波浪高度及方向對樁柱式圍網養殖系統網片水力特性的影響

陳天華，孟 昂，桂福坤

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波浪高度及方向對樁柱式圍網養殖系統網片水力特性的影響

陳天華，孟 昂，桂福坤※

（浙江海洋大學國家海洋設施養殖工程技術研究中心，舟山 316022）

淺海圍網養殖是一種生態型養殖模式，樁柱式圍網是其中最為典型的模式之一，主體由排樁和網片組成。圍網網衣系統安全是決定圍網工程安全的關鍵所在。針對樁柱式圍網，采用數值模擬方法對其主要構成部件單元網片在波浪條件下的變形和受力等水力特性進行了研究，重點分析了波高（1、2、3、4、5 m）和波向（10°、30°、50°、70°、90°）條件下圍網網片的網線張力分布、結節偏移和樁柱系縛點受力特性及影響關系。結果表明，樁柱式圍網單元網片的網線最大張力部位主要出現在網片上端兩側位置，應用時建議強化頂部綱繩的設計考慮；波向為30°～70°時，網線最大張力有一段較小的增加量，而結節最大偏移隨波向的增大而增大；網片與樁柱系縛點的最大受力呈現兩端大中間小的現象，建議強化頂部和底部系縛點。以上研究結果可為樁柱式圍網工程設計與安裝提供參考。

水產養殖；計算機仿真；模型；圍網養殖；單元網片；水力特性；波浪

0 引 言

淺海圍網養殖是繼陸基工廠化養殖、岸邊灘涂養殖和圍塘養殖、淺海網箱養殖之后研發的一種新興的海水生態養殖模式，養殖密度低于網箱養殖，單位面積投喂強度低，對環境的沖擊較小。淺海圍網養殖水體大，單位成本投入低，養殖產品品質在集中養殖模式中最為接近自然生態，養殖對象可自由避臺風、多強流，存活率很高[1-2]。但該種養殖模式尚處于起步階段，尚有諸多關鍵技術問題有待解決。如設施抗風浪安全問題，盡管淺海圍網設施尺度大，柔性好，理論上抗風浪性能[3]好，但仍需重點考慮網衣系統在波浪、水流等水動力環境下的結構破壞、網衣纏結等安全問題。

目前，國內外在漁具、網箱等養殖設施領域的網衣水動力特性已有較多研究[4-5]，如李金鑫[6]利用試驗以及數值模擬相結合的方法進行了網箱關鍵水動力參數阻力系數C的研究，并且研究了平面網衣及整體網衣在水流中的結構動力響應。劉莉莉等[7]應用有限元方法與集中參數法建立了張網在波流場中的數值模型，通過數值模擬來研究張網在波流作用下的水動力特性，并將數值計算結果與水槽模型試驗結果進行比較，符合良好。Tsukrov等[8]應用有限元法建立了網片在波浪和水流環境負荷下的水動力響應模型，并將其結果應用到計算張力腿網箱中。陳鹿[9]對尼龍有結節菱形網片與旋轉90°后的有結節菱形網片的水動力進行了試驗比較研究，再利用MATLAB建立網片模型，模擬固定在方形框架上的尼龍網片，獲得在恒定流作用下的張力分布以及網片空間形狀。董國海等[10]采用質量集中法和剛體運動學原理，建立重力式網箱數學模型，模擬在波流逆向和波流同向作用于深水重力式網箱時的運動響應和錨繩力，最終得出波流同向對重力式網箱的破壞比波流逆向嚴重。Fredriksson等[11]通過物理模型和數值模擬技術，結合現場勘測，對網箱及其系泊系統動力學進行了研究，采用隨機法分析了網箱的動態響應特性和錨繩對波浪力的負載響應，得出物理模型可以清楚地顯示傾斜共振，數值模型可以很好地預測系纜的張力。王敏法[12]和周成[13]通過建立圍網系統的三維動力模型對金槍魚圍網網具在水流下的運動變形和受力進行了動態模擬研究，再利用模型試驗和海上實測數據進行了模型修正和驗證，最后預測了在各種海況和工況條件下網具的沉降性能和空間形態等作業性能。葉衛富等[14-15]通過模型試驗對浮繩式圍網的水動力特性進行了初步研究，受試驗條件影響，測試內容及結果的應用有一定局限性。

淺海圍網工程的網衣系統與深水網箱、捕撈漁具結構上有較多不同，網衣系統安全是決定圍網養殖工程安全的關鍵所在。典型的淺海圍網模式有3種：樁柱式圍網、岸聯式圍網和浮繩式圍網。樁柱式圍網結構上有其特殊性，主要由管樁和網片構成，對圍網網衣系統的水動力研究目前少有報道。因此，本文采用集中質量點法對樁柱間單元網片建立了波浪作用下的網片數學模型，并通過計算機數值模擬研究了在不同波高和波向條件下圍網網片的網線張力分布、結節偏移和系縛點受力，以期為樁柱式圍網設計、制作、海上敷設和圍網抗風浪技術的研發等提供參考。

1 數值模擬

1.1 數學模型

圍網網片屬于典型的柔性結構物，可采用集中質量法進行模擬。假定網片是由有限的無質量彈簧連接的集中質量點所構成，通過計算集中質量點在波浪和邊界條件作用下的位移，來得到網的形狀[16-18]。模型的集中質量點設于每個網目目腳的兩端，每個集中質量點包含網目的一個結節和2個目腳，如圖1所示。

網衣集中質量點受力主要包括重力、浮力、網線張力、速度力及慣性力等。網衣受到的波浪力可根據莫里森方程[19]來計算。為了簡化計算，本文假定網目的結節為圓球，其水動力系數在運動方向上是恒定的；把目腳看作為圓柱形桿件，所以它具有圓柱的水動力性質，其水動力系數是有方向性的，和水質點的相對運動速度方向有關[16-18]。在計算目腳的波浪力時需考慮波浪入射方向與網線夾角關系，本文在目腳上建立局部坐標系（,,）,方向為沿目腳方向，軸在和水質點相對速度V（見式（1））組成的平面內與垂直，軸與和V組成的平面相垂直[20-22]。

式中V為水質點相對速度，m/s；水為水質點速度，m/s；0為構件速度，m/s。

在整體坐標下，局部坐標系的，，軸單位矢量可以通過已知的水質點相對速度V和目腳方向=（1?01?0,1?0）向量叉乘得到，為

式中（1,1,1）和（0,0,0）為目腳兩端集中質量點的坐標；（x,y,z），（x,y,z）和（x,y,z）為局部坐標系（,,）3個軸的單位矢量坐標。

所以直接通過向量運算建立網線目腳的受力公式，如式（3）所示。

展開為式（4）和式（5）

式中目腳和目腳為網線目腳受到的速度力和慣性力，N；，和為速度力在局部坐標系上的分量，N；，和為慣性力在局部坐標系上的分量，N；ρ表示水體的密度，kg/m3；"表示網線構件的體積，m3；表示波浪水質點的速度矢量，m/s；A，A和A為目腳在局部坐標系3個方向上的投影面積，m2；C，C和C為局部坐標系3個方向上的速度力項系數；C，C和C為局部坐標系3個方向上的慣性力項系數。

在整體坐標系下將各集中質量點所包含的結節和目腳的受力進行累加，并將其分配到集中質量點上，然后利用牛頓第二定律建立質點運動方程。網衣模型簡化后的質點運動方程[16-18]為

式中?、分別表示各集中質量點的附加質量和質量，kg；表示各集中質量點的加速度矢量，m/s2；表示集中質量點所受到的張力矢量，N；、分別表示集中質量點的速度力矢量和慣性力矢量，N；表示質點的重力矢量，N；表示質點的浮力矢量，N；C表示速度力項系數；表示網線沿波浪方向的投影面積，m2；C表示慣性力項系數；C表示附加的質量力項系數；為網線直徑，m；0為網線原始長度，m；為變形后的長度，m；1、2為構件材料彈性系數。

1.2 計算方法

建立的質點運動方程為典型的二階偏微分方程，可采用歐拉法、龍格庫塔法[23]等多種方法求解。本文利用Fortran軟件編程計算求解，采用歐拉法即可獲得良好的收斂性。計算中首先根據網片的初始狀態，計算網線上的波浪力以及網線變形所產生的拉力，基于質點運動方程求解出質點的加速度，然后根據向前歐拉公式

式中x為時間，為時間步長，s；為加速度，m/s2；y為當前的速度，y+1為下一時間步長的速度，m/s。

可求出下一時間步長的質點位移和速度，從而確定網片形狀，最后以求出的質點位置和速度作為網片新的狀態參數，重復上述步驟直至結束。

1.3 模型驗證

本文引用文獻[24]中的預加張力放射法系泊網衣波浪試驗情況，利用1.1節和1.2節的模型和方法對該文獻物理試驗使用的漁用網衣J，在波浪周期1.6 s試驗條件下進行了1:1的數值模擬（即數值模擬中的模型尺寸和條件與物理試驗一致）。網衣J尺寸為90.5 cm×80.6 cm（寬×高），材料為PE，單死結，縮結系數均為0.707，網目大小4 cm，網線直徑1.95 mm，網目數32×28.5。網衣框架為HDPE空心管材，管材外徑14 mm，框架底部距離池底100 mm，水深0.7 m，波高50～250 mm，波浪是恒定波向的規則波。網衣構件由框架、網衣及連接拉線細鋼絲繩（8股，質量輕、無彈性，不伸縮）所組成，波浪測試時構件受到與波向一致測力拉線連接形成預加張力，在預加張力的作用下，鋼絲繩不會產生抖動。并通過其他拉線把整個試驗構件約束在外框架上，不會產生6種自由度運動效應，保證除了水平方向波浪力可以測定外，其他方向的約束不會影響水平方向力的測定。

圖2給出了各種波高下網衣水平波浪力最大值的模擬結果。由圖2可知，在各種不同的波高條件下，網衣水平波浪力最大值的模擬值和試驗值吻合較好。

1.4 計算參數選取

樁柱式圍網所用網衣有多種材質，大多采用PE網和超高分子量纖維網，有些圍網也采用金屬網（如銅網[25-26]）。網衣的尺寸也有所不同，單元網片一般寬度為3～5 m，高度一般6～10 m，如圖3所示。本文重點研究波浪對樁柱間網片不同部位受力分布特性的影響，為簡化模型，網片全部采用PE材質，網片尺度為：3 m×6 m（寬×高），網目大小2=8 cm，網線直徑=3 mm，水平縮結系數0.66，垂直縮結系數0.75，網目數量為5 376個。波浪采用線性波浪理論，傳播方向為軸方向，水深10 m。為避免波浪條件下，網片露出水面而導致受力差異，研究時，網片水下布置深度為二分之一波高。研究時，波高取1、2、3、4和5 m，波向取10°、30°、50°、70°和90°。波浪周期根據深水波陡按1:20進行設計。網片四邊用10 mm繩索加徑，如圖4a所示。網片通過左右兩邊各5個系縛點等間距固定于樁柱上，固定點間距為1.5 m，如圖4b所示。由于計算中網片結節數較多，為減少計算時間提高計算效率，采用網目群化方法[27-30]將相鄰64個網目合并為一個等效大網目。

2 計算結果及分析

2.1 波高對圍網網片水力特性的影響

本文研究波浪入射角為90°（即波浪入射方向與網片平面垂直）時，5種不同波高條件下圍網網片的網線最大張力和結節最大偏移，以及網片與樁柱系縛點的受力特性。結節最大偏移指的是網衣變形后的結節到網片初始平面的最大距離。網片與樁柱系縛點受力指的是與系縛點直接相連的網線張力的矢量和，如2號系縛點受力=網線A張力+網線B張力+網線C張力+網線D張力。

2.1.1 最大網線張力與結節偏移

如圖5a所示，網線最大張力出現在網片上端兩側位置，最大偏移位置位于網片上部。圖5b給出了網線最大張力值與波高的關系。由圖5b可知，網線最大張力隨波高增大而增大，結節最大偏移量同樣隨波高增大而增大。

a. 網線最大張力和結節最大偏移部位

a. Position of maximum tension of line and maximum offset of nodes

2.1.2 圍網網片上下緣綱的最大張力與偏移特性

如圖6a所示，上下緣綱最大張力都主要出現在兩側位置，最大偏移位置分別位于上下緣綱的中間位置。圖6b給出了網片的上下緣綱[31]最大張力值與波高的關系。由圖6b可見，上下緣綱最大張力與上下緣綱最大偏移量都隨波高增大而增大。

a. 上下緣綱最大張力和最大偏移部位

a. Position of maximum tension and maximum offset of top and bottom cable

2.1.3 圍網網片與樁柱系縛點之間的最大受力

圖7給出了網片與1號－5號樁柱系縛點（見圖4b）之間的最大受力分布與波高的關系。由圖7可知，1號－5號系縛點最大受力隨波高增大而增大，而且1號和5號系縛點的最大受力比2、3、4號系縛點增加的更快。其中，1號系縛點的最大受力比其他系縛點的最大受力大，5號系縛點的最大受力僅次于1號系縛點，比2、3、4號系縛點的最大受力大（波高1 m時除外，因為此時波浪能量在深水中已被衰減至很小）。同時，隨著波高的增大，這種受力差別越大，表明波高對1號和5號系縛點受力的影響比對2、3、4號系縛點受力的影響更大。因此，對網片首尾兩端的系縛點進行加固是非常必要的。

2.2 波浪入射方向對圍網網片水力特性的影響

本文研究波高=3 m，周期=7 s時，波浪入射方向對圍網網片的網線最大張力和結節最大偏移，以及網片與樁柱系縛點受力的影響。

2.2.1 最大網線張力與結節偏移

如圖8a所示，網線最大張力出現在網片上端兩側的位置；網片與波浪入射方向成10°時，結節最大偏移出現在網片左上和右上2個部位，而其他角度時出現在網片中上部，如圖5a所示。圖8b給出了網線最大張力值與波向的關系。由圖8b可見，網線最大張力隨波向變大有較小的增加，而結節最大偏移量隨波向增大而增大。

2.2.2 圍網網片上下緣綱的最大張力與偏移特性

圖9給出了網片的上下緣綱最大張力值和最大偏移量與波向的關系。由圖9可知，上下緣綱最大張力隨波向的變大都有較小的增加，而最大偏移量都隨波向增大而增大。不同波向時的上下緣綱最大張力和最大偏移出現的位置與不同波高時其出現的位置相同，見圖6a。

2.2.3 圍網網片與樁柱系縛點之間的最大受力

圖10給出了網片與1號—5號樁柱系縛點之間的最大受力分布與波向的關系。由圖10可知，系縛點最大受力隨波向增加有所增大。同時，1號和5號系縛點的最大受力明顯大于2、3、4號系縛點的最大受力，且1號系縛點的受力最大，5號系縛點僅次于1號系縛點。

a. 波向10°的網線最大張力和結節最大偏移部位

a. Position of maximum tension of line and maximum offset of nodes at 10° wave direction

3 討 論

3.1 波高對圍網網片水力特性的影響

本研究發現，由于網片兩側系縛點較多，綱繩被均勻劃分成多個小段，而上下緣綱[31]只有2個系縛點約束，比兩側的綱繩承受更多的波浪力，加上波浪隨水深的變化[32]，因此最大張力發生在網片上緣綱兩端，即加徑繩上，表明對網片四邊進行加徑處理是非常必要的。同時，網線直徑相比綱繩較小，網線比綱繩更易發生變形，而且網片中間無約束，加上波浪隨水深變化，因此最大偏移發生在網片上部。在實際工程中，網片的最大偏移量及發生的部位是網片編排和設備安裝的重要指標，在最大偏移量以內應避免有障礙物，否則易導致網線因磨損而斷裂。網片的上下緣綱因為受兩端系縛點約束，在波浪作用下兩端會承受很大的張力，因此有必要對這兩處位置進行特殊加徑處理。但是波高為1 m時，波浪能量在深水中已被衰減至很小[32]，所以導致下緣綱整體受力均勻且較小。上下緣綱中間無約束因此變形最大都在中間。網片首尾系縛點與其他系縛點相比多了一根橫向的綱繩與之相連，而網片中的網線在波浪作用下的受力，一部分由中間系縛點承擔，剩余大部分都是通過上下緣綱傳遞到頂部和底部系縛點上，因此，頂部和底部系縛點是整個網片的主要承受部位。所以兩側系縛點受力呈現兩端大中間小的現象。頂部系縛點受力最大是由于波浪能量隨水深變化引起的。

3.2 波浪入射方向對圍網網片水力特性的影響

同理，網線最大張力出現在網片上端兩側位置，可見，網線最大張力的位置與波向無關，始終出現在加徑繩上，這也表明對網片四邊進行加徑處理是非常必要的。波向10°時網線最大張力為239 N，波向30°時網線最大張力為228 N，兩者相差在5%以內，符合誤差范圍，而波向70°和90°時的網線最大張力相等，都為300 N，因此，網線最大張力隨波向變化的主要增加段在30°和70°之間，小于30°和大于70°時網線最大張力隨角度變化相對較小，這從上下緣綱的張力變化也同樣能看出。上下緣綱的最大張力都在緣綱的兩側，偏移最大的部位都在緣綱的中間，可見，并不受波向的影響。但是有必要對緣綱兩側進行特殊加徑處理。同樣，由于上下緣綱的影響，系縛點受力呈現首尾兩端大中間小的現象，隨波向增大有所增加，在30°和70°之間變化較大，小于30°和大于70°時變化較小，因此，除了對所有系縛點加固外，對網片首尾兩端的系縛點進行特殊加強是非常必要的。

4 結 論

通過數值模擬的方法研究了樁柱間單元網片在波浪條件下的水力特性，分析討論了不同波高和波向下的網線最大張力、結節最大偏移和網片與樁柱系縛點最大受力，研究得到以下基本結論：

1）波高對網線最大張力和結節最大偏移都有顯著的影響，網線最大張力和結節最大偏移隨波高的增大迅速增加。網線最大張力發生在網片上端兩側，結節最大偏移發生在網片上部，位置都不受波高影響。

2）在波向為30°～70°時，網線最大張力有一段較小的增加量，而在小于30°和大于70°時網線最大張力變化相對較小。而結節最大偏移隨波向的增大而增大。網線最大張力發生在網片上端兩側，不受波向影響。

3）網片與樁柱系縛點受力呈現兩端大中間小的現象。頂端和底部系縛點受波高影響較大，中間系縛點受波高影響較小。隨波向增大系縛點受力整體有所增加，在波向為30°～70°時較為明顯。

實際應用時，建議在樁柱式圍網養殖工程設計和施工中強化頂部綱繩以及頂部和底部系縛點的設計考慮，從而有效降低風險率。同時網片的最大偏移量及發生部位是網片編排和相關設備安裝的重要指標，需要注意合理設計相關的間距，在最大偏移量以內應避免有障礙物，防止網線和纜繩因觸碰摩擦而發生斷裂，確保網線安全。

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Effect of wave height and direction on hydraulic characteristics of net of pile-column type net enclosure aquaculture system

Chen Tianhua, Meng Ang, Gui Fukun※

(,,316022,)

The net enclosure aquaculture (NEA) is a new developing ecological aquaculture pattern in shallow water. The typical patterns include the pile-column type NEA, the shore-cascade type NEA and the floating rope NEA. The pile-column type NEA is mainly composed of piles and net panels. The net system is one of the most important factors which affect the security of the whole NEA system. Because of its especial structure, there are few related reports. Therefore, it is of great significance to carry out research on the hydraulic characteristics of unit net of pile-column type net enclosure in waves. Because unit net belongs to the typical flexible structure, the computing model can be established by the lumped mass point method. Based on Newton’s second law, the equation of particle motion was established to illustrate the motion response of net panel in wave. Wave force can be calculated through the Morison equation. The equation of motion is a typical second order partial differential equation. There are a variety of methods to solve the equation, such as the Euler method and the Runge-Kutta method. In this paper, the program was computed in code, which could obtain a good convergence by using the Euler method. Firstly, the wave force on cables, and the strain produced by the cable deformation were calculated, with the assumption that the net panel was plane without deformation at the beginning. Secondly, the motion equations of each lumped point, which were typical second order partial differential equation, could be obtained according to the Newton equation. Then, the forward Euler’s method was used to calculate the particle displacement and velocity at the next time step. Finally, the particle position and velocity were taken as new state parameters of net panel, and the above steps were repeated until the end of time. The results showed that wave height and wave direction had a significant effect on the maximum tension force in twines, the maximum displacement of nodes and the maximum load at fixing points. The maximum tension of netting twine mainly appeared on both sides of the top position of the net panels and it increased with the wave height increasing. Remarkable increase of the maximum tension in netting twines was found when the wave direction was between 30o and 70o. The maximum offset of net panels was observed mainly at the mid-upper position of the net and it showed a positive correlation with the wave height and wave direction. The maximum load at the fixing points on the pile-column appeared at the top point. The second maximum load point occurred at the bottom. Both of them were much larger than those at the middle fixing points. Therefore, in actual engineering, it is suggested that the fixing points at the top and bottom should be strengthened peculiarly, and the cables at both ends of the top and bottom net should be thickened. At the same time, the maximum offset and corresponding position are important indices for the layout of net and the installation of relevant equipment. So, the reasonable design of related spacing should be considered and the affiliated structures should not be installed within the maximum offset scope to prevent the cables and lines from breaking due to touching and friction. The results of this study are expected to provide theoretical basis and technical support for the design, production and offshore installation of the pile-column type NEA engineering.

aquaculture; computer simulation; models; net enclosure aquaculture; unit net panel; hydraulic characteristic; wave

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.034

TV13

A

1002-6819(2017)-02-0245-07

2016-08-27

2016-12-10

國家自然科學重點基金（51239002）；國家海洋局公益專項（201505025-2）；舟山市海洋專項（2015C41001）

陳天華，男，浙江新昌人，主要從事海洋養殖工程技術研究。舟山 浙江海洋大學國家海洋設施養殖工程技術研究中心，316022。 Email：809929628@qq.com

桂福坤，男，江西鷹潭人，教授，博士，主要從事海洋養殖工程技術研究。舟山 浙江海洋大學國家海洋設施養殖工程技術研究中心，316022。Email：gui2237@163.com

陳天華，孟 昂，桂福坤. 波浪高度及方向對樁柱式圍網養殖系統網片水力特性的影響[J]. 農業工程學報，2017，33(2)：245－251. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.034 http://www.tcsae.org

Chen Tianhua, Meng Ang, Gui Fukun. Effect of wave height and direction on hydraulic characteristics of net of pile-column type net enclosure aquaculture system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(2): 245－251. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.034 http://www.tcsae.org