wǎng)衣在垂直方向的受力情況。以上均為針對浮繩式圍網(wǎng)進行的研究。針對圍欄網(wǎng)衣水動力研究，桂福坤等[18-19]采用集中質(zhì)量點法建立了網(wǎng)衣的運動響應(yīng)數(shù)學模型，得到固定方式和綱繩直徑、網(wǎng)格形狀對圍欄網(wǎng)衣力學性能的影響，但為了研究方便，將網(wǎng)衣全部放置水底，網(wǎng)衣最高處置于波浪波谷處，即波浪作用于網(wǎng)衣時不露出水面。陳天華等[20-21]采用數(shù)值模擬的手段，分析單因素（波高、流速）對網(wǎng)衣的影響，這里需要指出其是針對四邊加綱繩形式的單元網(wǎng)衣進行研究，且也為了研究方便網(wǎng)衣全部置于水底。楊熙等[22]研究了波浪載荷作用下網(wǎng)片出水和完全淹沒條件的水動力特性，分析得出網(wǎng)衣出水與不出水在受力、位移等方面存在較大差異，其研究也是單因素波高對網(wǎng)衣的影響。

綜上所述，以上研究均存在工況單一等問題，均未考慮波流復合工況及其入射角度對其的影響。該研究針對波流復合工況（波高+流速），結(jié)合不同入射角對圍欄網(wǎng)衣力學性能進行系統(tǒng)的研究。并以實際工程圍欄網(wǎng)衣為研究對象，以確定圍欄網(wǎng)衣的最大受力、最大偏移、系縛點最大受力，為圍欄設(shè)計安裝以及后期維護等提供技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 圍欄養(yǎng)殖工程原模型

該研究以實際工程浙江省鹿西島圍欄網(wǎng)衣布置為研究背景（圖1）。該圍欄養(yǎng)殖工程主要由樁柱、網(wǎng)衣、系網(wǎng)桿、抱箍等組成，其特點是長方形網(wǎng)衣固定在系網(wǎng)桿上，系網(wǎng)桿通過抱箍固定在樁柱上。網(wǎng)衣縱向有4根間隔1.2～1.5 m豎綱繩固定，其中左右兩端為了防止養(yǎng)殖魚類的逃逸，通過固定繩固定在系網(wǎng)桿上。網(wǎng)衣橫向根據(jù)水深分布每隔1 m左右布置一根綱繩，上方通過固定繩固定。為了防止養(yǎng)殖魚類從網(wǎng)衣底部逃逸，將鐵鏈加裝在底部綱繩上并嵌入海底。

1.樁柱 2.抱箍 3.系網(wǎng)桿 4.網(wǎng)線 5.豎向綱繩 6.橫向綱繩 7.系縛點 8.鐵鏈 9.固定繩

1.2 數(shù)值模擬方法

圍欄網(wǎng)衣的綱繩和網(wǎng)線屬于柔性結(jié)構(gòu)物，具有小尺度、多自由度、大變形的特點，所以采用集中質(zhì)量點的方法[24]進行模擬。通過計算集中質(zhì)量點在波浪和邊界條件下的運動，來確定網(wǎng)衣的變形，進而確定網(wǎng)衣的運動。網(wǎng)線和綱繩的集中質(zhì)量點分別設(shè)于網(wǎng)目目腳的兩端和綱繩與網(wǎng)線結(jié)節(jié)接觸處，該研究集中質(zhì)量點的計算主要分為4類（圖2a）。以1號結(jié)節(jié)處集中質(zhì)量點為例，網(wǎng)衣集中質(zhì)量點受力主要包括：重力、浮力、張力、波浪力（速度力和慣性力）。1號結(jié)節(jié)處所受重力和浮力由一個結(jié)節(jié)、兩個目腳、一根橫綱和一根豎綱提供（圖2b），其受力分析如圖2c所示。

注：B為集中質(zhì)量點的浮力，N；W為集中質(zhì)量點的重力，N；FD、FI分別表示集中質(zhì)量點的速度力和慣性力，N；T1、T2、T3、T4為綱繩作用于結(jié)節(jié)的張力，N；T5、T6、T7、T8為網(wǎng)線作用在結(jié)節(jié)上的張力，N；1～4為網(wǎng)衣的4類集中質(zhì)量點。

集中質(zhì)量點張力其主要計算式[23-24]如下：

式中為此段網(wǎng)線（或綱繩）直徑，m；0為網(wǎng)線原始長度，m；為變形后的長度，m；(x,y,z)、(x,y,z)分別表示該集中質(zhì)量點的初始位置和移動后的坐標，m；1、2為構(gòu)件材料彈性系數(shù)；

網(wǎng)衣運動主要由波浪力提供，波浪力的計算可以采用莫里森方程[25]進行計算。根據(jù)網(wǎng)衣的結(jié)構(gòu)特點，網(wǎng)線的目腳和綱繩兩端集中質(zhì)量點為圓球，圓球在各個方向的投影面積相等，故水動力系數(shù)取恒定值。網(wǎng)線的目腳和綱繩假設(shè)為圓柱體桿件，桿件在運動過程各個方向投影有差別，故需要考慮波浪入射方向與網(wǎng)線夾角之間的關(guān)系，故需在目腳和綱繩上建立局部坐標系（，，），由于目腳和綱繩的非結(jié)節(jié)處波浪力計算相同，取綱繩的一段，受力分析如圖3所示。

注：τ軸方向為沿綱繩方向，ξ軸在τ軸和水質(zhì)點相對速度組成的平面內(nèi)與τ軸垂直，η軸與ξ軸和水質(zhì)點組成的平面互相垂直；V為波流共同作用的水質(zhì)點速度，m?s-1；q為波流入射方向與y軸的夾角，（°）；其他變量含義與圖2相同。

該段綱繩在波流復合工況下波浪力主要計算式[25]如下：

波浪水質(zhì)點速度的主要速度勢計算式[25]如下：

式中表示水質(zhì)點速度勢；表示波速，m/s；表示波浪波數(shù)；表示波浪角頻率，rad/s；表示集中質(zhì)量點深度（z方向）的相對位置，m；表示水深，m；表示集中質(zhì)量點在方向的位置，m；表示水質(zhì)點運動的時間，s；表示由（波高）與?決定的參數(shù)；表示波長，m；123表示式（5）累積項F，N。

在整體坐標系下將各集中質(zhì)量點所包含的結(jié)節(jié)和目腳的受力進行累加，并將其分配到集中質(zhì)量點上，然后利用牛頓第二定律建立集中質(zhì)量點運動方程：

式中、Δ分別表示各集中質(zhì)量點的質(zhì)量和附加質(zhì)量，kg；表示集中質(zhì)量點的加速度，m/s2。

利用Fortran軟件進行程序編寫，給定網(wǎng)衣的初始狀態(tài)，計算各個Δ時間，網(wǎng)衣質(zhì)點運動的位移、速度和加速度等，最后利用MATLAB軟件對結(jié)果進行可視化分析。

1.3 模型驗證

為了驗證網(wǎng)衣數(shù)學模型的正確性和有效性，在浙江海洋大學拖曳力水槽進行驗證性試驗，具體試驗過程同文獻[20]和[23]。拖曳力水槽長度130 m、寬度6 m、深度3.44 m。本試驗中網(wǎng)衣的材料采用聚乙烯（PE）材質(zhì)，網(wǎng)的尺寸0.64 m′0.20 m。試驗水深0.7 m，波浪周期在1.6 s，由于造波機最大波高0.35 m，圖4給出波高0.05～0.25 m網(wǎng)衣最大水平波浪力的計算結(jié)果?？傻镁W(wǎng)衣水平波浪力最大值的模擬值與試驗值誤差在4.9%，說明該研究數(shù)值模擬計算的結(jié)果可真實反映網(wǎng)衣受力特性。

1.4 計算參數(shù)及試驗設(shè)計

實際工程結(jié)構(gòu)中，圍欄網(wǎng)衣有成千上萬個網(wǎng)目，計算機難以處理眾多網(wǎng)目單元形成的計算矩陣，所以采用網(wǎng)目群化的方法。計算原始網(wǎng)目數(shù)為13 824，采用“8×8網(wǎng)目群化”方法[26-27]，群化后網(wǎng)目數(shù)為216。圍欄網(wǎng)衣尺寸：3.80 m×5.76 m，由從上而下5根橫向綱繩，從左至右4根豎向綱繩和網(wǎng)線組成，水平縮結(jié)系數(shù)0.66，垂直縮結(jié)系數(shù)0.75，采用材料具體的參數(shù)如表1所示。結(jié)節(jié)水動力參數(shù)[28-29]?。?i>C=1.45，C=0.50；網(wǎng)線水動力參數(shù)取：C=1.45，C=1.45，C=1.45；C=0.20，C=0.20，C=0.20。網(wǎng)衣的運動狀態(tài)是三維的，z方向為網(wǎng)衣集中質(zhì)量點位置信息，運動方向為z方向，初始狀態(tài)下，軸的坐標為0，將網(wǎng)衣露出水面0.5 m，如圖5所示。該研究通過比較波面水質(zhì)點位置()與網(wǎng)衣集中質(zhì)量點的位置()[30]判斷網(wǎng)衣是否出水。當時，水質(zhì)點的速度和加速度都為0；當時，運用式（5）的速度勢公式計算水質(zhì)點速度和加速度。根據(jù)道式波級[31]，波高分為十個等級，在中國近海有效波高4.0 m以上就定義為災(zāi)害性波浪，所以設(shè)計波高4、5、6 m，流速1.0 m/s，根據(jù)圍欄養(yǎng)殖工程建設(shè)的位置，將圍欄可能面臨的海浪拍打方向即入射角（式4）分為0°、10°、40°、60°、80°，組合共設(shè)計15組組合工況。波浪和流速同向，其中0°代表波浪垂直拍打圍欄網(wǎng)衣。

圖4 網(wǎng)衣最大水平波浪力試驗裝置及模擬值和試驗值對比

表1 網(wǎng)衣參數(shù)

圖5 網(wǎng)衣運動的初始狀態(tài)

該研究主要通過數(shù)值模擬的方法，針對圍欄網(wǎng)衣水動力特性的4個方面展開研究：1）研究圍欄網(wǎng)衣綱繩和網(wǎng)線的最大受力；2）研究圍欄網(wǎng)衣的最大偏移量（最大偏移量是指網(wǎng)衣變形后結(jié)節(jié)到網(wǎng)衣初始平面的最大距離）；3）研究圍欄網(wǎng)衣網(wǎng)線的受力。4）研究圍欄網(wǎng)衣系縛點的受力。

2 結(jié)果與分析

2.1 入射角度對圍欄網(wǎng)衣最大受力的影響

波高4 m、流速1.0 m/s、入射角0°、10°、40°、60°、80°時，網(wǎng)衣的受力如圖6所示。從圖中可以直接看出隨著入射角的增加，網(wǎng)衣的受力是逐漸減小的。入射角0°時，綱繩和網(wǎng)線受力最大；入射角80°時，綱繩和網(wǎng)線受力最小。波流復合工況下入射角0°時，圍欄網(wǎng)衣受力比較均勻，受力成對稱分布，隨著角度轉(zhuǎn)變圍欄網(wǎng)衣右側(cè)區(qū)域（圖中紅色虛線矩形框）網(wǎng)衣的綱繩和網(wǎng)線受力要明顯大于左側(cè)（圖中黑色虛線矩形框）。為了對比左右兩端網(wǎng)衣受力隨入射角變化情況，研究取由上而下第二根和第三根左右兩端橫向綱繩受力進行對比。研究結(jié)果表明波流復合工況入射角度0°時，網(wǎng)衣左右兩邊綱繩受力相等。隨著入射角度的轉(zhuǎn)變，圍欄網(wǎng)衣受力向右側(cè)傾斜。波流復合工況入射角度10°時，右側(cè)綱繩受力要比左側(cè)綱繩受力大27.04%；波流復合工況入射角度40°時，右側(cè)綱繩受力比左側(cè)綱繩受力大42.44%；波流復合工況入射角度60°時，右側(cè)綱繩受力比左側(cè)綱繩受力大86.01%；波流復合工況下入射角度80°時，右側(cè)綱繩受力比左側(cè)綱繩受力大92.15%。

注：紅色實線矩形框為綱繩最大受力處，黑色實線橢圓框為網(wǎng)線最大受力處，紅色虛線框為右側(cè)網(wǎng)衣區(qū)域，黑色虛線框為左側(cè)網(wǎng)衣區(qū)域。

在工程建造和實際運用中，一方面，在網(wǎng)衣設(shè)計制造時，網(wǎng)衣受力最大處需要采用特殊材料或者加固處理；另一方面，在復合惡劣工況結(jié)束后，最大受力處的綱繩和網(wǎng)線需要進行重點檢查，以防養(yǎng)殖魚類的逃逸。圖7為圍欄網(wǎng)衣在不同波高時的綱繩和網(wǎng)線最大受力隨入射角的變化，從最大受力數(shù)值上看，綱繩最大受力在入射角0°～40°時，斜率變化是平穩(wěn)的，受力逐漸減小。但在入射角40°～80°綱繩受力減小速率加快。網(wǎng)線最大受力在入射角10°～60°時，網(wǎng)線最大受力下降速率較快?？傮w上看，波流復合工況下正向拍打網(wǎng)衣，網(wǎng)衣承受受力最大。隨著入射角的增大，波流共同作用的于網(wǎng)衣的水質(zhì)點速度在降低，綱繩和網(wǎng)線最大受力減小，角度的變化本質(zhì)上共同作用的水質(zhì)點速度在變化。綜合綱繩和網(wǎng)線受力下降速率，網(wǎng)衣的綱繩和網(wǎng)線受力在入射角40°～60°變化時，受力下降速率較快。

注：實線為綱繩受力，虛線為網(wǎng)線受力。

2.2 入射角度對圍欄網(wǎng)衣最大偏移量的影響

圖8為波流復合工況下，圍欄網(wǎng)衣在不同入射角下的最大偏移圖。從圖中可以看出隨著入射角的增加，網(wǎng)衣運動變形的形狀從大的半橢圓慢慢變小，沿方向運動最大偏移量的值會逐漸減小。最大偏移的位置是跟隨入射角的位置變化。圖9給出網(wǎng)衣最大偏移數(shù)值隨入射角的變化情況。從圖中可以看出入射角在0°～40°時，圍欄網(wǎng)衣最大偏移是等比例減小的。入射角在40°～80°時，圍欄網(wǎng)衣最大偏移量減小速率加快，也間接反映網(wǎng)衣最大受力值較小。入射角度相同的情況下，隨著波高的增加圍欄網(wǎng)衣的最大偏移量也越大。入射角的改變對網(wǎng)衣偏移的影響很大，同等波高條件下，入射角從0°轉(zhuǎn)到40°、80°時最大偏移量分別降低了16.01%、58.40%。從偏移量變化的數(shù)值上看，網(wǎng)衣在入射角40°～80°時，對網(wǎng)衣最大偏移量影響較大。

圖8 波流不同入射角下的圍欄網(wǎng)衣最大偏移量圖

圖9 不同波高時圍欄網(wǎng)衣最大偏移值隨入射角的變化

2.3 入射角度對圍欄網(wǎng)衣網(wǎng)線受力的影響

研究結(jié)果表明由上而下前3根橫向綱繩之間區(qū)域的網(wǎng)線受力要遠遠大于下而上后3根橫向綱繩之間區(qū)域的網(wǎng)線受力，為了進一步研究該區(qū)域的網(wǎng)線受力，將前3根橫向綱繩和4根豎向綱繩將網(wǎng)衣網(wǎng)線劃分成6個區(qū)域，將網(wǎng)線的目腳按順時針編號目腳1～4，如圖10所示。結(jié)合圖5網(wǎng)衣受力分布，波流入射角0°時，A1、A3和A4、A6區(qū)域網(wǎng)線受力沿中軸線對稱。研究結(jié)果表明A1、A4區(qū)域中，目腳2和3的受力是遠遠大于目腳1和4；在A3、A6區(qū)域中，目腳1和4的受力是遠遠大于目腳2和3，其正好和A1、A3區(qū)域相反。中間部位A2、A5區(qū)域，目腳1、2、3、4的受力幾乎相等。當波流復合工況入射角度10°時，網(wǎng)衣網(wǎng)線受力幾乎和入射角0°相似。但入射角度40°、60°、80°時，A3、A6區(qū)域受力要大于其他區(qū)域網(wǎng)線受力。并且在這兩個區(qū)域網(wǎng)線的目腳1和4承受較大受力。

注：A1～A6為網(wǎng)衣劃分的6個區(qū)域；1～4為目腳編號。

2.4 入射角度對圍欄網(wǎng)衣系縛點受力的影響

波流復合工況下，波高的改變，只會改變系縛點的受力數(shù)值大小。入射角度的改變會改變系縛點的受力部位。在入射角0°時，圍欄網(wǎng)衣系縛點受力成對稱分布，網(wǎng)衣承受的波浪力主要由系縛點P1～P6承擔（圖11），其中系縛點P2、P5的受力最大。當入射角度的增大，系縛點P4、P5受力較大。以P2、P5系縛點為例，在入射角0°時，左右兩邊系縛點受力大小相同；在入射角10°時，P5受力比P2受力大22.62%；在入射角40°時，P5受力比P2受力大36.43%；在入射角60°和80°時，P5受力比P2受力分別大76.28%和97.99%。此外，也進一步說明入射角從40°到60°變化后，網(wǎng)衣受力下降速率快。

研究結(jié)果表明系縛點受力要大于綱繩和網(wǎng)線受力，需要在建設(shè)過程中仔細觀察系縛點是否固定好；在復合惡劣工況結(jié)束后需對各個系縛點進行重點檢查和加固，需重點關(guān)注系縛點P1、P2、P4、P5。

a. 圍欄網(wǎng)衣系縛點a. The joint points of net of net enclosureb. 系縛點最大受力b. The maximum force magnitude of joint points

3 討 論

實際海況往往是波浪、水流以及不確定其入射方向的復雜環(huán)境，浪大流急是圍欄網(wǎng)衣所要面臨的重要環(huán)境荷載。與以往文章研究不同的是：以往文章僅考慮單因素（波高或流速）工況對圍欄網(wǎng)衣的影響，該研究針對波流復合（波高+流速）工況及其入射角對網(wǎng)衣展開系統(tǒng)的研究。

對比波流復合工況和單因素（流速）工況[21]，以流速1.0 m/s，入射角度0°為例。單因素流速與波流載荷變化顯著不同的是：單因素流速作用下根據(jù)式（4）u為定值、=0，僅存在速度力在各個深度也相同；在靜水面下綱繩和網(wǎng)線都呈現(xiàn)出相同的力學特性，水流作用于網(wǎng)衣具有整體性的特點，不會隨著水深的增加而能量降低。1）從綱繩和網(wǎng)線的最大受力角度看：首先從最大受力的數(shù)值來看，波流復合工況下綱繩和網(wǎng)線最大受力的數(shù)值比單因素工況綱繩和網(wǎng)線受力分別大85.42%和41.30%左右；其次綱繩和網(wǎng)線的最大受力部位發(fā)生改變，單因素工況下綱繩和網(wǎng)線最大部位分別出現(xiàn)在上下緣綱和網(wǎng)片上下端兩側(cè)位置，由于受力均勻，網(wǎng)衣的綱繩還是網(wǎng)線受力幾乎對稱；波流復合工況情況與上同，不在贅述。2）從網(wǎng)衣網(wǎng)線最大偏移量的角度看：首先從數(shù)值來看，在最大位移上波流復合工況位移相對于單因素工況位移幾乎相同；網(wǎng)衣的最大偏移量的位置也發(fā)生改變，單因素工況最大位移出現(xiàn)在網(wǎng)片偏上和偏下兩個位置。3）從系縛點受力的角度來看：首先從受力的數(shù)值來看，波流復合工況系縛點的最大受力在同等條件下大81.20%左右；且最大系縛點受力的部位也發(fā)生改變，單因素工況最大受力出現(xiàn)在上下緣綱左右兩端。

在圍欄養(yǎng)殖工程中，圍欄網(wǎng)衣在結(jié)構(gòu)、尺寸、大小等有所區(qū)別，但是該研究針對縫邊式圍欄網(wǎng)衣力學特性進行了深入研究，可以為圍欄網(wǎng)衣設(shè)計、加固、以及后期維護等提供可靠依據(jù)。下一步將研究圍欄網(wǎng)衣破壞機理與設(shè)計理論的研究，以期更加科學的指導生產(chǎn)實踐。

4 結(jié) 論

該研究針對縫邊式圍欄養(yǎng)殖設(shè)施中的網(wǎng)衣系統(tǒng)在波流復合工況下的水動力特性進行了分析，獲得圍欄網(wǎng)衣在波流復合工況下各力學及偏移參數(shù)，得到以下結(jié)論：

1）圍欄網(wǎng)衣受力是隨波流復合工況入射角度的增加逐漸減小的，入射角度0°時，網(wǎng)衣受力最大，隨入射角度的增大受力越來越小。除入射角度0°外，圍欄網(wǎng)衣受力向右側(cè)傾斜，入射角度10°時，右側(cè)網(wǎng)衣比左側(cè)大27.04%；入射角度80°時，右側(cè)網(wǎng)衣比左側(cè)大92.15%。在實際工程運用中，在圍欄網(wǎng)衣建設(shè)過程中需對綱繩和網(wǎng)線最大受力處進行加固或采取特殊材料。

2）在圍欄建設(shè)過程中，輔助設(shè)備的安裝應(yīng)避開網(wǎng)衣的運動，以防發(fā)生摩擦破壞。在波流復合工況入射方向0°～40°時，圍欄網(wǎng)衣最大偏移量下降速率相同，入射方向40°～80°時圍欄網(wǎng)衣偏移量下降速率增大。

3）波流復合工況下，上半部分綱繩（由上而下前三根橫向綱繩）之間的網(wǎng)線受力要大于其他綱繩之間區(qū)域網(wǎng)線受力且左右兩側(cè)區(qū)域網(wǎng)線受力最大。

4）研究結(jié)果表明波流復合工況下，系縛點最大受力從開始的入射角0°時兩側(cè)受力相同，隨著入射角度的增大，右側(cè)系縛點受力要大于左側(cè)。入射角在40°～80°變化時，左側(cè)系縛點受力顯著小于右側(cè)系縛點受力。在實際工程建設(shè)過程中，需要仔細觀察系縛點是否固定好。

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Hydrodynamic characteristics of the net of seam-edge type net enclosure under the combined wave-current loads

Wang Shun, Feng Dejun, Gui Fukun※

(,,316022,)

Net enclosure aquacultureis one of the most important ways for farming fish and economic animals.Among them, nets, piles, ropes and iron chains can be used to delineate a certain water column in the shallow seas. More than 10 net enclosure facilities have been built across the countryfrom the Shandong to Guangdong Province in China in recent years.However, only a few studies have been focused on the hydrodynamic performance of net enclosure aquaculture and emerging marine aquaculture facilities. The net enclosure facilities are still in the early stages. It is also lacking under the extreme ocean load resistance of aquaculture engineering structures. In addition, there is no such structural design theory or standard specifications for the net enclosure design and installation, particularly on the safety assessment. In this study, a net enclosure aquaculture facility was numerically investigated using the lumped mass model. A Newton’s second-law-based motion equation was then solved using Euler’s method. Finally, the MATLAB platform was used to visualize the calculations.The results showed that the maximum force of ropes was found in the second horizontal rope and the third horizontal rope under the still water level. Furthermore, the maximum forces of ropes and net twine were get the wave-current directions of 0°, 10°, 40°, 60°, and 80°, respectively, when the wave and current were 4 m, and 1.0 m/s, respectively. The force on the netting was tilted to the right (incident direction), as the incident angle was changed gradually. As such, the force on the right side of the rope was much greater than that left side. The maximum force on the right side of the horizontal rope was 27.04% higher than that on the left side at the wave-current incident direction of 10°. Moreover, the maximum forces on the right side were 42.44%, 86.01% and 92.15% higher than that on the left side in the wave-current incident direction of 40°, 60? and 80°, respectively. The maximum displacementof the net decreased greatly, as the incident angles increased and the maximum positions of the net moved to the left. The force of the net significantly increased with the waves. The load of the entire net was mainly from the top half of the net. The main force of the net twines was distributed in the six areas that were divided by the first three horizontal ropes and the two vertical ropes. The maximum force on the net twines occurs at the position on both sides above the second horizontal rope under the water surface. The force of net twines on the right side of the rope was greater than that on the left side, with the change of the incident direction. The maximum force decreased rapidly at the incident angle of 40°-80° under the combined wave-current conditions.The maximum force of joint points appeared at positions 1, 2, 3, and 4. The numerical simulation was then performed on the net of the seam-edge type net enclosure aquaculture facility in use. The force distribution and deformation were achieved in the seam-edge type net enclosure. The finding can provide the theoretical basis for the design, installation, and reinforcement of aquaculture facilities. In addition, it was necessary to focus on the inspection and reinforcement after the event of extremely bad weather.

aquaculture; models; mechanics properties; net; wave-current conditions

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.19.007

S954.1

A

1002-6819(2022)-19-0060-09

王順，馮德軍，桂福坤. 波流復合工況下縫邊式圍欄網(wǎng)衣水動力特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2022，38(19)：60-68.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.19.007 http://www.tcsae.org

Wang Shun, Feng Dejun, Gui Fukun. Hydrodynamic characteristics of the net of seam-edge type net enclosure under the combined wave-current loads[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(19): 60-68. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.19.007 http://www.tcsae.org

2022-06-17

2022-09-29

國家重點研發(fā)計劃項目（2019YFD0900902）；國家自然科學基金項目（32002441）

王順，研究方向為海洋養(yǎng)殖工程裝備技術(shù)。Email：1622426519@qq.com

桂福坤，博士，教授，博士生導師，研究方向為海洋養(yǎng)殖工程裝備技術(shù)。Email：gui2237@163.com.