組合鋼架式網(wǎng)箱水動力性能分析

張 婧，孫立文，周 游，施興華

(江蘇科技大學(xué)，船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212028)

中國海岸線長度位居世界第四，海洋養(yǎng)殖資源充足。但受中國海域氣候的影響以及養(yǎng)殖設(shè)施性能的約束，海上養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展不夠充分。提高網(wǎng)箱系統(tǒng)抵御風(fēng)浪流的能力以及研發(fā)新型養(yǎng)殖網(wǎng)箱變得尤為重要[1-4]。

國內(nèi)外對于網(wǎng)箱系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，黃六一等[5]、張本[6]通過對張力腿網(wǎng)箱進(jìn)行水動力特性試驗以及實地考察發(fā)現(xiàn)，張力腿網(wǎng)箱具有好的抗風(fēng)浪性能。單恒年等[7]對重力式網(wǎng)箱進(jìn)行了水動力分析，網(wǎng)箱的連接構(gòu)件數(shù)量增加時，浮架應(yīng)力和變形將會減少。董海國等[8]、隋留洋等[9]和陳昌平等[10]都對重力式網(wǎng)箱的錨繩力進(jìn)行研究，結(jié)果表明波流同向下的錨繩力大于波流逆向，多點系泊時的系泊力峰值大于單點系泊。徐為兵等[11]和崔勇等[12]對蝶形網(wǎng)箱進(jìn)行了多海況下的數(shù)值計算，證明了流速對錨繩張力影響最大，雙層網(wǎng)底網(wǎng)箱的最大錨繩力均大于單層網(wǎng)底網(wǎng)箱。崔江浩[13]、江濤等[14]對網(wǎng)箱進(jìn)行耐流特性研究，不同流速下數(shù)值模擬與試驗結(jié)果相差不大。熊占山等[15]研制出了淡水組合式浮動網(wǎng)箱。劉永利等[16]通過對網(wǎng)箱在橫，縱兩種排布下的模型試驗，驗證了在流速高時，縱向排布方式抗風(fēng)浪性能最好。郭根喜等[17]對高密度聚乙烯圓形網(wǎng)箱錨繩受力實測試驗，驗證了錨繩受力與流速呈正比關(guān)系。趙國正[18]對單體、雙體和四體方形網(wǎng)箱進(jìn)行了水動力分析，結(jié)果表明四體方形網(wǎng)箱運動幅度最小。Decew等[19]用試驗和數(shù)值模擬的方法研究了一種重力網(wǎng)箱的水動力性能，結(jié)果表明錨繩力試驗結(jié)果比數(shù)值模型大。Zhao等[20]通過對箱型和柱形網(wǎng)箱在純波和純流中進(jìn)行仿真，結(jié)果表明柱形網(wǎng)箱比箱型網(wǎng)箱更穩(wěn)定，養(yǎng)殖量更多。Hu等[21]采用ABAQUS研究了2×2組合式網(wǎng)箱系泊系統(tǒng)的運動響應(yīng)，結(jié)果表明雙系泊系統(tǒng)的系泊張力大于正交系泊系統(tǒng)。Xu等[22]通過一系列物理模型試驗驗證了網(wǎng)箱在水面以下時，網(wǎng)箱變形，網(wǎng)線拉力將明顯降低。Myrli等[23]通過流固耦合的方法研究網(wǎng)籠的使用壽命，結(jié)果表明聚氨酯網(wǎng)線能夠延長網(wǎng)籠使用壽命。

組合式網(wǎng)箱能夠滿足產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；陌l(fā)展要求[24]，是海上養(yǎng)殖業(yè)未來的發(fā)展方向。目前，組合式網(wǎng)箱大多數(shù)都采用串聯(lián)式和雙列式[25]，外網(wǎng)箱包圍內(nèi)網(wǎng)箱這種形式的組合網(wǎng)箱在海上養(yǎng)殖中已經(jīng)有所應(yīng)用。在實際應(yīng)用中，鉸接外網(wǎng)箱后的組合鋼架式網(wǎng)箱水動力性能會與鉸接前鋼架式網(wǎng)箱的水動力性能有很大差別。

本研究對組合鋼架式網(wǎng)箱進(jìn)行水動力性能分析，計算各連接系統(tǒng)的受力及網(wǎng)箱的容積剩余率，并與鋼架式網(wǎng)箱的容積剩余率及連接系統(tǒng)受力進(jìn)行對比，為在實際中運用鉸接外網(wǎng)箱擴大養(yǎng)殖空間提供依據(jù)。

1 水動力學(xué)相關(guān)理論

1.1 集中質(zhì)量法

由于網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)線及錨繩都屬于柔性桿件，在進(jìn)行數(shù)值模擬中，采用集中質(zhì)量法[26]進(jìn)行計算，假定網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)由有限無質(zhì)量彈簧連接的集中質(zhì)量構(gòu)成，集中質(zhì)量點在網(wǎng)目的中間和兩端，錨繩離散成多個集中質(zhì)量點與構(gòu)件。

根據(jù)牛頓第二定律，集中質(zhì)量點的運動方程為：

(1)

式中：M為集中質(zhì)量點的質(zhì)量；a為集中質(zhì)量點的加速度；F為集中質(zhì)量點所受水流力；T為網(wǎng)線張力；B為浮力；W為重力。

1.2 Morison方程

一般在計算網(wǎng)衣與錨繩這類細(xì)長桿件水動力荷載時，會忽略自身結(jié)構(gòu)對波浪的影響，本研究應(yīng)用OrcaFlex中拓展后的Morison方程[27]的來計算水動力載荷，方程為：

(2)

式中：f為作用在物體上的單位流體力；Cm=1+C?為慣性力系數(shù)；Δ為排水量；af為水質(zhì)點絕對加速度；ab為物體絕對加速度；Cd為拖曳系數(shù)；vf為水質(zhì)點絕對速度；S為拖曳面積。

1.3 網(wǎng)箱容積剩余率計算

網(wǎng)箱在純流，純波浪和波流工況下，在一段時間內(nèi)的容積剩余率是不斷變化的，最終會達(dá)到穩(wěn)態(tài)，此時容積剩余率會處于恒定的狀態(tài)。本研究計算容積剩余率采用Lader等[28-29]提出的方法。圖1為該方法標(biāo)記點示意圖。如圖1所示，在圓形網(wǎng)衣上進(jìn)行標(biāo)記并編號01、03、05、21、23、25、31、33、35。坐標(biāo)系原點設(shè)置在頂部中心，X方向與水流方向相同，Z方向為水流方向的法向，XZ平面為網(wǎng)衣的對稱平面。因為網(wǎng)箱是對稱的，所以測量計算是僅考慮網(wǎng)箱一半。圖中標(biāo)記的位置用于計算網(wǎng)衣的體積減小量。

圖1 標(biāo)記點示意圖

通過考慮編號為01-03-05-21-23-25和21-23-25-31-33-35的2個三棱柱的體積減去1/2中心島體積，計算出圓形網(wǎng)衣體積減小的估計值。每個三棱柱的體積可以用Vp來表示：

(3)

式中：An1,n3,n5為跟蹤點n1、n3、n5所圍成的三角形面積，Zn為n點的Z坐標(biāo)值。容積剩余率Cur如下表示：

(4)

式中：VP0為三棱柱在初始時的體積；Vc為1/2中心島的體積。

2 組合鋼架式網(wǎng)箱模型及計算工況

2.1 組合鋼架式網(wǎng)箱特點與參數(shù)

組合鋼架式網(wǎng)箱主要由中心島、浮架、網(wǎng)衣和錨碇系統(tǒng)等組成，中心島與內(nèi)網(wǎng)箱浮架間采用36塊板連接，板長30 m，兩板之間夾角10°。在內(nèi)網(wǎng)箱與外網(wǎng)箱的浮架之間布置有36根鉸鏈連接，設(shè)置約束條件，實現(xiàn)鉸鏈上下運動。外網(wǎng)箱網(wǎng)衣網(wǎng)目與內(nèi)網(wǎng)箱網(wǎng)目數(shù)一致。表1所示，為鋼架式網(wǎng)箱和錨繩的具體特征參數(shù)。圖2a、圖2b分別為組合鋼架式網(wǎng)箱的主視圖和俯視圖，圖3a、圖3b分別為鋼架式網(wǎng)箱的主視圖和俯視圖。

表1 網(wǎng)箱參數(shù)

圖2 組合鋼架式網(wǎng)箱

圖3 鋼架式網(wǎng)箱

2.2 網(wǎng)衣模型

網(wǎng)衣數(shù)值模型是利用水動力有限元分析軟件Orcaflex建立的。在Orcaflex軟件中，網(wǎng)衣模型由“l(fā)ine”模型和“3Dbouy”模型組合而成[30]?！發(fā)ine”模型被用來建立網(wǎng)線，通過設(shè)置不同的材料參數(shù)給予模型不同的特性?！?Dbouy”模型為三自由度的小浮體，體積很小，可以布置成小浮標(biāo)或者連接網(wǎng)線的節(jié)點。圖4為網(wǎng)衣的數(shù)值模型，圖4中01-02表示一段網(wǎng)線。

圖4 網(wǎng)衣數(shù)值模型

2.3 計算工況

本網(wǎng)箱布置在福建海域，結(jié)合實際海域，考慮在純流，純波流及波流聯(lián)合3種工況下對連接內(nèi)外網(wǎng)箱的鉸鏈進(jìn)行運動響應(yīng)分析，對組合鋼架式網(wǎng)箱和鋼架式網(wǎng)箱的浮架與網(wǎng)衣連接點張力，網(wǎng)箱容積率和錨繩力進(jìn)行水動力對比分析，具體工況如下：

純流工況下，入射水流為0°，流速分別為U=0.25 m/s、1 m/s、2.25 m/s、4 m/s，水深為100 m；純波浪工況下，波高為H=1.3 m，周期T=6、7、8 s及浪向0°，水深為100 m；波流工況下，流速U=4 m/s，波高H=1.3 m，T=6 s及波流夾角分別為0°、90°、180°，水深為100 m。

3 水動力分析

3.1 鉸鏈系統(tǒng)垂向運動響應(yīng)

鉸鏈系統(tǒng)垂向運動響應(yīng)是衡量組合鋼架式網(wǎng)箱安全的重要參數(shù)。以鉸接點初始位置為坐標(biāo)原點，對鉸接系統(tǒng)垂向運動響應(yīng)進(jìn)行分析。在實際海域中，波流是同時存在的，波流聯(lián)合工況下鉸鏈系統(tǒng)的垂向位移也更貼合實際。圖5為網(wǎng)箱在不同波流夾角下鉸鏈的垂向位移曲線。表2、3、4為鉸接點和外網(wǎng)箱連接點在純水流，純波浪及波流聯(lián)合作用下最大垂向運動幅度及最大有效張力對比。

圖5 波流聯(lián)合作用下連接點垂向位移

表2 純流作用下鉸鏈垂向位移及最大有效張力對比

表3 純波浪作用下鉸鏈垂向位移及最大有效張力對比

表4 波流聯(lián)合作用下鉸鏈垂向位移及最大有效張力對比

由圖5可見，不同波流夾角下，鉸接點的最大垂向運動幅度都小于外網(wǎng)箱連接點的運動幅度，在波流夾角為90°時，垂向運動幅度最大。由表2、3、4可見，在純水流，波流聯(lián)合工況下，鉸接點的最大垂向位移幅度在不同流速，不同波浪夾角下數(shù)值結(jié)果相差并不大。但鉸鏈的最大有效張力隨流速的增加反而會減小，隨波流夾角變大而增大。在純波浪工況下，其最大垂向位移幅度隨波浪周期增加而增大，鉸鏈最大有效張力出現(xiàn)在周期T=7 s時。通過對比3種工況下的鉸接點及外網(wǎng)箱連接點的最大垂向位移，可以明顯看出純波浪及波流聯(lián)合工況下的最大垂向位移大于純流工況，這說明鉸鏈的垂向運動位移受波浪的影響較大。結(jié)合3種工況下鉸鏈的最大有效張力數(shù)值，可以看出波流工況下鉸鏈的安全性高于其他兩種工況，也體現(xiàn)了通過鉸鏈連接內(nèi)外網(wǎng)箱這方案的可行性。

3.2 浮架與網(wǎng)衣連接點受力分析

選取與迎流面錨繩mooring 9最近的迎流面外網(wǎng)衣與外浮架的連接點，同時選取與迎流面錨繩mooring 9最近的迎流面內(nèi)網(wǎng)衣與內(nèi)浮架的連接點進(jìn)行分析。圖6為內(nèi)、外浮架與網(wǎng)衣連接點在純流，純波浪及波流聯(lián)合工況下的有效張力。

圖6 連接點有效張力

由圖6可見，3種工況下，外浮架與網(wǎng)衣連接點的有效張力始終比內(nèi)浮架與網(wǎng)衣連接點和鋼架式網(wǎng)箱連接點的有效張力大。由圖6a可見，在純流工況下，隨著流速變大，連接點有效張力也變大。內(nèi)外浮架與網(wǎng)衣連接點的有效張力差也變大。相比鋼架式網(wǎng)箱的連接點有效張力，組合鋼架式網(wǎng)箱的連接點有效張力始終大于鋼架式網(wǎng)箱的連接點有效張力。由圖6b可見，在純波浪工況，外浮架與網(wǎng)衣連接點的有效張力和內(nèi)浮架與網(wǎng)衣連接點的有效張力低于其他兩種工況，這說明連接點有效張力受波浪的影響小于流以及波流聯(lián)合的影響。由圖6c可見，在波流聯(lián)合工況下，外浮架與網(wǎng)衣連接點的有效張力和內(nèi)浮架與網(wǎng)衣連接點的有效張力最小時出現(xiàn)在波流夾角為90°時，波流同向與波流逆向時有效張力相差不大。

3.3 網(wǎng)箱容積剩余率

網(wǎng)箱的容積剩余率不僅可以反映網(wǎng)箱生存空間大小，也可以反映網(wǎng)衣的變形程度。計算容積剩余率采用Lader[28]提出的方法。

圖7為純流、純波浪及波流聯(lián)合作用下組合鋼架式內(nèi)外網(wǎng)箱和鋼架式網(wǎng)箱的最大容積剩余率。由圖7所示，3種工況下，組合鋼架式內(nèi)網(wǎng)箱和鋼架式網(wǎng)箱的最大容積剩余率大于組合鋼架式外網(wǎng)箱最大容積剩余率，且組合鋼架式內(nèi)網(wǎng)箱和鋼架式網(wǎng)箱的最大容積剩余率相差不大，這說明在鋼架式網(wǎng)箱鉸接一外網(wǎng)箱不會影響內(nèi)網(wǎng)箱的生存空間。外網(wǎng)箱的最大容積剩余率也能達(dá)到90%以上。在純流工況下，隨著流速變大，網(wǎng)箱的剩余容積率變小。純波浪工況下組合鋼架式外網(wǎng)箱最大容積剩余率低于純流及波流聯(lián)合工況下的最大容積剩余率，這說明網(wǎng)箱的最大容積剩余率受波浪的影響低于流的影響。波流同向和波流逆向時網(wǎng)箱最大容積剩余率大于波流夾角90°時。圖8為純流工況下不同流速的網(wǎng)衣變形。隨著流速的增大，網(wǎng)衣的變形程度也越大。

圖7 網(wǎng)箱容積剩余率對比

圖8 網(wǎng)箱穩(wěn)態(tài)圖

3.4 錨繩力分析

錨繩最大張力是衡量組合鋼架式網(wǎng)箱系泊系統(tǒng)安全性的重要的參數(shù)之一。以迎浪側(cè)錨繩mooring 9的錨繩受力情況為對象進(jìn)行分析。圖9為組合鋼架式錨繩及鋼架式錨繩在純流，純波浪及波流聯(lián)合作用下最大錨繩力對比。由圖9所示，鋼架式網(wǎng)箱的最大錨繩力小于組合鋼架式最大錨繩力，這是由于鉸接外網(wǎng)箱導(dǎo)致的。鉸接一個外網(wǎng)箱后的組合鋼架式網(wǎng)箱最大錨繩力出現(xiàn)在波流夾角為0°的工況，相較于鋼架式網(wǎng)箱增大了16%，且能夠達(dá)到API RP 2SK[31]規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)。由圖9a知，同一流速下，兩者之間錨繩力相差較小，且隨著流速增大，兩種形式的網(wǎng)箱最大錨繩力都在增加。同時，純流及波流工況下兩種形式網(wǎng)箱的最大錨繩力都遠(yuǎn)大于純波浪工況下，這說明流速對錨繩的影響較大。由圖9c知，波流聯(lián)合作用下，組合鋼架式網(wǎng)箱的錨繩力最大。

圖9 最大錨繩力對比

4 結(jié)論

通過數(shù)值模擬對比分析組合鋼架式網(wǎng)箱和鋼架式網(wǎng)箱的水動力性能，結(jié)果顯示，組合鋼架式網(wǎng)箱的浮架與網(wǎng)衣連接點有效張力大于鋼架式網(wǎng)箱連接點。因此，組合鋼架式網(wǎng)箱浮架與網(wǎng)衣連接處需要保護(hù)措施，預(yù)防發(fā)生網(wǎng)衣斷裂或浮架破壞。鉸接點與外網(wǎng)箱連接點的最大垂向位移受流速的影響較小，鉸鏈的最大有效張力會隨著流速增加而減小，最大有效張力在波流聯(lián)合作用下最小。組合鋼架式內(nèi)網(wǎng)箱在純流、純波浪和波流工況下的最大容積剩余率都在95%以上，外網(wǎng)箱的最大容積率能夠達(dá)到90%，在純流工況下內(nèi)網(wǎng)箱最大容積剩余率高于鋼架式網(wǎng)箱。這表明通過鉸接外網(wǎng)箱在獲得更大養(yǎng)殖空間的同時，對內(nèi)網(wǎng)箱的養(yǎng)殖空間有一定保護(hù)作用。

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