配重系統(tǒng)對HDPE圓形重力式網(wǎng)箱水動力特性影響研究

王 笑,黃六一,鄔騫力,尤鑫星

(中國海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院,山東 青島 266003)

海水養(yǎng)殖是中國水產(chǎn)養(yǎng)殖的重要組成部分,提供了約1/3的水產(chǎn)品,對于保障國家糧食安全發(fā)揮著重要作用[1]。近幾十年來,由于受到近岸海域環(huán)境惡化、空間飽和等因素影響,中國海水養(yǎng)殖不斷向深遠(yuǎn)海發(fā)展[2-4]。其中,深水重力式網(wǎng)箱養(yǎng)殖是深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖的重要養(yǎng)殖模式和發(fā)展方向之一,2022年其產(chǎn)量達(dá)39.33萬t,同比增長16.64%,在各類養(yǎng)殖方式中增速最快[5]。2023年6月農(nóng)業(yè)農(nóng)村部等八部委在《關(guān)于加快推進(jìn)深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖發(fā)展的意見》中指出今后一個階段深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖仍以深水重力式網(wǎng)箱為主。深水重力式網(wǎng)箱通常布設(shè)于深遠(yuǎn)海開放水域,易受到風(fēng)浪和水流的影響,網(wǎng)箱的安全可靠是確保養(yǎng)殖成功的關(guān)鍵,因此如何提高網(wǎng)箱的耐流性和穩(wěn)定性已成為重要研究方向之一[6-9]。

配重系統(tǒng)起著限制網(wǎng)衣變形,維持網(wǎng)箱有效養(yǎng)殖容積的作用,是重力式網(wǎng)箱的基本組成部分之一。國內(nèi)外一些學(xué)者對網(wǎng)箱配重系統(tǒng)展開了相關(guān)研究:Lader等[10]采用物理模型試驗(yàn)方法,設(shè)計(jì)了3種不同配重的柔性圓形網(wǎng)箱,在不同來流速度下測試了這些網(wǎng)箱的受力和網(wǎng)衣變形速度,得出了圓形重力式網(wǎng)箱受力和變形之間的相互關(guān)系。李玉成等[11]設(shè)計(jì)了8種帶有不同配重系統(tǒng)的網(wǎng)箱模型并測定了這些模型在不同波流條件下錨繩的受力,發(fā)現(xiàn)當(dāng)配重大小相同的情況下,是否采用底圈會導(dǎo)致錨繩受力存在約30%的差異,但隨著配重量的增加,這一差異呈下降趨勢。趙云鵬等[12]利用集中質(zhì)量法建立了網(wǎng)衣數(shù)值模型,對不同流速、配重大小作用下的重力式網(wǎng)箱網(wǎng)衣所受載荷和變形進(jìn)行了模擬,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)配重大小對兩者影響較大。程暉等[13]利用有限元程序ANSYS對“鉆石型”重力式網(wǎng)箱進(jìn)行數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)網(wǎng)箱底部添加底框、中部添加撐網(wǎng)圈后,在1 m/s時(shí)網(wǎng)箱的橫向位移減少37.33%,網(wǎng)箱阻力減少12.98%。Cheng等[14]通過建立有限元模型研究不同的設(shè)計(jì)參數(shù)對于網(wǎng)箱水動力的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)增加沉子重量可以減輕網(wǎng)箱變形,有助于維持大流速下的網(wǎng)箱容積,但當(dāng)流速低于0.2 m/s時(shí)效果不明顯。綜上可知,目前針對配重系統(tǒng)的研究聚焦于配重量、安裝位置等方面,但針對配重類型對網(wǎng)箱水動力特性影響的相關(guān)研究較少。目前,使用最廣且數(shù)量最多的深水網(wǎng)箱類型為HDPE圓形重力式網(wǎng)箱,其占據(jù)深水網(wǎng)箱總量的95%以上[1]。

本研究以中國北方常見的周長40 m的HDPE圓形重力式網(wǎng)箱為研究對象,根據(jù)田內(nèi)相似準(zhǔn)則,設(shè)計(jì)并裝配了4種類型和3種大小的配重系統(tǒng),在循環(huán)水槽中開展一系列模型試驗(yàn),進(jìn)而對比分析不同的配重系統(tǒng)對于圓形重力式網(wǎng)箱水動力特性的影響,最后參考Qu等[15]提出的方法對不同配重系統(tǒng)進(jìn)行評價(jià),以期為HDPE圓形重力式網(wǎng)箱的配重系統(tǒng)選擇和裝配提供參考。

1 材料與方法

1.1 模型網(wǎng)箱

試驗(yàn)以周長40 m重力式網(wǎng)箱為原型,網(wǎng)箱參數(shù)詳見表1。采用田內(nèi)相似準(zhǔn)則[16]設(shè)計(jì)模型網(wǎng),根據(jù)現(xiàn)有的試驗(yàn)設(shè)備,采用大比例尺為λ=16,小比例尺為λ′=2制作網(wǎng)箱試驗(yàn)?zāi)Ｐ?參數(shù)詳見表2。

表1 實(shí)物網(wǎng)箱參數(shù)

網(wǎng)衣的目腳長度和直徑通過隨機(jī)選取的10個位置取均值得出。浮管采用與原型HDPE材料性能接近的PPR管代替(HDPE密度為920～960 kg/m3;PPR密度為900～920 kg/m3),由于材料限制,模型使用的管材直徑和壁厚與根據(jù)準(zhǔn)則換算的數(shù)值有一定的差異,因此通過在雙管間填充泡沫來調(diào)整浮管提供的浮力與理論計(jì)算結(jié)果一致。與原型網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)類似,側(cè)網(wǎng)衣等間距裝配16條綱索,為簡化模型,取消了底網(wǎng)原有布設(shè)的綱索(圖1)。

圖1 模型試驗(yàn)網(wǎng)箱

圖2 LED燈系附位置及夜間效果圖

1.2 試驗(yàn)儀器與布設(shè)

試驗(yàn)地點(diǎn)為中國海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院增養(yǎng)殖水動力實(shí)驗(yàn)室,試驗(yàn)循環(huán)水槽觀察段尺寸為 4.0 m(長)×1.2 m(寬)×1.0 m(深),流速范圍為0～80 cm/s。網(wǎng)箱入水前系上25枚4色LED燈(3.5 mm×17 mm,0.15 g/個),考慮到網(wǎng)箱的對稱性,故只于水槽觀察方一側(cè)添置。其中綠色、紅色、黃色燈縱向等間距分布,橫向間隔一條側(cè)綱分布,紫色燈則與底部中心等間距分布。圖 2展示了LED燈系附位置及其夜間呈現(xiàn)效果。模型網(wǎng)箱通過兩根直徑2 mm,長2.1 m的PP(聚丙烯)纜繩互相平行地連接至固定桿上且纜繩始終保持在水面。在纜繩距離網(wǎng)箱連接點(diǎn)20 cm的位置各安裝1個定制水下拉力計(jì)(武漢理工大學(xué)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室,量程0～10 kg,精度±0.69%),用于測量網(wǎng)箱的阻力,拉力計(jì)上系上浮球以消除其自重的影響。小威龍Vectrino點(diǎn)式流速儀(量程0～2 m/s,精度±0.5%)放置于網(wǎng)箱前1.5 m處,用于獲取水槽實(shí)時(shí)流速。此外,在水槽下方和側(cè)方各放置1部相機(jī)(索尼集團(tuán)公司,4 000像素×3 000像素,60幀/s),鏡頭分別對準(zhǔn)模型在水槽初始位置的側(cè)面中心和網(wǎng)底中心。網(wǎng)箱整體布設(shè)詳見圖3。試驗(yàn)過程水溫維持在22～23 ℃。

圖3 試驗(yàn)裝置示意圖

圖4 標(biāo)量三積法計(jì)算網(wǎng)箱容積示意圖

1.3 配重系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)工況設(shè)置

目前中國北方40 m周長HDPE重力式網(wǎng)箱的配重系統(tǒng)通常采用底框加配重400 kg,一般采用8個50 kg沉子,可根據(jù)海區(qū)的流速配重適當(dāng)增加。本試驗(yàn)在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)采用A(底框+沉子)、B(底框+鐵鏈)、C(底框+撐網(wǎng)圈+沉子)、D(底框+撐網(wǎng)圈+鐵鏈)4種配重系統(tǒng),每種配重系統(tǒng)使用400 kg、600 kg、800 kg等3種配重。根據(jù)田內(nèi)相似準(zhǔn)則換算,模型總配重分別為781 g、1 172 g、1 562 g。不同配重系統(tǒng)見表3。

表3 不同配重系統(tǒng)

根據(jù)目前中國北方網(wǎng)箱養(yǎng)殖海域的實(shí)際海況以及現(xiàn)有試驗(yàn)條件選取實(shí)際流速20～100 cm/s,共設(shè)置9個試驗(yàn)流速,根據(jù)模型準(zhǔn)則換算對應(yīng)的試驗(yàn)流速見表4。

表4 實(shí)際流速與對應(yīng)的試驗(yàn)流速

1.4 試驗(yàn)測量與數(shù)據(jù)處理

1.4.1 試驗(yàn)流速、網(wǎng)箱阻力測量

試驗(yàn)使用小威龍Vectrino點(diǎn)式流速儀和水下拉力計(jì)測量流速和網(wǎng)箱阻力。流速儀單次以20 Hz頻率采集20 s共記錄400個數(shù)據(jù)點(diǎn),其均值作為試驗(yàn)流速。水下拉力計(jì)單次以50 Hz頻率采集20 s共記錄1 000個數(shù)據(jù)點(diǎn),取其均值作為單次試驗(yàn)阻力大小。為提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,每次試驗(yàn)前后對拉力計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。

1.4.2 網(wǎng)箱容積保持率計(jì)算

通過兩部相機(jī)在水槽下方和側(cè)方分別拍攝系在模型網(wǎng)箱上的標(biāo)記點(diǎn)(LED燈)位置,記錄網(wǎng)箱的變形,采用ImageJ軟件提取標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)而獲得網(wǎng)箱的三維形狀。

網(wǎng)箱的有效容積計(jì)算方法參考Decew等[17]:將標(biāo)記點(diǎn)的三維坐標(biāo)導(dǎo)入MATLAB軟件后采用插值法來補(bǔ)充數(shù)據(jù),之后將整個網(wǎng)箱劃分為M層,每層都分為N塊,每一小塊又分為3個四面體(圖 4)。

利用標(biāo)量三積法(Scalar Triple Product Method)計(jì)算得到每個四面體體積,將所有四面體體積求和即可得到網(wǎng)箱的有效容積,公式如下:

(1)

網(wǎng)箱的容積保持率K計(jì)算如下:

(2)

式中:VA為某一流速下網(wǎng)箱的有效容積;V0為網(wǎng)箱在靜水時(shí)的有效容積。

2 結(jié)果

2.1 LED燈對試驗(yàn)的影響

為判斷LED燈對試驗(yàn)結(jié)果的影響程度,本研究對網(wǎng)箱在有無裝配LED燈的情況下進(jìn)行了對比試驗(yàn)。圖5a配重為716 g,網(wǎng)箱在有無LED燈情況下,阻力隨流速的變化關(guān)系。從圖中可以觀察到,在不同流速下,兩者之間的差異較小。最大相對誤差百分比出現(xiàn)在流速為21.2 cm/s時(shí),為10.93%,而總體平均差異僅為2.37%。圖5b、c分別展示了在小流速28.3 cm/s和大流速70.7 cm/s下,網(wǎng)箱的變形情況。在低流速28.3 cm/s下,X方向和Z方向的最大相對誤差百分比分別為7.77%和5.16%,而平均相對誤差百分比分別為1.3%和0.4%。在高流速70.7 cm/s下,Z方向的最大相對誤差百分比分別為10.72%和10.8%,平均相對誤差百分比分別為3.11%和2.73%。綜上所述,LED燈的使用對網(wǎng)箱受力和變形的影響較小,表明后續(xù)采用LED燈來體現(xiàn)網(wǎng)箱坐標(biāo)變化的方法可行。

圖5 LED燈對網(wǎng)箱阻力的影響和不同流速下網(wǎng)箱變形圖

2.2 網(wǎng)箱阻力

圖6為不同配重系統(tǒng)下網(wǎng)箱阻力與不同來流速度的關(guān)系圖。在各配重系統(tǒng)下,網(wǎng)箱所受阻力均隨著流速的增加而迅速增加,阻力與來流速度基本呈現(xiàn)出冪函數(shù)關(guān)系,其表達(dá)式為“D=aUb”(a,b為系數(shù)),具體擬合結(jié)果詳見表5。

圖6 不同配重系統(tǒng)下網(wǎng)箱阻力與流速關(guān)系

表5 不同配重系統(tǒng)下網(wǎng)箱阻力與流速擬合結(jié)果

網(wǎng)箱阻力均隨著配重的增加呈現(xiàn)出不同程度的增長且隨著流速的增加差異逐漸加大。在最大流速70.7 cm/s及4種不同配重類型的情況下,配備1 562 g的網(wǎng)箱阻力比配備781 g的網(wǎng)箱阻力分別高出20.21%、9.44%、23.68%和12.29%。相同流速和配重,配備鐵鏈的網(wǎng)箱與配備沉子的網(wǎng)箱所受水阻力相差不大,但配備撐網(wǎng)圈的網(wǎng)箱所受水阻力相對于無撐網(wǎng)圈的網(wǎng)箱更大。

2.3 網(wǎng)箱有效容積

圖7為不同配重系統(tǒng)的網(wǎng)箱在不同來流下的形狀圖。由圖可知,不同配重類型下,網(wǎng)箱的變形程度均隨著流速的增加而有不同程度增加,且迎流面網(wǎng)衣變形程度大于背流面。網(wǎng)箱底網(wǎng)向后上方發(fā)生傾斜,并與來流方向形成了一定的夾角,且夾角隨著流速的增加逐漸增大。圖8為不同配重系統(tǒng)下網(wǎng)箱容積保持率變化。

圖7 不同配重系統(tǒng)的網(wǎng)箱在不同來流下的形狀圖(配重781 g)

圖8 不同配重系統(tǒng)下網(wǎng)箱容積保持率與流速的關(guān)系

從不同配重大小來看,配重的增加能夠有效提升網(wǎng)箱的容積保持率。對于當(dāng)下使用最為普遍的配重類型A,當(dāng)流速達(dá)到70.7 cm/s時(shí),781 g、1 172 g和1 562 g的容積保持率分別達(dá)到52.38%、59.09%和64.03%。從不同配重類型看,配重類型C對于維持網(wǎng)箱容積效果最佳,而裝配類型B則效果不佳。配重量均為781 g時(shí),配重類型C、D分別比傳統(tǒng)的配重類型A高25.91%和22.83%,而配重類型B比A低1.84%。流速為70.7 cm/s時(shí),配備C類型配重的網(wǎng)箱在3種不同配重量下的容積保持率分別比配備B類型配重的網(wǎng)箱高出28.27%、21.76%和21.29%。此外,隨著流速的增加,撐網(wǎng)圈的優(yōu)勢逐漸體現(xiàn),在流速較大時(shí)可以更好地維持網(wǎng)箱容積:在70.7 cm/s時(shí),配備類型D的網(wǎng)箱比傳統(tǒng)的配重類型A在781 g、1172 g和1562 g的容積保持率要高出24.71%、14.61%和11.55%。

通過對網(wǎng)箱容積保持率K與流速U的擬合可知,二者呈現(xiàn)出邏輯斯蒂曲線變化,表達(dá)式為“K=(1-a)/{1+exp[-b×(U-c)]}” (a、b、c為系數(shù)),擬合結(jié)果具體參數(shù)見表6。

表6 不同配重系統(tǒng)下網(wǎng)箱容積保持率與流速擬合結(jié)果

2.4 網(wǎng)箱配重系統(tǒng)的評價(jià)

本研究通過單位體積阻力(同一流速下網(wǎng)箱所受阻力與剩余有效容積之比)的大小對網(wǎng)箱配重系統(tǒng)性能進(jìn)行評價(jià)。由圖9可知,不同類型配重之間的單位體積阻力隨著流速的增加而增加,呈現(xiàn)出冪函數(shù)遞增的規(guī)律,且配重類型之間的差異隨著流速的增加而逐漸增大。

圖9 不同配重系統(tǒng)下網(wǎng)箱單位體積阻力與流速關(guān)系

當(dāng)流速較小時(shí)(小于28.3 cm/s),配備4種配重類型的網(wǎng)箱其單位體積受力均相差不大;在最大流速70.7 cm/s時(shí),配備類型C的網(wǎng)箱在3種配重大小下相對最大單位體積阻力分別降低了25.26%、16.16%和20.40%。在不同工況以及配重大小下,配備類型D的網(wǎng)箱單位體積所承受的阻力總體上相對較大而配備類型C的網(wǎng)箱單位體積阻力達(dá)到最小,因而本研究認(rèn)為配重類型C的實(shí)際應(yīng)用效果最佳。

3 分析與討論

3.1 網(wǎng)箱阻力

網(wǎng)箱阻力直接關(guān)系整個系統(tǒng)的安全性,準(zhǔn)確計(jì)算網(wǎng)箱阻力對網(wǎng)箱的設(shè)計(jì)和優(yōu)化至關(guān)重要。本研究表明網(wǎng)箱阻力隨著配重的增加呈現(xiàn)出不同程度的增長,呈現(xiàn)出冪函數(shù)關(guān)系,但增加的幅度存在差異。雖然增加配重或撐網(wǎng)圈可提高網(wǎng)箱抗變形能力,減少形變和位移,但也增大了其迎流面積,導(dǎo)致網(wǎng)箱阻力上升。理論上網(wǎng)箱阻力與流速成正比關(guān)系,而本研究不同配重系統(tǒng)下阻力與速度的1.58至1.95次方成正比(表 5),與黃六一等[18]研究結(jié)果相似。導(dǎo)致此結(jié)果的原因主要有:一方面由于網(wǎng)箱產(chǎn)生的尾流效應(yīng)導(dǎo)致網(wǎng)箱前后受力不一致[19- 20],另一方面由于柔性網(wǎng)衣在大流速作用下會產(chǎn)生向來流的后上方漂移,導(dǎo)致局部網(wǎng)衣重疊增大了網(wǎng)衣密實(shí)度[21]。此外,由于箱體網(wǎng)衣采用菱形網(wǎng)目,在浮框和底框的共同作用下,箱體側(cè)面中部網(wǎng)衣產(chǎn)生收縮導(dǎo)致網(wǎng)箱初始形態(tài)并非為理想圓柱形(圖1),也是導(dǎo)致該結(jié)果的原因之一。

3.2 網(wǎng)箱容積保持

網(wǎng)箱的耐流特性影響網(wǎng)箱的容積保持率,是學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)。區(qū)別于框架式網(wǎng)箱,重力式網(wǎng)箱網(wǎng)衣系統(tǒng)通過浮框的浮力和配重系統(tǒng)的重力共同作用來維持養(yǎng)殖魚群的生活空間,但在水流作用下易發(fā)生形變,從而造成網(wǎng)箱有效容積的損失[22]。由圖 7可知,水流作用下網(wǎng)箱迎流側(cè)網(wǎng)衣發(fā)生內(nèi)凹,而背流側(cè)網(wǎng)衣則略微外凸,底網(wǎng)發(fā)生了傾斜,這與Zhao等[23]通過試驗(yàn)觀察到的結(jié)果一致。為提升網(wǎng)箱耐流特性,一般通過增加懸掛在側(cè)綱上的沉子配重[24-25],試驗(yàn)表明這一方式在一定程度上能提升網(wǎng)箱的有效容積,然而增加沉子會導(dǎo)致網(wǎng)箱阻力增加,許智靜等[26]發(fā)現(xiàn)增加配重會導(dǎo)致側(cè)網(wǎng)衣的縱向張力增加,在流速較大時(shí)有網(wǎng)衣撕裂的風(fēng)險(xiǎn)。另外,有學(xué)者對比了沉子配重與底框配重兩種方式,結(jié)果表明添加底框的網(wǎng)箱在來流方向上的位移更小,容積保持率也更高[27-29]。安裝了撐網(wǎng)圈的網(wǎng)箱在較大流速下的容積保持效果要高于未添加的網(wǎng)箱(圖7),這是因?yàn)閾尉W(wǎng)圈的存在減少了柔性網(wǎng)箱中間部位的變形,這與程暉等[13]在“鉆石型”重力式網(wǎng)箱中的研究結(jié)果一致,而在未裝配撐網(wǎng)圈的網(wǎng)箱中,懸掛沉子相對于鐵鏈的配重方式容積保持更大,這可能是由于鐵鏈?zhǔn)沟镁W(wǎng)箱整體重心上移造成。

3.3 網(wǎng)箱阻力與容積保持之間的關(guān)系

圖10 標(biāo)準(zhǔn)化阻力與標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)箱容積之間關(guān)系

網(wǎng)箱的變形程度與其受到的阻力密切相關(guān),但在實(shí)際養(yǎng)殖海域中,受限于海況、測量裝置、成本等因素,直接測量網(wǎng)箱阻力存在一定難度。當(dāng)前,一定數(shù)量的深度傳感器(Depth Sensors)可用于檢測實(shí)際海域中網(wǎng)箱的變形,進(jìn)而計(jì)算得到網(wǎng)箱的有效養(yǎng)殖容積變化[31],之后可將其代入上式計(jì)算得到網(wǎng)箱阻力,這為實(shí)際海域中養(yǎng)殖網(wǎng)箱的設(shè)計(jì)、維護(hù)等提供了新方法。

4 結(jié)論

配重系統(tǒng)是網(wǎng)箱的組成部分之一,對于維持網(wǎng)箱容積具有重要作用。本研究通過模型試驗(yàn),系統(tǒng)地研究了不同配重系統(tǒng)對圓形重力式網(wǎng)箱水動力特性的影響,結(jié)合網(wǎng)箱阻力、容積保持率等參數(shù),對不同配重類型進(jìn)行評價(jià)。研究表明:在各種配重系統(tǒng)下,網(wǎng)箱阻力均隨著流速以及配重重量的增加而增大,且阻力與流速之間呈現(xiàn)出明顯的冪函數(shù)關(guān)系;“底框+撐網(wǎng)圈+沉子”這種配重組合方式在一定流速下使得網(wǎng)箱容積保持最大,其單位體積阻力也最小,表現(xiàn)出最優(yōu)的性能;網(wǎng)箱容積保持率與流速呈現(xiàn)出“邏輯斯蒂曲線”變化關(guān)系;將網(wǎng)箱阻力與有效容積無量綱化后發(fā)現(xiàn)兩者呈現(xiàn)出較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性,兩者存在定量關(guān)系,通過擬合得到的經(jīng)驗(yàn)公式可為預(yù)估實(shí)際海域中的網(wǎng)箱受力提供了一種新的定量分析方式。

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