浮繩式圍網水動力特性研究

崔 勇，關長濤，黃 濱，賈玉東

(農業部海洋漁業可持續發展重點實驗室，青島市海水魚類種子工程與生物技術重點實驗室，中國水產科學研究院黃海水產研究所，山東 青島 266071)

中國海洋資源豐富，離岸海域大多未經開發，而海水養殖由近岸向離岸深遠海區域拓展成為“十三五”漁業發展的重要方向。離岸大型圍網作為一種新型養殖模式，相對于傳統的網箱養殖，可有效利用海域的餌料生物，促進魚類攝食平衡；同時，依托圍網設施建立魚、貝及藻類的立體混養系統可起到凈化周圍海域環境、降低養殖污染的作用[1]。離岸大型圍網設施可布置于開闊水域，由于圍網結構規格較大，受到海水潮汐、風浪等作用明顯。通過開展圍網水動力特性研究，可為其設計選型、海上安裝等提供依據。

目前，國內已建立的大型圍網設施主要分為柱樁式、堤壩式、網格式與浮繩式等，網衣材料多采用聚乙烯或銅合金。石建高[2-3]開展了多種圍網設施的系統研究，實現了超高分子量聚乙烯網衣、銅合金網衣等新型網衣材料在大型圍網設施上的應用，獲發明專利多項；王磊等[4]分析了柱樁式銅合金圍網養殖設施的發展現狀；桂福坤等[5]對一種樁柱式圍網網片的波浪力學特性開展研究，著重分析了不同網片尺度和固定方式下單元網片的網線張力分布、結節偏移和樁柱系縛點受力特性；陳天華等[6]采用集中質量點法和網目群化法，結合數值模擬技術探討樁柱式圍網網片單元在水流作用下的力學特性；葉衛富等[7]結合實際生產需要，設計模型水槽試驗，開發出適宜于水深5～10 m的養殖浮繩式圍網設施。

本研究以布設于萊州灣海域的一種大型浮繩式圍網為研究對象，通過水池模型拖曳試驗，以及基于有限元分析軟件提供的參數化建模技術，對其在波流作用下的水動力特性進行研究，研究結果可為浮繩式圍網工程設計提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設備

圍網模型試驗在中國水產科學研究院東海水產研究所網具模型試驗水池進行。試驗靜水池主尺度90 m×6 m×3 m；拖車拖速0.1～4.0 m/s，相對精度P≤0.1%；測力系統使用自行研制的經防水處理后的LH-S02微型力傳感器，量程0～20 kg，測力儀器的線性誤差小于滿量程的0.5‰；利用ROV水下攝影機獲取網衣變形情況[8]。

1.2 圍網原型及模型規格參數

浮繩式圍網原型規格為長100 m×寬50 m，網片選用聚乙烯材料，網目尺寸60 mm，網線直徑6 mm。網片為L型，立網20 m，底網2.5 m，立網底部與木樁繩子連接固定于海底。泡沫浮子固定在上口網綱上，浮子規格直徑500 mm×長900 mm，共333個浮子可提供59 t浮力(圖1)。圍網模型選用大尺度比λ為50、小尺度比λ′為2進行制作。網衣材料為PE經編網，網目尺寸30 mm，網線直徑3 mm。上綱總長6 m，由直徑6 mm PE繩穿80個直徑46 mm×長60 mm的圓柱形泡沫塑料浮子構成，實物網具設計配備浮力換算為模型為77 N。下綱與直徑20 mm不銹鋼管焊接成的矩形框(2 m×1 m)按縮結系數均勻繞結而成。

圖1 浮繩式圍網現場圖

1.3 試驗方法

根據漁具模型試驗準則1(田內準則)進行[9-11]。浮繩式圍網模型上綱可自由變形，下綱繞結于不銹鋼矩形框。試驗時固定不銹鋼矩形框于導流桿，固結點為水面下0.4 m，上綱上取迎流面矩形直角對應上綱的2點各作為測力點，測力傳感器固定于拖桿與上綱兩角之間，測力方向與運動方向平行，試驗連接見圖2。

根據運動轉換定律，拖車車速等同于水流速度。模型試驗速度分別為0.18、0.36、0.55、0.73和0.91 m/s，對應實際流速為0.26、0.51、0.77、1.02和1.28 m/s。圍網阻力的測試通過LH-S02微型力傳感器進行采集，由電腦軟件讀取。測力試驗分別針對圍網迎流面邊長為1 m和2 m兩種情況下進行。

圖2 模型試驗布置圖

1.4 數值模擬

根據有限元動力分析方法，浮繩式圍網整體結構在波流場中的運動可由公式(1)表示[12]：

(1)

F(t)和R(t)分別是流體靜載荷和動載荷效應引起的等效節點力矢量。

圍網主要由浮子與柔性的網衣組成，圍網結構離散后形成不同的結構單元，首先獲取不同特性單元的質量矩陣、剛度矩陣和節點力矢量，然后組裝形成圍網總體結構的質量矩陣、剛度矩陣和節點力矢量。

圍網離散后的浮子單元用管單元來模擬，其單元質量矩陣形式與三維梁單元相似[13]，其中，

(2)

(3)

式中：A、I分別為單元的橫截面積和慣性矩；D、d分別為單元的外徑和內徑；圍網離散后的網衣和錨繩單元用管單元模擬時，僅考慮單元軸向拉伸效應，單元內徑d設置為0，其單元的剛度矩陣與質量矩陣與三維桿單元相同。單元載荷通過Morison方程計算[14-15]：

(4)

通過有限元軟件力學計算模塊內置的管單元模擬離散單元[16]。管單元可模擬拉、壓、彎作用，并且能夠模擬受海洋波流作用下的單軸單元，可以用來計算位于水中的圓管形構件的浮力、波流力的靜載荷與動載荷，其中對于圍網浮子系統可簡化為管單元來模擬。如果單元位于水中，其水動力載荷自動施加；如果單元位于水面以上，則只有重力載荷。因此，數值模型可針對結構單元的位置對其水動力進行自動調節。

2 結果與討論

2.1 圍網水阻力

圖3為當迎流面分別為長邊(L)和寬邊(W)兩種條件下，在試驗流速范圍內，圍網實物整體阻力隨流速變化的關系曲線。由圖可知，圍網整體阻力與流速呈冪函數關系，其回歸函數分別為：

FL=35.69v2.031 4，相關系數R=0.997 6

(5)

FW=29.16v2.079 7，相關系數R=0.997 6

(6)

式中：FL、FW為圍網迎流面分別為長邊和寬邊兩種條件下的整體阻力，kN；v為相對流速，kn。

從圖3可以看出，在相同流速下，當迎流面為長邊時的圍網總阻力均大于迎流面為寬邊時，這是由于迎流面為長邊時圍網阻流面積較大所致。當迎流面為寬邊時，在0.26～1.28 m/s的流速范圍內，圍網的阻力由6 900 N增加到196 060 N，增加了約27倍。

圖3 圍網阻力隨流速變化

2.2 圍網變形

在試驗拖速下，利用ROV水下攝影機可見，當迎流面長度為1 m、拖速為0.51 m/s時，所有的浮子可浮于水面上方。隨著拖速的上升，迎流面網片在水平方向彎曲成弧形，在垂直方向也呈彎曲狀。隨著拖速的增加，網片彎曲程度有所加劇，浮繩式圍網的網衣高度逐漸縮小，浮子向水面下降。當拖速達到1.02 m/s時，與拖曳方向垂直的迎流面網衣上的浮子均下降至水面以下，前側下降的幅度強于后側，但側面的浮子未見沉于水面以下(圖4)。就網形而言，由于下綱形狀固定，上綱由多點系泊，圍網受流后網片從中間彎曲，從而使網衣的有效高度下降。

圖4 圍網變形水下觀察

2.3 波浪作用仿真結果

利用有限元方法建立圍網結構的數值模型，模型具體參數與水池試驗模型一致。圍網結構采用四點錨泊法，迎波面邊長1 m，測邊2 m，網衣高度0.4 m。為提高計算效率，網衣系統采用網目群化方法[17-18]。波浪工況取波高為9 cm，周期1 s為例進行計算[19-20]。圖5為波浪作用下第5秒的圍網瞬時變形情況。計算機模擬的結果顯示，圍網的浮子與網衣系統隨著波浪作周期性的往復運動。

為比較不同位置的浮子運動幅度，選取圍網上綱四角與四邊中點處的浮子，順序按逆時針方向依次編號為1～8(圖5)。圖6為不同位置處浮子的最大橫向位移和縱向位移比較值。從圖6可以看出，浮子的最大橫向位移出現在迎波面兩邊的中點處，而兩側邊中點處的浮子橫向位移最小。此外，與錨繩相連的四角處的浮子最大橫向位移介于前兩者之間。在縱向位移比較中，各點浮子的最大位移值差距不大，上綱四角處的浮子略大于迎波面兩邊中點處，而兩側邊中點處浮子的縱向位移依舊為最小。從圖中還可以看出，除了迎波面兩邊中點外，其余6個位置點浮子的縱向位移均大于橫向位移。由此可見，浮子在波浪作用下的運動較單純水流作用下更為復雜。

圖5 波浪作用下圍網變形

圖6 不同位置浮子運動幅度比較

圖7為不同位置處圍網上綱與下綱網衣連接點網線的最大張力，其中下綱所選取1～8點位置與上綱垂直對應。從圖中可以看出，不同位置處網衣網線的最大張力差別較大。上綱各點中編號1、3、5、7點與錨繩相連接處網線的張力明顯大于其它位置點處。下綱中與網底固定的四角連接處的網線張力為最大。在上綱與下綱中，編號2、6代表的與波浪順向的側邊中點處連接的網線張力值為最小。文獻[5]對樁柱式圍網網片的波浪力學特性研究中，發現網片與樁柱的系縛點最大受力出現在上端點，其次是下端點，且數值上均遠遠大于樁柱中間的系縛點，此結果與本文的計算結果基本一致。此外，由圖中還可看出，在1、3、5、7四角處的位置點，與上綱連接的網線張力要小于與下綱連接的網線張力。

圖7 不同位置網線最大張力比較

3 結論

浮繩式圍網主體由網片和浮子組成，由浮子提供浮力來使網衣展開，網衣所包圍區域可為魚類提供生長空間。從圍網結構組成可以看出，此類結構整體的柔性比較大，當圍網設施布置于開闊海域時，受波浪與海流作用的影響比較大，因此，確保整個圍網系統的穩定性十分重要。通過水池模型試驗，研究了圍網實物阻力與流速變化的關系，得出圍網整體阻力與流速呈冪函數關系。研究發現，圍網整體阻力與其迎流面積相關。隨著流速上升，迎流面的浮子下降于水面下方，浮力不足明顯。建議適當增加迎流面網衣所配備的浮力，以使圍網在較高流速時能夠保持一定的網形。當浮繩式圍網在波浪作用下，上綱中迎浪面中點處浮子的位移最大，而順浪側浮子的位移較小。在網衣張力模擬中，發現網片與錨繩連接點及下綱四角連接處的網線張力較大，因此在實物網衣的制作中，此處的網衣應做加固處理。此外，有關錨泊方式對浮繩式圍網水動力學特性的影響也十分重要，今后將進一步開展研究。

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