波浪作用下潛降式網(wǎng)箱及錨泊系統(tǒng)水動力特性研究

吳錦濤，崔勇，關(guān)長濤，秦升杰

(1.浙江海洋大學(xué)國家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心，浙江舟山 316022；2.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所，山東青島 266071)

中國從挪威引進(jìn)了圓形雙浮管重力式網(wǎng)箱之后便開始研究抗風(fēng)浪網(wǎng)箱國產(chǎn)化技術(shù)，針對國內(nèi)臺風(fēng)多發(fā)以及開放海域浪大流急等特點，急需研發(fā)能夠適用于中國海區(qū)的潛降式網(wǎng)箱。2002 年，國內(nèi)研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的HDPE 雙浮管升降式深水網(wǎng)箱[1]。目前，離岸網(wǎng)箱養(yǎng)殖采用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式主要為HDPE 深水網(wǎng)箱[2]，并在此基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)。KIM，et al[3]開發(fā)了一種采用空氣控制的自動潛降網(wǎng)箱系統(tǒng)，進(jìn)行了一系列模型試驗，以檢驗網(wǎng)箱的自動潛水特性。由于潛降式網(wǎng)箱主要布設(shè)于開放海域，其在高海況條件下的水動力特性研究具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者運用物理模型試驗和數(shù)值模擬對不同形式的離岸網(wǎng)箱在波流作用下的水動力特性開展了詳細(xì)的研究[4-16]。ZHAO Yunpeng，et al[17]通過物理模型試驗，研究了一個包含8 個網(wǎng)箱的大型漁場的水動力特性。崔勇等[18]設(shè)計了4 組不同網(wǎng)目形狀與網(wǎng)目尺寸的網(wǎng)箱模型，利用粒子測速技術(shù)(PIV)與多普勒流速計(ADV)試驗技術(shù)，分析方形網(wǎng)箱二維流場特性、流速分布及其減速情況。梁家銘等[19]設(shè)計了一種新型網(wǎng)箱浮架系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)雙浮管浮架系統(tǒng)進(jìn)行了分析對比，得到方形網(wǎng)箱與圓形網(wǎng)箱的水動力特性的差異以及各自的優(yōu)缺點。此外，DRACH，et al[20]在北大西洋和南太平洋對剛性和柔性2 種重力式網(wǎng)箱進(jìn)行現(xiàn)場試驗，并對2 種網(wǎng)箱的性能進(jìn)行了相應(yīng)的分析。黃濱等[21]通過海上網(wǎng)箱沉浮試驗和分析，研究了升降網(wǎng)箱下沉的關(guān)鍵技術(shù)。

上述研究針對離岸網(wǎng)箱的浮框受力、運動變形、錨泊系統(tǒng)優(yōu)化等方面進(jìn)行了較為全面的闡述，其中，錨泊系統(tǒng)的穩(wěn)定是在極端海況下確保網(wǎng)箱設(shè)施和養(yǎng)殖對象安全的關(guān)鍵。對于潛降式網(wǎng)箱，錨泊系統(tǒng)主要由浮繩框、系框繩、浮球、錨繩和錨錠組成。目前關(guān)于浮繩框深度與浮球體積對潛降式網(wǎng)箱水動力特性影響的研究還比較少，本文采用物理模型試驗的方法，運用雙尺度模型相似準(zhǔn)則[14]分析波浪作用下HDPE 圓形潛降式網(wǎng)箱的錨繩受力與運動特性，探究浮繩框深度和浮球體積對網(wǎng)箱水動力特性的影響，為潛降式網(wǎng)箱錨泊系統(tǒng)設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

原型采用周長40 m、網(wǎng)高7 m 的HDPE 圓形潛降式網(wǎng)箱，網(wǎng)箱有漂浮和下潛兩個狀態(tài)。在本次模型試驗中，采用雙尺度模型相似準(zhǔn)則模擬網(wǎng)衣系統(tǒng)，網(wǎng)箱的整體尺寸選用大尺度比λ=20，網(wǎng)目大小和網(wǎng)線直徑采用小尺度比λ′=1，并把網(wǎng)箱網(wǎng)衣系統(tǒng)的修正質(zhì)量折算到沉子系統(tǒng)中。

1.1.1 錨泊系統(tǒng)

網(wǎng)箱采用水下八點網(wǎng)格式錨泊系統(tǒng)。在模型中，系泊網(wǎng)格由4 條1.25 m 的浮框繩組成，位于水面以下不同深度。浮繩框通過系框繩與網(wǎng)箱連接。在浮繩框與系框繩的每個節(jié)點上都安裝1 個直徑為8 cm(或10 cm)的浮球，且每個網(wǎng)格節(jié)點處都連接了2 條1.68 m 的錨繩，2 根錨繩呈地面投影垂直。在每條錨繩接近錨鏈處都安裝上拉力傳感器，用于測量錨繩張力(圖1)。

1.1.2 浮架系統(tǒng)

根據(jù)幾何相似準(zhǔn)則，浮架參數(shù)的規(guī)格如表1 所示?；谥亓ο嗨茰?zhǔn)則，原型浮架單位長度的重量為22 kg，相應(yīng)的模型浮架單位長度重量為55 g。原型扶手和立柱單位長度重量為3 kg，相應(yīng)的模型扶手和立柱單位長度重量為7.5 g。在本試驗中，選取單位長度重量為52 g 的PVC 管作為模型浮架的制作材料。選取直徑5.5 mm、單位長度重量為7 g 的PVC 管作為模型扶手和立柱的制作材料。通過調(diào)整連接組件的質(zhì)量來調(diào)節(jié)模型與原型的重量差異。

表1 網(wǎng)箱組件原型和模型規(guī)格Tab.1 Specifications of prototype and model cage

1.1.3 網(wǎng)衣系統(tǒng)

在本次模型試驗中，采用雙尺度模型相似準(zhǔn)則選取原型網(wǎng)衣作為等效網(wǎng)衣。使用等效網(wǎng)衣可保證受到的水流力相同[14]，但使用等效網(wǎng)衣存在重量差，需要對等效網(wǎng)衣的重量進(jìn)行修正以滿足重力相似準(zhǔn)則。試驗中等效網(wǎng)衣使模型網(wǎng)衣的重量增加了15.8 g，為滿足重力相似準(zhǔn)則需要將模型網(wǎng)箱的重量減去15.8 g。

1.1.4 配重系統(tǒng)

原型網(wǎng)箱的配重底圈的重量為502.4 kg，根據(jù)模型大尺度比λ=20，模型網(wǎng)箱的配重為62.8 g，減去等效網(wǎng)衣15.8 g 的質(zhì)量差異，網(wǎng)箱模型試驗配重應(yīng)為47 g，故本次試驗采用直徑62 cm、質(zhì)量47 g 的不銹鋼圈作為配重。

1.2 試驗設(shè)備

本次試驗在大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點實驗室中進(jìn)行。試驗中所用水槽長度為60 m，寬度為4 m，最大水深為2.5 m，工作水深0.2～2.0 m，波浪周期為0.5～5.0 s。

模型網(wǎng)箱的試驗布置示意圖如圖1 所示，網(wǎng)箱采用水下網(wǎng)格式錨泊，試驗水深1.2 m，對應(yīng)于原型水深24 m。模型網(wǎng)箱布置采用右旋三維笛卡爾坐標(biāo)系。在此坐標(biāo)系中，x 為波浪的正方向，y 垂直于水平面上的波浪方向，z 為重力加速度的反方向。

圖1 模型網(wǎng)箱試驗布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of model test

1.3 試驗工況

如表2 所示，本次試驗設(shè)置了9 種波況，波高分別為0.06、0.12 和0.18 m，波浪周期采用1.0～1.8 s。

表2 試驗波浪參數(shù)表Tab.2 Wave conditions in the experiment

在研究浮繩框深度對網(wǎng)箱水動力的影響時，分別考慮網(wǎng)箱漂浮和下潛40 cm 兩種狀態(tài)。網(wǎng)箱在漂浮狀態(tài)下設(shè)置了10 cm(1/12 水深)、20 cm(1/6 水深)和30 cm(1/4 水深)3 種浮繩框深度，分別用U1、U2 和U3 表示。網(wǎng)箱在下潛狀態(tài)下設(shè)置了2 種浮繩框深度，分別為10 cm 和20 cm。如圖2 所示，在下潛狀態(tài)下，網(wǎng)箱的下潛深度為浮球連接浮繩框的錨繩長度和浮架到浮繩框的垂直距離相加。hg代表浮繩框深度，hf代表網(wǎng)箱下潛的深度。網(wǎng)箱下潛時根據(jù)浮繩框深度，通過調(diào)節(jié)系框繩的長度達(dá)到所需要的下潛深度。在研究浮球體積對網(wǎng)箱水動力的影響時，分別考慮網(wǎng)箱漂浮和下潛20 cm 兩種狀態(tài)，浮球直徑選擇8 cm 和10 cm 2種規(guī)格，對應(yīng)的質(zhì)量分別為4.3 g 和8.1 g。

圖2 潛降式網(wǎng)箱漂浮及下潛狀態(tài)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the floating and submerged state

1.4 數(shù)據(jù)分析

在研究錨繩受力時，當(dāng)試驗條件達(dá)到穩(wěn)定后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集時間為40 s，最終的試驗數(shù)據(jù)為對應(yīng)時間段的最大值。由于錨繩及網(wǎng)箱的對稱性，取左右兩側(cè)錨繩的平均受力作為分析對象。

根據(jù)圓形潛降網(wǎng)箱的對稱性，網(wǎng)箱浮架的運動主要分析垂蕩、縱蕩以及縱搖這3 個自由度。在研究網(wǎng)箱浮架運動特性時，使用CCD 高速相機追蹤兩個示蹤點的運動軌跡來代替浮架的運動，利用運動分析軟件分析浮架的運動軌跡[14-15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 浮繩框深度對錨繩受力的影響

如圖3(a)所示，網(wǎng)箱漂浮狀態(tài)下，從總體趨勢來看，錨繩受力隨著浮繩框深度的增大而增大。當(dāng)波高為6 cm時，錨繩受力基本上處在0.1～0.3 N 之間，錨繩力與浮繩框深度無明顯關(guān)聯(lián)。當(dāng)波高18 cm，周期1.8 s 時，浮繩框深度U3 的錨繩受力較浮繩框深度U1 的錨繩受力增大了1.27 N，增大幅度為135%。圖3(b)為網(wǎng)箱下潛狀態(tài)錨繩受力情況，試驗中控制網(wǎng)箱的下潛深度為40 cm。在波高為6 cm 和12 cm 時，由于網(wǎng)箱總體下潛了40 cm，此時的波浪力已產(chǎn)生明顯衰減，對網(wǎng)箱的作用力變小，2 種網(wǎng)格深度的錨繩受力均小于0.1 N，且變化幅度較小。當(dāng)波高為18 cm，周期1.8 s 時，浮繩框深度U2 的錨繩受力較浮繩框深度U1 的錨繩受力增大了0.15 N，增大幅度為88%。網(wǎng)箱下潛時的總體趨勢仍是錨繩受力隨著浮繩框深度的增大而增大。

圖3 漂浮和下潛狀態(tài)下不同浮繩框深度的錨繩受力Fig.3 Mooring line force of different grid depths under floating and submerged state

2.2 浮繩框深度對網(wǎng)箱運動特性的影響

如圖4(a)、(c)、(e)所示，漂浮狀態(tài)下當(dāng)浮繩框深度增加后，網(wǎng)箱在垂直方向上的運動幅度減少。垂蕩值與波高呈正相關(guān)，而與波周期無關(guān)。浮繩框深度U2 和U3 的縱蕩運動值無明顯差別，且在波高12 cm 和18 cm 時，較浮繩框深度U1 縱蕩運動值有所增大，最大增大幅度約為15%。當(dāng)波高為6 cm 時，縱搖運動值的總體變化趨勢為隨浮繩框深度增大而減小，最大減小幅度約為26%；當(dāng)波高為12 cm 和18 cm 時，縱搖值變化幅度較小。如圖4(b)、(d)、(f)所示，下潛狀態(tài)下，浮繩框深度與網(wǎng)箱垂蕩運動無明顯關(guān)聯(lián)，U1 和U2 的垂蕩值均隨著波高和周期的增大而增大。網(wǎng)箱縱蕩運動值均隨浮繩框下潛深度的增大而減小，各個波況下的減小幅度為16%～46%。網(wǎng)箱的縱搖運動值隨浮繩框深度的增大而增大。當(dāng)波高為18 cm，周期1.8 s 時，浮繩框深度U2 的網(wǎng)箱縱搖運動值5.4°較浮繩框U1 的網(wǎng)箱縱搖運動值4.2°增大了1.2°，增大幅度為29%。

圖4 漂浮和下潛狀態(tài)下不同網(wǎng)格深度的網(wǎng)箱運動Fig.4 Cage motion of different grid depths under floating and submerged state

分析浮繩框深度對錨繩受力和網(wǎng)箱運動的影響時可以看出，網(wǎng)箱漂浮與下潛時，錨繩受力及網(wǎng)箱各自由度的運動幅值變化與浮繩框深度的變化并未呈現(xiàn)單一的線性關(guān)系。究其原因可能與系框繩的角度與長度變化亦有關(guān)系。當(dāng)網(wǎng)箱漂浮時，浮框繩的深度增大，系框繩和浮架的夾角變小。當(dāng)網(wǎng)箱下潛時，浮框繩的深度增大，系框繩和浮架的夾角變大。同時，系框繩的長度也隨著浮繩框深度變化而改變。

2.3 浮球體積對錨繩受力的影響

如圖5 所示，2 種狀態(tài)網(wǎng)箱的錨繩受力均隨浮球體積的增大而增大。漂浮狀態(tài)下，其中當(dāng)波高18 cm、周期1.8 s 時，直徑10 cm 浮球所對應(yīng)的錨繩受力較直徑8 cm 浮球所對應(yīng)的錨繩受力增大了130%。對于兩種規(guī)格的浮球，網(wǎng)箱錨繩受力均隨波高的增加而增加，與丁澤祥[22]研究結(jié)果相似。下潛狀態(tài)下，其中在波高12 cm、周期1.2 s 時，直徑10 cm 浮球的錨繩受力較直徑8 cm 浮球的錨繩受力增大幅度為1 200%。

圖5 漂浮和下潛狀態(tài)下不同浮球體積的錨繩受力Fig.5 Mooring line force of different buoy volumes under floating and submerged state

2.4 浮球體積對網(wǎng)箱運動特性的影響

如圖6(a)、(c)、(e)所示，漂浮狀態(tài)下，浮球體積對網(wǎng)箱垂蕩運動和縱搖運動無明顯影響。在波高為6 cm和12 cm 時，總體來看浮球體積的增大使得網(wǎng)箱縱蕩運動值增大。在波高18 cm、周期1.8 s 時，直徑10 cm浮球較直徑8 cm 浮球所對應(yīng)的網(wǎng)箱縱蕩運動值有所減小。如圖6(b)、(d)、(f)所示，下潛狀態(tài)下，浮球體積對網(wǎng)箱垂蕩運動無明顯影響。在波高為6 m 和12 cm 時，浮球體積的增大使得網(wǎng)箱縱蕩運動值增大；在波高18 cm 時，浮球體積對縱蕩運動無明顯影響。網(wǎng)箱的縱搖運動值隨著浮球體積的增大而增大。在同一波高內(nèi)，縱搖運動值與周期無明顯關(guān)聯(lián)。在波高為18 cm 時，直徑8 cm 浮球?qū)?yīng)網(wǎng)箱平均縱搖為4.6°，直徑10 cm浮球平均縱搖8.1°較8 cm 浮球增大了3.5°，增大幅度為76%。

圖6 漂浮和下潛狀態(tài)下不同網(wǎng)格深度的網(wǎng)箱運動Fig.6 Cage motion of different buoy volumes under floating and submerged state

由上可知，增加浮球體積對網(wǎng)箱錨繩受力影響較大，究其原因與浮球體積增大質(zhì)量增大有關(guān)。在波浪作用下，質(zhì)量較大的浮球慣性力也較大。而當(dāng)浮球體積增大時，只有部分網(wǎng)箱自由度的幅值會隨之增加，這可能由于浮球通過浮繩框和系框繩與網(wǎng)箱連接，從而減緩了浮球受力對網(wǎng)箱運動的影響。

3 結(jié)論

本文通過物理模型試驗分析了HDPE 圓形潛降式網(wǎng)箱在波浪作用下的水動力特性，探究浮繩框深度和浮球體積對錨繩受力和網(wǎng)箱運動的影響，得出如下主要結(jié)論：

1)當(dāng)波高和周期一定時，網(wǎng)箱在兩種狀態(tài)下，錨繩張力的總體變化趨勢為隨著浮繩框深度或浮球體積的增加而增加。

2)漂浮狀態(tài)下，浮繩框深度增大時，網(wǎng)箱垂蕩值減小，縱蕩值增大，而縱搖值變化較小；下潛狀態(tài)下，浮繩框深度增加時，網(wǎng)箱垂蕩運動無明顯影響，縱蕩值減小而縱搖值增大。浮繩框深度的改變不能同時對網(wǎng)箱所有自由度均起到減緩的作用。

3)漂浮狀態(tài)下，增加浮球體積對網(wǎng)箱垂蕩運動和縱搖運動無明顯影響，使得網(wǎng)箱縱蕩值增加；下潛狀態(tài)下，增加浮球體積對網(wǎng)箱垂蕩運動無明顯影響，使得網(wǎng)箱縱蕩和縱搖運動值增加。減小浮球體積可降低部分網(wǎng)箱自由度運動幅值。

由此建議，在潛降式網(wǎng)箱錨泊系統(tǒng)設(shè)計中，當(dāng)確定浮繩框深度時，可適當(dāng)減少浮繩框深度來減少錨繩張力，進(jìn)而保證網(wǎng)箱錨泊系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定性。當(dāng)選擇浮球規(guī)格時，在保證浮球可提供足夠浮力情況下，減小浮球體積可降低網(wǎng)箱運動受力的同時節(jié)約成本。