淺海圍欄牧場設施工程數值模擬分析

鄒海生 朱燁 洪揚 李超

摘要：為了研究淺海養殖圍欄設施的可靠性、安全性，以我國海洋工程的樁基設計及漁用網片水動力性能研究為基礎，應用現代仿真技術與計算機數值模擬技術，對圍欄設施阻力進行模擬計算與分析。研究表明，對單一網片采用數值模擬的方法進行受力分析是可行的，其誤差范圍為±3 N，采用數值模擬方法對圍欄設施的水動力性能進行研究，得出隨著樁柱數的增加、流速的加快，圍欄設施的總阻力也逐漸增大，同時在一定區間內其總阻力的變化小，適當增加樁柱數或選擇合適樁柱數，對圍欄設施有很好的保護作用。

關鍵詞：養殖圍欄設施;樁柱;網片;數值模擬

中圖分類號： S953.2文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）08-0238-04

收稿日期：2019-03-22

基金項目：中國水產科學研究院基本科研業務費專項（編號：2017HY-ZD0603）。

作者簡介：鄒海生（1981—），男，安徽合肥人，工程師，主要從事海洋漁業裝備設施研究。Tel：（021）67866750;E-mail：zouhaisheng@fmiri.ac.cn。

淺海牧場式圍欄設施與生態養殖符合漁業轉方式、調結構的發展方向，是海水養殖結構調整產業升級的重要新興技術，有廣闊的產業應用前景。圍欄牧場養殖設施是漁業裝備與工程集成應用、相輔相成的重要體現[1-5]。目前該模式發展迅速，但存在規模較小、成本較高、養殖對象單一、技術不夠成熟等問題;同時在圍欄構建中普遍缺乏關于風、浪、流的基礎理論作依據，且國內相關研究較少，在實際使用中存在著結構安全性的問題，可造成養殖生產的巨大經濟損失等問題。

趙云鵬等對不同流速和不同沖角組合情況下的單片網衣周圍的流場進行了數值模擬[6];王磊等介紹了樁柱式銅合金圍欄養殖發展現狀及圍欄結構強度，并提出幾點建議[7];陳昌平等研究了水流作用下金屬網衣的水阻力，結果發現，網線直徑加大會增加水的阻力[8]。現有研究大部分都是利用數值方法對網衣受力進行3個方向上的分析，而關于樁柱和網衣的模擬研究鮮見報道。為研究立柱的抗風浪性能、圍欄網繩的受力情況，本研究先采用Fluent軟件對單一網片水動力性能進行數值模擬[9-10]，并修正計算過程和有關參數，驗證數值模擬的可行性，再對不同流速下不同樁柱圍欄設施受力情況以及在同一流速下，不同樁柱圍欄設施的受力情況進行計算機模擬，探討不同樁柱對圍欄設施受力的影響，旨在為圍欄設施的總體設計提供可靠的技術支持。

1?流體力學控制方程

海浪運動為不可壓縮性流動，因此本研究中流體運動的控制方程采用不可壓縮黏性流體Navier-Stokes方程組[11-12]：

ρt+xi（ρui）=0

t（ρui）+xj（ρuiuj）=-pxi+ρgi+xjμuixj+Si。（1）

式中：ρ為流體密度;t為時間;xi，xj（i=1，2，3;j=1，2，3）為3個方向上的空間坐標;ui、uj為3個方向的速度分量;p為壓強;gi為3個方向上的加速度;μ為動力黏性系數;Si為源項。

RNGk-ε模型具有較高的精確度和可信度，已被廣泛應用到各種湍流模擬中。本研究采用 RNGk-ε 模型進行模擬，對于不可壓縮波浪，其輸運方程為

kt+xi（kui）=xjakveffkxj+Gk-ε

εt+xi（εui）=xjaεveffεxj+G1εεkGk-G2εε2k。（2）

式中：veff為有效黏度;Gk為由于平均速度梯度引起的湍動能k的產生項;ε為湍流耗散率;常數ak=aε=1.39，G1ε=1.42，G2ε=1.68。

2?單一網片水動力性能數值模擬及試驗驗證

2.1?網片三維模型

利用計算流體力學軟件Fluent對單一網片進行水動力性能數值模擬[13-14]，網片大小為480 mm×480 mm，網繩直徑為4 mm，間距為40 mm，實際網繩為上下編織形狀，但該形狀在進行數值計算網格劃分時比較繁瑣，因此將網繩簡化為相互穿透齊平形狀，該簡化操作對于數值計算結果的影響基本可以忽略，簡化后的網片三維模型見圖1。

2.2?網格劃分

計算域選取網前1倍的網片長度，網后4倍的網片長度，如圖2所示。為了得到更加精確的模擬效果以及節省計算時間，在網格劃分時，將網繩附近的網格進行加密，網格由網繩處向外逐漸稀疏，以保證網格有良好的過渡性，這樣既能保證計算的準確性，又能減少計算時間，整體域網格及網繩附近網格見圖3。

由于要計算得到網繩對水流的阻力，而在網繩壁面附近流場變化比較劇烈，因此在劃分網格時網繩周圍要進行邊界層網格劃分，這樣能夠比較真實地捕捉網繩壁面附近的流場情況，網繩附近邊界層網格見圖4。

2.3?計算結果及試驗驗證

本研究模擬計算了流體流速為0.30、0.45、0.60、0.75、0.85 m/s時網片的阻力值，計算結果見表1。由表1、圖5可以看出，數值模擬計算結果與試驗結果吻合較好，說明數值模型的建立、湍流模型的選取、邊界條件的設置及求解器的選取比較合理，誤差范圍為±3 N，由此說明數值模擬計算在網箱阻力計算上具有較好的可行性。

圖6為單一網繩在流體流速為0.6 m/s時周圍的壓力和速度矢量分布， 在網繩迎流面由于受到網繩的阻滯流速會突然減小，壓力增大，流到網繩兩側時速度會增大，網繩背面速度很小，因此所得到的數值模擬流場信息與實際相符。

3?圍欄設施數值模擬及優化

3.1?不同樁柱數模型建立

在“2”節對單一網片數值模擬的基礎上，對圍欄設施進行受力計算， 圍欄設施平面布局形式采用圓形，實際圍欄設施直徑大小為40 m，樁柱直徑為 1 m，水深為10 m，取樁柱數為15、20、25、30進行計算，網目形狀為正方形，數值模擬計算中縮尺比為 1 ∶20，圖7給出了樁柱數為25的圍欄設施平面及三維模型，模型總體直徑為1 996 mm，樁距為 250 mm，相鄰樁柱夾角為14.4°，樁柱直徑為 50 mm。

由于圍欄設施模型較大且網繩較細，導致整個模型的長寬比非常大，給網格劃分帶來了極大的難度，因此在模型高度上選取0.08 m進行計算，三維模型和數值計算模型見圖7。

3.2?不同流體流速圍欄設施阻力數值模擬結果

本研究計算了流體流速為0.11、0.22、0.34、0.45、0.56、0.67 m/s 時不同樁柱數圍欄設施對水流的總阻力，計算結果見圖8。

由圖8可以看出，隨著樁柱數的增加，流速的加快，圍欄設施的總阻力也逐漸增大，在樁柱數為15根時，圍欄設施阻力比其他樁柱數下小，說明此時圍欄設施的主要受力在網繩上，隨著樁柱數減少到一定數量時，總阻力表現為網繩的受力，水流沖擊對于網繩的破壞較大，而當樁柱數增加到30根時，樁柱所受總阻力變大，水流對網繩的沖擊力減小，此時對于網繩有保護作用。同時還可以看出，樁柱為15～25根時，圍欄設施的總阻力相差不多，增加或者減小樁柱，總阻力變化不明顯。

3.3?同一流速圍欄設施所受阻力數值模擬結果

研究同一流速下，不同樁柱數圍欄設施的受力情況。模擬計算了流速為0.45 m/s時圍欄設施受力的變化情況。

從圖9可以看出，在流速為0.45 m/s時，隨著樁柱數的增加，圍欄設施的總阻力增加;在樁柱數為17～20根時總阻力變化較小，而在樁柱數為 20～21根、24～25根、27～28根時總阻力變化較大，可以得出，在一定合理的范圍內，增加樁柱數對總阻力無大影響。根據計算的數據， 擬合得出數學

模型：

y=-0.000 04x4+0.002 2x3-0.035 1x2+0.388 3x+8.990 7;

r2=0.989 7。（3）

4?結論

通過對5個流體流速下網片阻力進行數值模擬分析得出，流體在網繩兩側的速度會增大，網繩背面速度很小，且數值模擬的流場信息與實際相符。證明該數值模型可用于圍欄樁柱的模擬性研究，通過分析不同樁柱數、不同流速下圍欄設施總受力情況，最終可知，流速越大圍欄設施受到阻力越大;同時在樁柱數為15～25根時，圍欄設施總阻力相差不大;在同一流速下，17～20根樁柱范圍內總阻力變化較小;所以在進行圍欄設施設計時，為了保護網繩不被破壞可適當增加樁柱數量，但同時還需考慮成本、制造工藝等方面的問題，還可在一定范圍內或總阻力跳變較大時，選擇合適樁柱數。

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