基于SIMA的重力式網(wǎng)箱阻力性能計(jì)算

聶雪軍 張恒 劉強(qiáng) 楊靚 田超

[1 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(湛江)，廣東湛江 524000；2 武昌船舶重工集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430060；3 中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇無(wú)錫 214082]

走向深遠(yuǎn)海是漁業(yè)養(yǎng)殖模式發(fā)展的必然趨勢(shì)，大型深遠(yuǎn)海漁業(yè)養(yǎng)殖裝備是近幾年海洋工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其中，網(wǎng)衣系統(tǒng)是漁業(yè)養(yǎng)殖裝備的重要組成部分，主要用于維護(hù)養(yǎng)殖空間、防止魚(yú)類(lèi)逃逸及防止敵害侵襲。網(wǎng)衣系統(tǒng)的阻力性能預(yù)報(bào)能為設(shè)計(jì)最佳網(wǎng)衣系統(tǒng)方案提供技術(shù)支撐。本文選擇一型具有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的重力式網(wǎng)箱，通過(guò)采用可靠的分析方法對(duì)其進(jìn)行阻力性能預(yù)報(bào)，以期為后續(xù)平臺(tái)網(wǎng)衣系統(tǒng)的阻力性能仿真打下良好基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)網(wǎng)箱阻力性能計(jì)算已有豐富的研究成果。國(guó)外對(duì)深水網(wǎng)箱水動(dòng)力特性的研究已有30年的發(fā)展歷程，其中挪威、美國(guó)、日本、俄羅斯等國(guó)的網(wǎng)箱工程技術(shù)水平處于世界領(lǐng)先行列。Gosz等[1]采用簡(jiǎn)單桿件單元結(jié)合改進(jìn)的拉格朗日公式求解大變形和轉(zhuǎn)動(dòng)問(wèn)題，對(duì)潛式網(wǎng)箱系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值研究。Tsukrov等[2]采用等效網(wǎng)單元模型對(duì)網(wǎng)衣系統(tǒng)進(jìn)行等效合并，然后通過(guò)有限元方法求解網(wǎng)衣運(yùn)動(dòng)方程，并將研究成果成功應(yīng)用于張力腿網(wǎng)箱的數(shù)值計(jì)算中。Fredheim等[3-5]采用有限元方法對(duì)三維錐形網(wǎng)衣在水流條件下的特性進(jìn)行了研究，結(jié)合相關(guān)模型試驗(yàn)結(jié)果，討論了網(wǎng)目目腳和結(jié)節(jié)水阻力系數(shù)的取值范圍。Enerhaug等[6]和Paschen等[7]通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對(duì)網(wǎng)狀和實(shí)體錐形結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，討論了錐形結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的影響。Marichal[8]對(duì)拖網(wǎng)在水流作用下的形狀特性進(jìn)行了數(shù)值研究，其采用的方法為有限差分法。Lader等[9-10]對(duì)圓形三維網(wǎng)衣系統(tǒng)在波浪和水流條件下的計(jì)算模型進(jìn)行了討論，將網(wǎng)衣離散成一種超單元(super-element)結(jié)構(gòu)，并假設(shè)作用于單元結(jié)構(gòu)上的速度力起主導(dǎo)作用。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者也積極開(kāi)展深海網(wǎng)箱水動(dòng)力性能的研究工作，主要包括網(wǎng)衣的模型試驗(yàn)相似準(zhǔn)則研究、網(wǎng)衣水阻力系數(shù)研究和網(wǎng)衣在波流作用下的動(dòng)力特性研究等。李玉成等[11]采用物理試驗(yàn)與數(shù)值模擬相互結(jié)合的方法，研究了不同布置方式下有結(jié)節(jié)及無(wú)結(jié)節(jié)網(wǎng)衣阻力系數(shù)的變化規(guī)律。董國(guó)海等[12]研究了波流同向以及波流逆向重力式網(wǎng)箱的受力特性。桂福坤[13]系統(tǒng)闡述了網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)方法，模型試驗(yàn)所用相似準(zhǔn)則的推導(dǎo)和選取辦法以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法。趙云鵬[14]通過(guò)集中質(zhì)量法對(duì)波流作用下網(wǎng)衣的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果相差較小。許條建[15]研究了不規(guī)則波作用下網(wǎng)箱的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題。

本文采用一種先進(jìn)的非線性有限元方法對(duì)一型重力式網(wǎng)箱進(jìn)行阻力性能預(yù)報(bào)，并將預(yù)報(bào)結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，表明所用計(jì)算方法具有一定可靠性。通過(guò)掌握該網(wǎng)衣水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)技術(shù)，可提升我國(guó)漁業(yè)養(yǎng)殖裝備的設(shè)計(jì)水平，為增強(qiáng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力、搶占漁業(yè)裝備市場(chǎng)制高點(diǎn)提供技術(shù)支撐。

1 計(jì)算原理簡(jiǎn)介

SIMA軟件是一款針對(duì)海洋工程領(lǐng)域的建模和分析工具，軟件中小尺度構(gòu)件的水動(dòng)力載荷采用Morison方程計(jì)算，構(gòu)件所受水平方向的水動(dòng)力分為水平拖曳力和水平慣性力兩個(gè)部分，表達(dá)式如下：

(1)

式(1)中，F(xiàn)D為水平拖曳力，F(xiàn)I為水平慣性力，CD為阻力系數(shù)，ρ為流體密度，D為構(gòu)件直徑，ux為波流場(chǎng)水平遭遇速度，CM為慣性力系數(shù)，CM=1+Cm，Cm為附加質(zhì)量力系數(shù)。

SIMA中網(wǎng)衣的水動(dòng)力載荷模型采用Screen model，根據(jù)Loland公式可知，作用在網(wǎng)片上的平均阻力和升力計(jì)算式如下：

(2)

(3)

式(2)～(3)中，Cd為網(wǎng)片阻力系數(shù)，Cl為網(wǎng)片升力系數(shù)，A為網(wǎng)片面積，U為網(wǎng)片與水流之間的相對(duì)速度。

(4)

(5)

式(4)～(5)中，Sn為網(wǎng)片密實(shí)度，θ為網(wǎng)片法線與水流方向的夾角(又稱(chēng)為攻角)。

對(duì)于無(wú)結(jié)網(wǎng)衣，Sn通過(guò)下式計(jì)算：

(6)

式(6)中，d為網(wǎng)線直徑，λ為網(wǎng)目邊長(zhǎng)。

流體通過(guò)網(wǎng)衣的速度衰減通過(guò)下式計(jì)算：

u=rU

(7)

式(7)中，u為通過(guò)網(wǎng)片后的流速，r為縮減因子，可按經(jīng)驗(yàn)公式r=1-0.46Cd取值，U為來(lái)流速度。

基于非線性有限元的動(dòng)態(tài)平衡方程可表示為：

(8)

2 圓柱形重力式網(wǎng)箱阻力性能計(jì)算

為驗(yàn)證SIMA軟件計(jì)算傳統(tǒng)網(wǎng)箱水動(dòng)力的精度，選取文獻(xiàn)[16]中的圓柱形重力式網(wǎng)箱作為研究對(duì)象，首先建立該網(wǎng)箱的實(shí)尺度模型，然后根據(jù)該文獻(xiàn)中提供的試驗(yàn)方案分別進(jìn)行仿真計(jì)算(為保證文章結(jié)構(gòu)的相對(duì)完整性，部分未提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)的方案也作了仿真預(yù)報(bào))，最后將計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

2.1 網(wǎng)箱概況及數(shù)值建模

網(wǎng)箱為圓柱形重力式無(wú)底網(wǎng)網(wǎng)箱，主要由浮管框架、網(wǎng)衣、沉子和綱繩組成。模型試驗(yàn)在NTNU(Norwegian University of Science and Technology)的海洋控制試驗(yàn)室完成，阻力性能測(cè)試在拖曳水池進(jìn)行，水池長(zhǎng)度為26.00 m，寬度為6.45 m，水深1.4～1.5 m，模型縮尺比為1∶25，網(wǎng)箱的主要參數(shù)見(jiàn)表1，網(wǎng)衣采用尼龍材料制成。

表1 網(wǎng)箱主要參數(shù)

網(wǎng)箱試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃头抡婺Ｐ偷母┮晥D見(jiàn)圖1，網(wǎng)箱試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃头抡婺Ｐ偷恼晥D見(jiàn)圖2。

圖1 網(wǎng)箱試驗(yàn)?zāi)Ｐ?左)和仿真模型(右)的俯視圖

圖2 網(wǎng)箱試驗(yàn)?zāi)Ｐ?左)和仿真模型的正視圖(右)

為驗(yàn)證仿真計(jì)算方法的預(yù)報(bào)精度，采用基于弗汝德的相似準(zhǔn)則將網(wǎng)箱模型試驗(yàn)結(jié)果換算到實(shí)尺度，計(jì)算式如下：

Fs=γ3×Fm

(9)

式(9)中,Fs為實(shí)尺度網(wǎng)箱阻力值，γ=為縮尺比，F(xiàn)m為模型網(wǎng)箱阻力值。

2.2 僅考慮水流作用

表2 僅考慮水流作用的網(wǎng)箱仿真計(jì)算結(jié)果

2.3 波流聯(lián)合作用

本節(jié)計(jì)算波浪和水流聯(lián)合作用下的網(wǎng)箱阻力性能，考慮到通常情況下波流同向時(shí)網(wǎng)箱受到的阻力最大，因此僅計(jì)算波流同向工況。采用規(guī)則波，波浪周期分別為5 s和7.5 s，波幅1.302 m。在不同波浪周期下，分別計(jì)算水流速度為0.5 m/s和1.0 m/s的波流聯(lián)合作用力。文獻(xiàn)[16]中僅提供了波浪周期5 s、流速1.0 m/s的網(wǎng)箱變形試驗(yàn)結(jié)果。網(wǎng)箱仿真計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。按均勻時(shí)間間隔，在單個(gè)周期各拍攝5張網(wǎng)箱變形圖，同時(shí)給出網(wǎng)箱阻力計(jì)算的收斂圖。

表3 波流聯(lián)合作用的網(wǎng)箱仿真計(jì)算結(jié)果

2.4 仿真計(jì)算誤差分析

通過(guò)對(duì)比圓柱形重力式網(wǎng)箱的阻力性能計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)換算結(jié)果可知，仿真計(jì)算誤差在12.5%以?xún)?nèi)，且計(jì)算網(wǎng)箱變形與試驗(yàn)測(cè)量變形的趨勢(shì)基本一致。造成計(jì)算誤差的不確定因素主要包括：(1)相似準(zhǔn)則的選用；(2)模型和仿真計(jì)算未知輸入?yún)?shù)的設(shè)置，如網(wǎng)衣剛度等。為進(jìn)一步提升網(wǎng)箱阻力性能預(yù)報(bào)精度，還需開(kāi)展大量試驗(yàn)和仿真計(jì)算分析。

3 總結(jié)

本文運(yùn)用基于非線性有限元的SIMA軟件開(kāi)展了網(wǎng)衣阻力性能研究。通過(guò)參考1篇已發(fā)表的關(guān)于網(wǎng)箱水動(dòng)力性能計(jì)算的學(xué)術(shù)論文，針對(duì)論文中的重力式網(wǎng)箱進(jìn)行實(shí)尺度水動(dòng)力性能仿真預(yù)報(bào)，對(duì)比仿真預(yù)報(bào)結(jié)果和通過(guò)相似準(zhǔn)則換算后的模型試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果表明：(1)網(wǎng)箱的阻力性能與網(wǎng)衣密實(shí)度、水流速度和波浪周期等具有強(qiáng)相關(guān)關(guān)系；(2)采用的仿真方法計(jì)算誤差在12.5%以?xún)?nèi)，且計(jì)算網(wǎng)箱變形與試驗(yàn)測(cè)量的變形趨勢(shì)一致。因此，采用的仿真方法可用于指導(dǎo)網(wǎng)箱設(shè)計(jì)及系泊方案分析，也可為后續(xù)深遠(yuǎn)海大型漁業(yè)養(yǎng)殖平臺(tái)網(wǎng)衣的水動(dòng)力計(jì)算提供技術(shù)支撐。