大型漁業養殖平臺水動力特性試驗研究

范亞麗，趙戰華，匡曉峰，劉久軍，何 勇

（1.中國船舶科學研究中心水動力學重點實驗室，江蘇 無錫 214082；2.湖北海洋工程裝備研究院有限公司，武漢 430000）

0 引 言

隨著人類對水產品需求的增加，加之近海環境的嚴重破壞，海洋漁業從以傳統的海洋捕撈為主向深遠海養殖發展成為必然趨勢。而我國深遠海養殖發展缺乏核心裝備，大型智能化養殖裝備的研制工作迫在眉睫，大型漁業養殖平臺則是我國在該領域的大膽創新。對于這種新型裝備，國內相關研究基礎較為薄弱，迫切需要開展相關關鍵技術的攻堅工作。平臺水動力特性作為總體性能設計、優化、評估中的關鍵一環，是很有必要開展的基礎性研究工作，研究成果可為裝備總體研發提供有力的支撐。

大型漁業養殖平臺與傳統的海洋工程結構物在結構型式上有很大的差別，主要體現在主體桁架結構和網衣上，特別是柔性網衣的存在，給數值模擬和模型試驗都帶來很大難度。

有關網衣的研究，較多的是在深水網箱領域，國內外的學者們開展了大量研究。Fredriksson等[1]采用模型試驗方法對重力式網箱在波浪和水流作用下的系泊纜受力和運動特性進行了研究；Tsukrov等[2]采用等效網單元模型對網衣系統進行等效合并，然后通過有限元方法求解運動方程，并將該方法成功應用于張力腿網箱的數值模擬；Fredheim等[3-4]采用有限元方法對三維錐形網衣在水流作用下的特性進行了研究，結合相關模型試驗結果討論了網目目腳和結節阻力系數的取值范圍；李玉成等[5]利用模型試驗對單片網衣在波浪條件下的水動力特性進行了研究，試驗結果為數值模擬中水動力系數的選取提供了依據；趙云鵬等[6]利用數值模擬方法對重力式整體網箱結構在單純波浪、流以及波浪和流聯合作用下的水動力特性進行了數值模擬；詹杰民等[7]采用理論分析和模型試驗的方法研究了雷諾數、網衣密實度、網型及流向對網衣的阻力影響，并采用最小二乘法獲得了法向和切向阻力系數與流速及網衣密實度的關系。

然而，對于大型漁業養殖平臺這一新型結構型式，特別是綜合考慮平臺主體、網衣和系泊系統在風、浪、流聯合作用下的水動力性能預報，很少見到相關研究報道，而且目前也沒有較完善的數值模擬方法可以利用，模型試驗仍是一種重要的研究方法。針對我國自主開發設計的某型漁業平臺，本文通過借鑒在深水網箱領域的研究成果，攻克了平臺主體結構模擬、網衣模擬等關鍵試驗技術，開展漁業養殖平臺水動力試驗研究，獲得平臺固有周期、阻尼、運動和受力特性，為平臺及其系泊系統的優化設計及安全作業評估提供依據。

1 試驗概述

試驗在中國船舶科學研究中心耐波性實驗室進行，該水池主尺度為69 m×46 m×4 m（長×寬×深），具有先進的三維搖板式造波系統、局部風場和流場模擬能力，水池照片見圖1。

圖1 中國船舶科學研究中心耐波性實驗室Fig.1 Seakeeping basin of CSSRC

1.1 研究對象

本文研究工作主要針對作業水深（系泊深度）為50 m的某型漁業養殖平臺，其主要結構包括平臺主體、網衣和系泊系統。綜合考慮平臺主尺度和實驗室設備能力等因素，本次試驗縮尺比為1∶27.78，通過搭建假底的方式實現1.8 m試驗水深的模擬。

平臺主體結構為正六邊形棱柱，底部為圓柱形浮箱（見圖2），直徑為90 m，高度為38.5 m，作業工況吃水為37 m，對應的排水量為11 793 t。

圖2 大型漁業養殖平臺主體結構圖Fig.2 Main structure of the very large fish farm platform

網衣包括六面側網和一面底網，網線材質為復合纖維，直徑為3 mm、線密度為0.015 5 kg/m，網目尺寸為23.5 mm。

系泊系統由混合式系泊纜組成，自上而下為纜—鏈—鏈，各分段材料特性見表1。系泊纜共48根，每8根為一組，每組間隔60°，系泊半徑為290 mm，示意圖見圖3。

表1 系泊系統材料參數Tab.1 Material parameters of mooring system

圖3 系泊系統布置示意圖Fig.3 Layout diagram of mooring system

1.2 模擬方法

海洋工程結構物水動力性能試驗中，原型和模型兩者之間應滿足的相似條件包括幾何相似、運動相似和動力相似，但是要滿足所有性質的力學相似是不可能的，通常滿足主要受力成分的相似，即部分相似。開展以研究海洋結構物風、浪、流下的運動和受力為目的的模型試驗，應遵循Froude相似和Strouhal相似準則。漁業養殖平臺水動力模型試驗也不例外，但該類平臺有其特殊性，比如網衣系統。因此，本次所涉及的模擬方法與常規試驗相比，也有特別之處。

1.2.1 平臺主體結構模擬

漁業養殖平臺主體結構主要為框架結構，與一般海洋裝備差別較大，沒有足夠的壓載布置及調試空間，為實現重心位置、慣量模擬的精確模擬，實驗室建立了模型一體化設計方法。首先采用三維建模軟件，建立包含活動壓載艙在內的完整平臺模型，通過反復迭代確定模型材料、各構件壁厚、活動壓載形狀及重量，使得重心和慣量與原型滿足相似要求；其次，根據三維建模方案開展加工制作，嚴格控制工藝流程和質量，最終完成的模型可直接滿足模擬要求。基于上述方法完成的目標平臺模型設計方案和實物見圖4，其重心模擬誤差不超過1%，慣量模擬誤差不超過2.5%。

圖4 模型設計方案Fig.4 Design of fish farm platform model

1.2.2 系泊系統模擬技術

平臺系泊系統每組8根，在導纜孔處每根間的夾角不足2°，不利于測力傳感器安裝，試驗中進行等效設計，每組等效為2根。等效后的系泊纜根據幾何相似、重量相似和剛度相似對系泊系統進行模擬[8]。幾何相似主要是指按照縮比選取模型系泊纜的長度、直徑以及系泊半徑、深度。重量相似主要是指模型單位長度重量與原型滿足相似關系，進而保證模型與原型系泊纜在靜水中的懸鏈線形狀幾何相似。剛度相似即彈性系數相似，計算公式見式（1），主要是指系泊纜受到的拉力F及其伸長變形Δl之間的關系滿足相似關系。

式中，E為彈性模量，l為系泊纜長度。

依據幾何相似確定了模型系泊纜的長度和直徑，并通過離散而均勻的配載質量塊實現了重量相似，但此時的系泊纜并不滿足剛度相似要求，試驗中通過配接一定長度和彈性系數的彈簧來解決該問題，最終形成的模型系泊纜見圖5。最后，通過單根纜和系統靜力特性試驗對系泊纜模擬準確性進行校核，直至滿足精度要求（見圖6）。

圖5 模型系泊纜Fig.5 Model mooring line

圖6 系泊系統剛度校核結果Fig.6 Calibration results of mooring stiffness

1.2.3 網衣模擬技術

一般來講，網衣模擬應遵循幾何相似、力學相似、重量相似、剛度相似[9]。但是由于平臺主體結構、網衣尺度與網線直徑和網目尺寸存在較大差別，很難按照統一縮尺比進行模擬，如何確定網衣縮比關系是本次試驗的關鍵也是難點問題。

針對網衣特殊結構，研究人員在采用模型試驗方法研究時逐步提出了一些相似準則與改進方法，如Tauti準則、W.Dickson準則和B.A.Christensen準則[10-11]等。以上準則主要是相關學者從事拖網網衣水動力特性的研究時提出的，且都有各自的優缺點及適用范圍。目前，國內較為常用的是Tauti準則，為克服Tauti準則在網箱模型試驗中的困難，提出了改進方法，如桂福坤等提出的面積幾何相似方法，李玉成等提出的采用重力相似準則結合網衣變尺度的模型設計方法[12]等。

通過對現有模擬方法的調研結合本次試驗對象的特點及要求，設計網衣模擬的方法如下：

（1）幾何相似：網衣總尺度即六面側網和一面底網的長、寬尺度與平臺主體采用同一縮尺比，按照幾何相似進行縮比。

（2）力學相似：從網衣受力出發，推導分析相似關系。

在波浪作用下，網衣受力主要是慣性力和阻力，單位長度網線受力可表示為

式中，CD是阻力系數，CM是慣性力系數，ρ是流體密度，d是網線直徑，u是水質點速度。

式（2）右側第二項可寫為

線性波條件下，水質點速度為

這種方法實現的一個最簡單途徑就是在模型中仍采用原型網衣，這樣模型中網線直徑增加了λ倍，對應網目數減少了λ2倍，因此模型中網線的總受力面積恰好保持幾何相似。這種方法存在一些不足，即模型網衣的重量、浮力和剛度有所增加。

（3）重量相似：按照上述阻力相似的方法用原型網衣作為網衣模型時，其重量和浮力增加了λ倍，不滿足相似關系，但是與漁業平臺系統的質量相比該量為小量，不足2%，對試驗結果有較小影響。況且，當漁業平臺系統被視為剛體來研究其運動響應時，僅需其系統總質量及總排水體積滿足相似關系，所以可通過在模型設計中調整壓載質量的方式實現模型網衣重量和浮力的補償。

（4）剛度相似：按照上述阻力相似的方法用原型網衣作為網衣模型時，網衣厚度和網線跨距的變化會導致模型條件下網衣剛度增加。在相同環境作用下，其變形減小，使得網衣與水質點的相對速度增大，但其迎流面積又有所減小，影響網衣受力的兩個因素呈現此消彼長之勢，致使剛度變化對網衣受力影響的趨勢難以分析。因此后續有必要開展相關研究，給出剛度變化對網衣受力的定性影響乃至量化分析，并進一步考慮如何進行剛度修正，獲取更準確的網衣受力。

綜上，本次試驗中原型和模型之間的換算關系為：角位移按1換算，幾何長度、波高、線位移等按縮尺比λ換算，時間和速度按λ換算，重量和力按λ3換算，慣量按λ5換算。

1.3 試驗內容

為獲得深遠海漁業養殖平臺作業狀態下的固有周期、阻尼系數、運動性能和受力情況，設計了靜水中自由衰減試驗、白噪聲試驗以及風浪流聯合作用下的試驗等內容。

2 試驗結果及分析

文中所給出的結果均換算至原型值。

2.1 自由衰減試驗

通過平臺靜水中自由衰減試驗，獲得了縱搖、橫搖、縱蕩、橫蕩和垂蕩運動衰減曲線，見圖7～11。分析衰減曲線，得到平臺縱搖、橫搖和垂蕩固有周期分別為27.1 s、27.5 s、50.8 s、40.1 s和42.2 s。平臺縱、橫搖固有周期較大，避免了與波浪共振的發生，而平臺縱蕩、橫蕩周期較小，主要是因為該平臺重量較常規海工平臺小，且系泊系統剛度較大。另外，從表2中可知，系統阻尼也較常規平臺大些，除平臺自身結構差異外，網衣粘性效應是導致該現象的主要原因。

圖7 縱搖衰減曲線Fig.7 Pitch decay time history

圖8 橫搖衰減曲線Fig.8 Roll decay time history

圖9 縱蕩衰減曲線Fig.9 Surge decay time history

圖10 橫蕩衰減曲線Fig.10 Sway decay time history

圖11 垂蕩衰減曲線Fig.11 Heave decay time history

表2 自由衰減試驗結果Tab.2 Results of decay tests

2.2 白噪聲試驗

白噪聲試驗的主要目的是獲得各自由度運動響應傳遞函數（RAO）。同時設計了有無網衣兩種條件下的白噪聲試驗方案，其目的是為了進行網衣對平臺運動響應影響的初步探索。

需要說明的是，由于漁業平臺固有周期較大，本次試驗中未能獲得完整的RAO曲線，僅對試驗中獲得的數據進行分析。由圖12～14可知：同一浪向下，對于垂蕩而言，網衣對其運動影響不大；對于縱搖，當波浪周期小于12 s時，網衣對其運動影響不大，而波浪周期大于12 s時，網衣的存在加劇了縱搖運動；對于橫搖，當波浪周期小于16 s，網衣對其運動影響不大，而波浪周期大于16 s時，網衣的存在會使橫搖運動顯著增加。

圖12 橫搖RAOFig.12 Roll RAO

圖13 縱搖RAOFig.13 Pitch RAO

圖14 垂蕩RAOFig.14 Heave RAO

2.3 風浪流作用下水動力試驗

為獲得漁業養殖平臺在風、浪、流聯合作用下的運動和系泊纜受力特性，設計了不同譜峰周期、不同浪向等試驗工況組合，具體試驗內容見表3。同時，針對典型工況開展了單純波浪和風、浪、流聯合作用的試驗研究，通過測試平臺6自由度運動和系泊力，分析波浪周期、浪向及不同環境條件對平臺性能的影響，典型試驗照片見圖15。

表3 試驗內容Tab.3 Model test contents

圖15 大型漁業養殖平臺試驗照片Fig.15 Model test of the very large fish farm platform

試驗結果較為豐富，限于篇幅，本文中僅給出對漁業養殖平臺運動性能評估較為重要的統計結果。表4給出了風、浪、流聯合作用下不同浪向、不同譜峰周期組合的典型試驗結果，表5給出了針對工況只有波浪和風浪流聯合作用下的對比結果。

表4 典型試驗結果Tab.4 Typical model test results

表5 不同環境條件對比結果Tab.5 Test results of different environment conditions

分析上述結果可知：

（1）試驗工況下深遠海漁業養殖平臺縱搖最大單幅有義值為0.52°，橫搖為0.23°，垂蕩為0.155 m，縱蕩最大偏移為4.791 m，橫蕩為2.400 m,最大系泊力為490.22 kN，作業工況運動性能良好，利于養殖作業。

（2）運動隨浪向變化規律：對于同一譜峰周期，漁業養殖平臺縱搖、垂蕩運動有義值隨浪向變化規律一致，均是在180°浪向下較大，150°時較小。譜峰周期為8.1 s、9.6 s和12.4 s時，縱搖運動最大單幅有義值分別為0.24°、0.28°和0.52°，垂蕩運動最大單幅有義值分別為0.111 m、0.139 m和0.155 m；而縱蕩運動則呈現不同的變化規律，均是在150°浪向下較大，180°時較小；譜峰周期為8.1 s、9.6 s和12.4 s時，縱蕩運動最大偏移分別為4.003 m、4.186 m和4.791 m。

（3）運動隨譜峰周期變化規律：基于試驗結果，繪制平臺運動隨波浪譜峰周期變化示意圖（見圖16）。由圖顯而易見，縱搖、橫搖、縱蕩、橫蕩和垂蕩運動隨譜峰周期變化規律基本一致，大部分都是隨譜峰周期的增大而增大。

圖16 運動隨譜峰周期變化關系Fig.16 Relation of motion with spectral peak period

（4）系泊力的分布情況與平臺水平運動相關，最大值均出現在150°浪向，且隨譜峰周期的增大而增大，最大值為490.22 kN。

（5）風和流對平臺波頻運動影響較小，縱搖、橫搖和垂蕩運動基本不受影響，但是對水平運動和系泊力影響較大，主要是由于網衣的存在，導致平臺所受流體動力增加，而產生較大的水平位移和系泊張力，可見網衣模擬是否準確對試驗結果影響非常顯著。

另外，為進一步判斷網衣對平臺運動性能的影響，針對表3中的E3工況，開展有無網衣的對比試驗。表6中數據顯示，對于波頻運動垂蕩和縱搖，有網衣的情況下略有增加，但影響不大，基本可忽略；縱蕩最大偏移明顯增加，最大系泊力也隨之大幅增加，這是由于網衣的存在，增加了系統的受力面積，導致系統所受波浪力、流阻力和風力都有所增加，進而產生較大的縱向偏移，迎浪位置的系泊纜也隨著產生較大的拉伸變形，出現較大的系泊張力。

表6 有無網衣工況的試驗結果Tab.6 Test results with and without net

3 結 論

本文在對現有網衣模擬方法調研的基礎上，論證了面積相似的可操作性，為漁業平臺試驗研究積累了豐富的經驗。在解決上述關鍵問題的基礎上，針對目標平臺開展了多種環境要素組合下水池模型試驗，在得到深遠海漁業養殖平臺運動和受力性能的同時，分析了不同環境要素對平臺性能的影響，為平臺及其系泊系統性能評估、優化提供了有效的支撐。主要結論如下：

（1）在總結前人經驗的基礎上，本試驗將原型網衣直接用于模型平臺上并采用一體化平臺系統的設計方法，較好地滿足了平臺系統技術參數的相似要求，其相似準則及模擬技術在深水養殖領域具有推廣應用價值。

（2）深遠海漁業養殖平臺縱橫搖固有周期均在27 s左右，垂蕩固有周期在42 s左右，遠離平臺作業海況波浪周期，表現出良好的運動性能，利于養殖作業。

（3）同一浪向下，對于波頻運動，當波浪周期較小時，網衣對漁業養殖平臺波頻運動影響較小，隨著波浪周期增加，會使縱搖和橫搖運動增大；對于低頻運動，網衣的存在會明顯加劇低頻漂移，進而導致最大系泊張力急劇增大。

（4）縱搖、橫搖、垂蕩等波頻運動一般在180o浪向下較大，而縱蕩、橫蕩等水平運動一般在150o浪向下較大，系泊力與水平相關，其變化趨勢與水平運動一致。通過分析運動、系泊力隨浪向和譜峰周期的變化關系，有助于判別安全作業海況，對漁業養殖平臺作業安全具有一定的指導意義。

（5）風和流對平臺波頻運動影響較小，縱搖、橫搖和垂蕩運動基本不受影響，但是對水平運動和系泊力影響較大。

網衣模型的設計制作在該類模型試驗中一直都是比較棘手的問題。本文采用原型網衣的做法，網衣模擬沒有完全滿足重量相似和剛度相似的條件，對試驗結果會有些影響，為得到更為準確的網衣受力和漁業平臺系統運動、受力情況，有必要進一步探索更為有效的網衣模擬方法。另外，本文還介紹了網衣對平臺運動性能的影響，但沒有考慮網衣載荷特性與平臺性能之間的關系以及網衣對平臺固有周期、阻尼性能的影響，上述內容以及網衣與平臺之間的耦合效應將是后續工作的重點。