基于SIMA的重力式網箱阻力性能計算

聶雪軍 張恒 劉強 楊靚 田超

[1 南方海洋科學與工程廣東省實驗室(湛江)，廣東湛江 524000；2 武昌船舶重工集團有限公司，湖北武漢 430060；3 中國船舶科學研究中心，江蘇無錫 214082]

走向深遠海是漁業養殖模式發展的必然趨勢，大型深遠海漁業養殖裝備是近幾年海洋工程領域的研究熱點，其中，網衣系統是漁業養殖裝備的重要組成部分，主要用于維護養殖空間、防止魚類逃逸及防止敵害侵襲。網衣系統的阻力性能預報能為設計最佳網衣系統方案提供技術支撐。本文選擇一型具有試驗數據的重力式網箱，通過采用可靠的分析方法對其進行阻力性能預報，以期為后續平臺網衣系統的阻力性能仿真打下良好基礎。

傳統網箱阻力性能計算已有豐富的研究成果。國外對深水網箱水動力特性的研究已有30年的發展歷程，其中挪威、美國、日本、俄羅斯等國的網箱工程技術水平處于世界領先行列。Gosz等[1]采用簡單桿件單元結合改進的拉格朗日公式求解大變形和轉動問題，對潛式網箱系統進行數值研究。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網衣運動方程，并將研究成果成功應用于張力腿網箱的數值計算中。Fredheim等[3-5]采用有限元方法對三維錐形網衣在水流條件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水阻力系數的取值范圍。Enerhaug等[6]和Paschen等[7]通過模型試驗和數值模擬的方法對網狀和實體錐形結構進行了研究，討論了錐形結構對內部流場的影響。Marichal[8]對拖網在水流作用下的形狀特性進行了數值研究，其采用的方法為有限差分法。Lader等[9-10]對圓形三維網衣系統在波浪和水流條件下的計算模型進行了討論，將網衣離散成一種超單元(super-element)結構，并假設作用于單元結構上的速度力起主導作用。

近年來，國內學者也積極開展深海網箱水動力性能的研究工作，主要包括網衣的模型試驗相似準則研究、網衣水阻力系數研究和網衣在波流作用下的動力特性研究等。李玉成等[11]采用物理試驗與數值模擬相互結合的方法，研究了不同布置方式下有結節及無結節網衣阻力系數的變化規律。董國海等[12]研究了波流同向以及波流逆向重力式網箱的受力特性。桂福坤[13]系統闡述了網箱結構模型試驗方法，模型試驗所用相似準則的推導和選取辦法以及試驗數據處理方法。趙云鵬[14]通過集中質量法對波流作用下網衣的動力響應問題進行了數值模擬，計算結果和試驗結果相差較小。許條建[15]研究了不規則波作用下網箱的動力響應問題。

本文采用一種先進的非線性有限元方法對一型重力式網箱進行阻力性能預報，并將預報結果與試驗數據進行比較，表明所用計算方法具有一定可靠性。通過掌握該網衣水動力性能預報技術，可提升我國漁業養殖裝備的設計水平，為增強產品競爭力、搶占漁業裝備市場制高點提供技術支撐。

1 計算原理簡介

SIMA軟件是一款針對海洋工程領域的建模和分析工具，軟件中小尺度構件的水動力載荷采用Morison方程計算，構件所受水平方向的水動力分為水平拖曳力和水平慣性力兩個部分，表達式如下：

(1)

式(1)中，FD為水平拖曳力，FI為水平慣性力，CD為阻力系數，ρ為流體密度，D為構件直徑，ux為波流場水平遭遇速度，CM為慣性力系數，CM=1+Cm，Cm為附加質量力系數。

SIMA中網衣的水動力載荷模型采用Screen model，根據Loland公式可知，作用在網片上的平均阻力和升力計算式如下：

(2)

(3)

式(2)～(3)中，Cd為網片阻力系數，Cl為網片升力系數，A為網片面積，U為網片與水流之間的相對速度。

(4)

(5)

式(4)～(5)中，Sn為網片密實度，θ為網片法線與水流方向的夾角(又稱為攻角)。

對于無結網衣，Sn通過下式計算：

(6)

式(6)中，d為網線直徑，λ為網目邊長。

流體通過網衣的速度衰減通過下式計算：

u=rU

(7)

式(7)中，u為通過網片后的流速，r為縮減因子，可按經驗公式r=1-0.46Cd取值，U為來流速度。

基于非線性有限元的動態平衡方程可表示為：

(8)

2 圓柱形重力式網箱阻力性能計算

為驗證SIMA軟件計算傳統網箱水動力的精度，選取文獻[16]中的圓柱形重力式網箱作為研究對象，首先建立該網箱的實尺度模型，然后根據該文獻中提供的試驗方案分別進行仿真計算(為保證文章結構的相對完整性，部分未提供試驗數據的方案也作了仿真預報)，最后將計算結果與模型試驗結果進行對比。

2.1 網箱概況及數值建模

網箱為圓柱形重力式無底網網箱，主要由浮管框架、網衣、沉子和綱繩組成。模型試驗在NTNU(Norwegian University of Science and Technology)的海洋控制試驗室完成，阻力性能測試在拖曳水池進行，水池長度為26.00 m，寬度為6.45 m，水深1.4～1.5 m，模型縮尺比為1∶25，網箱的主要參數見表1，網衣采用尼龍材料制成。

表1 網箱主要參數

網箱試驗模型和仿真模型的俯視圖見圖1，網箱試驗模型和仿真模型的正視圖見圖2。

圖1 網箱試驗模型(左)和仿真模型(右)的俯視圖

圖2 網箱試驗模型(左)和仿真模型的正視圖(右)

為驗證仿真計算方法的預報精度，采用基于弗汝德的相似準則將網箱模型試驗結果換算到實尺度，計算式如下：

Fs=γ3×Fm

(9)

式(9)中,Fs為實尺度網箱阻力值，γ=為縮尺比，Fm為模型網箱阻力值。

2.2 僅考慮水流作用

表2 僅考慮水流作用的網箱仿真計算結果

2.3 波流聯合作用

本節計算波浪和水流聯合作用下的網箱阻力性能，考慮到通常情況下波流同向時網箱受到的阻力最大，因此僅計算波流同向工況。采用規則波，波浪周期分別為5 s和7.5 s，波幅1.302 m。在不同波浪周期下，分別計算水流速度為0.5 m/s和1.0 m/s的波流聯合作用力。文獻[16]中僅提供了波浪周期5 s、流速1.0 m/s的網箱變形試驗結果。網箱仿真計算結果見表3。按均勻時間間隔，在單個周期各拍攝5張網箱變形圖，同時給出網箱阻力計算的收斂圖。

表3 波流聯合作用的網箱仿真計算結果

2.4 仿真計算誤差分析

通過對比圓柱形重力式網箱的阻力性能計算結果和試驗換算結果可知，仿真計算誤差在12.5%以內，且計算網箱變形與試驗測量變形的趨勢基本一致。造成計算誤差的不確定因素主要包括：(1)相似準則的選用；(2)模型和仿真計算未知輸入參數的設置，如網衣剛度等。為進一步提升網箱阻力性能預報精度，還需開展大量試驗和仿真計算分析。

3 總結

本文運用基于非線性有限元的SIMA軟件開展了網衣阻力性能研究。通過參考1篇已發表的關于網箱水動力性能計算的學術論文，針對論文中的重力式網箱進行實尺度水動力性能仿真預報，對比仿真預報結果和通過相似準則換算后的模型試驗結果，結果表明：(1)網箱的阻力性能與網衣密實度、水流速度和波浪周期等具有強相關關系；(2)采用的仿真方法計算誤差在12.5%以內，且計算網箱變形與試驗測量的變形趨勢一致。因此，采用的仿真方法可用于指導網箱設計及系泊方案分析，也可為后續深遠海大型漁業養殖平臺網衣的水動力計算提供技術支撐。