組合鋼架式網箱水動力性能分析

張 婧，孫立文，周 游，施興華

(江蘇科技大學，船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212028)

中國海岸線長度位居世界第四，海洋養(yǎng)殖資源充足。但受中國海域氣候的影響以及養(yǎng)殖設施性能的約束，海上養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展不夠充分。提高網箱系統(tǒng)抵御風浪流的能力以及研發(fā)新型養(yǎng)殖網箱變得尤為重要[1-4]。

國內外對于網箱系統(tǒng)已經進行了大量研究，黃六一等[5]、張本[6]通過對張力腿網箱進行水動力特性試驗以及實地考察發(fā)現(xiàn)，張力腿網箱具有好的抗風浪性能。單恒年等[7]對重力式網箱進行了水動力分析，網箱的連接構件數(shù)量增加時，浮架應力和變形將會減少。董海國等[8]、隋留洋等[9]和陳昌平等[10]都對重力式網箱的錨繩力進行研究，結果表明波流同向下的錨繩力大于波流逆向，多點系泊時的系泊力峰值大于單點系泊。徐為兵等[11]和崔勇等[12]對蝶形網箱進行了多海況下的數(shù)值計算，證明了流速對錨繩張力影響最大，雙層網底網箱的最大錨繩力均大于單層網底網箱。崔江浩[13]、江濤等[14]對網箱進行耐流特性研究，不同流速下數(shù)值模擬與試驗結果相差不大。熊占山等[15]研制出了淡水組合式浮動網箱。劉永利等[16]通過對網箱在橫，縱兩種排布下的模型試驗，驗證了在流速高時，縱向排布方式抗風浪性能最好。郭根喜等[17]對高密度聚乙烯圓形網箱錨繩受力實測試驗，驗證了錨繩受力與流速呈正比關系。趙國正[18]對單體、雙體和四體方形網箱進行了水動力分析，結果表明四體方形網箱運動幅度最小。Decew等[19]用試驗和數(shù)值模擬的方法研究了一種重力網箱的水動力性能，結果表明錨繩力試驗結果比數(shù)值模型大。Zhao等[20]通過對箱型和柱形網箱在純波和純流中進行仿真，結果表明柱形網箱比箱型網箱更穩(wěn)定，養(yǎng)殖量更多。Hu等[21]采用ABAQUS研究了2×2組合式網箱系泊系統(tǒng)的運動響應，結果表明雙系泊系統(tǒng)的系泊張力大于正交系泊系統(tǒng)。Xu等[22]通過一系列物理模型試驗驗證了網箱在水面以下時，網箱變形，網線拉力將明顯降低。Myrli等[23]通過流固耦合的方法研究網籠的使用壽命，結果表明聚氨酯網線能夠延長網籠使用壽命。

組合式網箱能夠滿足產業(yè)化和規(guī)模化的發(fā)展要求[24]，是海上養(yǎng)殖業(yè)未來的發(fā)展方向。目前，組合式網箱大多數(shù)都采用串聯(lián)式和雙列式[25]，外網箱包圍內網箱這種形式的組合網箱在海上養(yǎng)殖中已經有所應用。在實際應用中，鉸接外網箱后的組合鋼架式網箱水動力性能會與鉸接前鋼架式網箱的水動力性能有很大差別。

本研究對組合鋼架式網箱進行水動力性能分析，計算各連接系統(tǒng)的受力及網箱的容積剩余率，并與鋼架式網箱的容積剩余率及連接系統(tǒng)受力進行對比，為在實際中運用鉸接外網箱擴大養(yǎng)殖空間提供依據(jù)。

1 水動力學相關理論

1.1 集中質量法

由于網箱結構中的網線及錨繩都屬于柔性桿件，在進行數(shù)值模擬中，采用集中質量法[26]進行計算，假定網衣結構由有限無質量彈簧連接的集中質量構成，集中質量點在網目的中間和兩端，錨繩離散成多個集中質量點與構件。

根據(jù)牛頓第二定律，集中質量點的運動方程為：

(1)

式中：M為集中質量點的質量；a為集中質量點的加速度；F為集中質量點所受水流力；T為網線張力；B為浮力；W為重力。

1.2 Morison方程

一般在計算網衣與錨繩這類細長桿件水動力荷載時，會忽略自身結構對波浪的影響，本研究應用OrcaFlex中拓展后的Morison方程[27]的來計算水動力載荷，方程為：

(2)

式中：f為作用在物體上的單位流體力；Cm=1+C?為慣性力系數(shù)；Δ為排水量；af為水質點絕對加速度；ab為物體絕對加速度；Cd為拖曳系數(shù)；vf為水質點絕對速度；S為拖曳面積。

1.3 網箱容積剩余率計算

網箱在純流，純波浪和波流工況下，在一段時間內的容積剩余率是不斷變化的，最終會達到穩(wěn)態(tài)，此時容積剩余率會處于恒定的狀態(tài)。本研究計算容積剩余率采用Lader等[28-29]提出的方法。圖1為該方法標記點示意圖。如圖1所示，在圓形網衣上進行標記并編號01、03、05、21、23、25、31、33、35。坐標系原點設置在頂部中心，X方向與水流方向相同，Z方向為水流方向的法向，XZ平面為網衣的對稱平面。因為網箱是對稱的，所以測量計算是僅考慮網箱一半。圖中標記的位置用于計算網衣的體積減小量。

圖1 標記點示意圖

通過考慮編號為01-03-05-21-23-25和21-23-25-31-33-35的2個三棱柱的體積減去1/2中心島體積，計算出圓形網衣體積減小的估計值。每個三棱柱的體積可以用Vp來表示：

(3)

式中：An1,n3,n5為跟蹤點n1、n3、n5所圍成的三角形面積，Zn為n點的Z坐標值。容積剩余率Cur如下表示：

(4)

式中：VP0為三棱柱在初始時的體積；Vc為1/2中心島的體積。

2 組合鋼架式網箱模型及計算工況

2.1 組合鋼架式網箱特點與參數(shù)

組合鋼架式網箱主要由中心島、浮架、網衣和錨碇系統(tǒng)等組成，中心島與內網箱浮架間采用36塊板連接，板長30 m，兩板之間夾角10°。在內網箱與外網箱的浮架之間布置有36根鉸鏈連接，設置約束條件，實現(xiàn)鉸鏈上下運動。外網箱網衣網目與內網箱網目數(shù)一致。表1所示，為鋼架式網箱和錨繩的具體特征參數(shù)。圖2a、圖2b分別為組合鋼架式網箱的主視圖和俯視圖，圖3a、圖3b分別為鋼架式網箱的主視圖和俯視圖。

表1 網箱參數(shù)

圖2 組合鋼架式網箱

圖3 鋼架式網箱

2.2 網衣模型

網衣數(shù)值模型是利用水動力有限元分析軟件Orcaflex建立的。在Orcaflex軟件中，網衣模型由“l(fā)ine”模型和“3Dbouy”模型組合而成[30]。“l(fā)ine”模型被用來建立網線，通過設置不同的材料參數(shù)給予模型不同的特性。“3Dbouy”模型為三自由度的小浮體，體積很小，可以布置成小浮標或者連接網線的節(jié)點。圖4為網衣的數(shù)值模型，圖4中01-02表示一段網線。

圖4 網衣數(shù)值模型

2.3 計算工況

本網箱布置在福建海域，結合實際海域，考慮在純流，純波流及波流聯(lián)合3種工況下對連接內外網箱的鉸鏈進行運動響應分析，對組合鋼架式網箱和鋼架式網箱的浮架與網衣連接點張力，網箱容積率和錨繩力進行水動力對比分析，具體工況如下：

純流工況下，入射水流為0°，流速分別為U=0.25 m/s、1 m/s、2.25 m/s、4 m/s，水深為100 m；純波浪工況下，波高為H=1.3 m，周期T=6、7、8 s及浪向0°，水深為100 m；波流工況下，流速U=4 m/s，波高H=1.3 m，T=6 s及波流夾角分別為0°、90°、180°，水深為100 m。

3 水動力分析

3.1 鉸鏈系統(tǒng)垂向運動響應

鉸鏈系統(tǒng)垂向運動響應是衡量組合鋼架式網箱安全的重要參數(shù)。以鉸接點初始位置為坐標原點，對鉸接系統(tǒng)垂向運動響應進行分析。在實際海域中，波流是同時存在的，波流聯(lián)合工況下鉸鏈系統(tǒng)的垂向位移也更貼合實際。圖5為網箱在不同波流夾角下鉸鏈的垂向位移曲線。表2、3、4為鉸接點和外網箱連接點在純水流，純波浪及波流聯(lián)合作用下最大垂向運動幅度及最大有效張力對比。

圖5 波流聯(lián)合作用下連接點垂向位移

表2 純流作用下鉸鏈垂向位移及最大有效張力對比

表3 純波浪作用下鉸鏈垂向位移及最大有效張力對比

表4 波流聯(lián)合作用下鉸鏈垂向位移及最大有效張力對比

由圖5可見，不同波流夾角下，鉸接點的最大垂向運動幅度都小于外網箱連接點的運動幅度，在波流夾角為90°時，垂向運動幅度最大。由表2、3、4可見，在純水流，波流聯(lián)合工況下，鉸接點的最大垂向位移幅度在不同流速，不同波浪夾角下數(shù)值結果相差并不大。但鉸鏈的最大有效張力隨流速的增加反而會減小，隨波流夾角變大而增大。在純波浪工況下，其最大垂向位移幅度隨波浪周期增加而增大，鉸鏈最大有效張力出現(xiàn)在周期T=7 s時。通過對比3種工況下的鉸接點及外網箱連接點的最大垂向位移，可以明顯看出純波浪及波流聯(lián)合工況下的最大垂向位移大于純流工況，這說明鉸鏈的垂向運動位移受波浪的影響較大。結合3種工況下鉸鏈的最大有效張力數(shù)值，可以看出波流工況下鉸鏈的安全性高于其他兩種工況，也體現(xiàn)了通過鉸鏈連接內外網箱這方案的可行性。

3.2 浮架與網衣連接點受力分析

選取與迎流面錨繩mooring 9最近的迎流面外網衣與外浮架的連接點，同時選取與迎流面錨繩mooring 9最近的迎流面內網衣與內浮架的連接點進行分析。圖6為內、外浮架與網衣連接點在純流，純波浪及波流聯(lián)合工況下的有效張力。

圖6 連接點有效張力

由圖6可見，3種工況下，外浮架與網衣連接點的有效張力始終比內浮架與網衣連接點和鋼架式網箱連接點的有效張力大。由圖6a可見，在純流工況下，隨著流速變大，連接點有效張力也變大。內外浮架與網衣連接點的有效張力差也變大。相比鋼架式網箱的連接點有效張力，組合鋼架式網箱的連接點有效張力始終大于鋼架式網箱的連接點有效張力。由圖6b可見，在純波浪工況，外浮架與網衣連接點的有效張力和內浮架與網衣連接點的有效張力低于其他兩種工況，這說明連接點有效張力受波浪的影響小于流以及波流聯(lián)合的影響。由圖6c可見，在波流聯(lián)合工況下，外浮架與網衣連接點的有效張力和內浮架與網衣連接點的有效張力最小時出現(xiàn)在波流夾角為90°時，波流同向與波流逆向時有效張力相差不大。

3.3 網箱容積剩余率

網箱的容積剩余率不僅可以反映網箱生存空間大小，也可以反映網衣的變形程度。計算容積剩余率采用Lader[28]提出的方法。

圖7為純流、純波浪及波流聯(lián)合作用下組合鋼架式內外網箱和鋼架式網箱的最大容積剩余率。由圖7所示，3種工況下，組合鋼架式內網箱和鋼架式網箱的最大容積剩余率大于組合鋼架式外網箱最大容積剩余率，且組合鋼架式內網箱和鋼架式網箱的最大容積剩余率相差不大，這說明在鋼架式網箱鉸接一外網箱不會影響內網箱的生存空間。外網箱的最大容積剩余率也能達到90%以上。在純流工況下，隨著流速變大，網箱的剩余容積率變小。純波浪工況下組合鋼架式外網箱最大容積剩余率低于純流及波流聯(lián)合工況下的最大容積剩余率，這說明網箱的最大容積剩余率受波浪的影響低于流的影響。波流同向和波流逆向時網箱最大容積剩余率大于波流夾角90°時。圖8為純流工況下不同流速的網衣變形。隨著流速的增大，網衣的變形程度也越大。

圖7 網箱容積剩余率對比

圖8 網箱穩(wěn)態(tài)圖

3.4 錨繩力分析

錨繩最大張力是衡量組合鋼架式網箱系泊系統(tǒng)安全性的重要的參數(shù)之一。以迎浪側錨繩mooring 9的錨繩受力情況為對象進行分析。圖9為組合鋼架式錨繩及鋼架式錨繩在純流，純波浪及波流聯(lián)合作用下最大錨繩力對比。由圖9所示，鋼架式網箱的最大錨繩力小于組合鋼架式最大錨繩力，這是由于鉸接外網箱導致的。鉸接一個外網箱后的組合鋼架式網箱最大錨繩力出現(xiàn)在波流夾角為0°的工況，相較于鋼架式網箱增大了16%，且能夠達到API RP 2SK[31]規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)。由圖9a知，同一流速下，兩者之間錨繩力相差較小，且隨著流速增大，兩種形式的網箱最大錨繩力都在增加。同時，純流及波流工況下兩種形式網箱的最大錨繩力都遠大于純波浪工況下，這說明流速對錨繩的影響較大。由圖9c知，波流聯(lián)合作用下，組合鋼架式網箱的錨繩力最大。

圖9 最大錨繩力對比

4 結論

通過數(shù)值模擬對比分析組合鋼架式網箱和鋼架式網箱的水動力性能，結果顯示，組合鋼架式網箱的浮架與網衣連接點有效張力大于鋼架式網箱連接點。因此，組合鋼架式網箱浮架與網衣連接處需要保護措施，預防發(fā)生網衣斷裂或浮架破壞。鉸接點與外網箱連接點的最大垂向位移受流速的影響較小，鉸鏈的最大有效張力會隨著流速增加而減小，最大有效張力在波流聯(lián)合作用下最小。組合鋼架式內網箱在純流、純波浪和波流工況下的最大容積剩余率都在95%以上，外網箱的最大容積率能夠達到90%，在純流工況下內網箱最大容積剩余率高于鋼架式網箱。這表明通過鉸接外網箱在獲得更大養(yǎng)殖空間的同時，對內網箱的養(yǎng)殖空間有一定保護作用。

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