陳天華，孟 昂，桂福坤

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波浪高度及方向?qū)吨絿W(wǎng)養(yǎng)殖系統(tǒng)網(wǎng)片水力特性的影響

陳天華，孟 昂，桂福坤※

（浙江海洋大學(xué)國(guó)家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心，舟山 316022）

淺海圍網(wǎng)養(yǎng)殖是一種生態(tài)型養(yǎng)殖模式，樁柱式圍網(wǎng)是其中最為典型的模式之一，主體由排樁和網(wǎng)片組成。圍網(wǎng)網(wǎng)衣系統(tǒng)安全是決定圍網(wǎng)工程安全的關(guān)鍵所在。針對(duì)樁柱式圍網(wǎng)，采用數(shù)值模擬方法對(duì)其主要構(gòu)成部件單元網(wǎng)片在波浪條件下的變形和受力等水力特性進(jìn)行了研究，重點(diǎn)分析了波高（1、2、3、4、5 m）和波向（10°、30°、50°、70°、90°）條件下圍網(wǎng)網(wǎng)片的網(wǎng)線張力分布、結(jié)節(jié)偏移和樁柱系縛點(diǎn)受力特性及影響關(guān)系。結(jié)果表明，樁柱式圍網(wǎng)單元網(wǎng)片的網(wǎng)線最大張力部位主要出現(xiàn)在網(wǎng)片上端兩側(cè)位置，應(yīng)用時(shí)建議強(qiáng)化頂部綱繩的設(shè)計(jì)考慮；波向?yàn)?0°～70°時(shí)，網(wǎng)線最大張力有一段較小的增加量，而結(jié)節(jié)最大偏移隨波向的增大而增大；網(wǎng)片與樁柱系縛點(diǎn)的最大受力呈現(xiàn)兩端大中間小的現(xiàn)象，建議強(qiáng)化頂部和底部系縛點(diǎn)。以上研究結(jié)果可為樁柱式圍網(wǎng)工程設(shè)計(jì)與安裝提供參考。

水產(chǎn)養(yǎng)殖；計(jì)算機(jī)仿真；模型；圍網(wǎng)養(yǎng)殖；單元網(wǎng)片；水力特性；波浪

0 引 言

淺海圍網(wǎng)養(yǎng)殖是繼陸基工廠化養(yǎng)殖、岸邊灘涂養(yǎng)殖和圍塘養(yǎng)殖、淺海網(wǎng)箱養(yǎng)殖之后研發(fā)的一種新興的海水生態(tài)養(yǎng)殖模式，養(yǎng)殖密度低于網(wǎng)箱養(yǎng)殖，單位面積投喂強(qiáng)度低，對(duì)環(huán)境的沖擊較小。淺海圍網(wǎng)養(yǎng)殖水體大，單位成本投入低，養(yǎng)殖產(chǎn)品品質(zhì)在集中養(yǎng)殖模式中最為接近自然生態(tài)，養(yǎng)殖對(duì)象可自由避臺(tái)風(fēng)、多強(qiáng)流，存活率很高[1-2]。但該種養(yǎng)殖模式尚處于起步階段，尚有諸多關(guān)鍵技術(shù)問題有待解決。如設(shè)施抗風(fēng)浪安全問題，盡管淺海圍網(wǎng)設(shè)施尺度大，柔性好，理論上抗風(fēng)浪性能[3]好，但仍需重點(diǎn)考慮網(wǎng)衣系統(tǒng)在波浪、水流等水動(dòng)力環(huán)境下的結(jié)構(gòu)破壞、網(wǎng)衣纏結(jié)等安全問題。

目前，國(guó)內(nèi)外在漁具、網(wǎng)箱等養(yǎng)殖設(shè)施領(lǐng)域的網(wǎng)衣水動(dòng)力特性已有較多研究[4-5]，如李金鑫[6]利用試驗(yàn)以及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法進(jìn)行了網(wǎng)箱關(guān)鍵水動(dòng)力參數(shù)阻力系數(shù)C的研究，并且研究了平面網(wǎng)衣及整體網(wǎng)衣在水流中的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)。劉莉莉等[7]應(yīng)用有限元方法與集中參數(shù)法建立了張網(wǎng)在波流場(chǎng)中的數(shù)值模型，通過數(shù)值模擬來研究張網(wǎng)在波流作用下的水動(dòng)力特性，并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與水槽模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，符合良好。Tsukrov等[8]應(yīng)用有限元法建立了網(wǎng)片在波浪和水流環(huán)境負(fù)荷下的水動(dòng)力響應(yīng)模型，并將其結(jié)果應(yīng)用到計(jì)算張力腿網(wǎng)箱中。陳鹿[9]對(duì)尼龍有結(jié)節(jié)菱形網(wǎng)片與旋轉(zhuǎn)90°后的有結(jié)節(jié)菱形網(wǎng)片的水動(dòng)力進(jìn)行了試驗(yàn)比較研究，再利用MATLAB建立網(wǎng)片模型，模擬固定在方形框架上的尼龍網(wǎng)片，獲得在恒定流作用下的張力分布以及網(wǎng)片空間形狀。董國(guó)海等[10]采用質(zhì)量集中法和剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，建立重力式網(wǎng)箱數(shù)學(xué)模型，模擬在波流逆向和波流同向作用于深水重力式網(wǎng)箱時(shí)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和錨繩力，最終得出波流同向?qū)χ亓κ骄W(wǎng)箱的破壞比波流逆向嚴(yán)重。Fredriksson等[11]通過物理模型和數(shù)值模擬技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，對(duì)網(wǎng)箱及其系泊系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究，采用隨機(jī)法分析了網(wǎng)箱的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和錨繩對(duì)波浪力的負(fù)載響應(yīng)，得出物理模型可以清楚地顯示傾斜共振，數(shù)值模型可以很好地預(yù)測(cè)系纜的張力。王敏法[12]和周成[13]通過建立圍網(wǎng)系統(tǒng)的三維動(dòng)力模型對(duì)金槍魚圍網(wǎng)網(wǎng)具在水流下的運(yùn)動(dòng)變形和受力進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬研究，再利用模型試驗(yàn)和海上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了模型修正和驗(yàn)證，最后預(yù)測(cè)了在各種海況和工況條件下網(wǎng)具的沉降性能和空間形態(tài)等作業(yè)性能。葉衛(wèi)富等[14-15]通過模型試驗(yàn)對(duì)浮繩式圍網(wǎng)的水動(dòng)力特性進(jìn)行了初步研究，受試驗(yàn)條件影響，測(cè)試內(nèi)容及結(jié)果的應(yīng)用有一定局限性。

淺海圍網(wǎng)工程的網(wǎng)衣系統(tǒng)與深水網(wǎng)箱、捕撈漁具結(jié)構(gòu)上有較多不同，網(wǎng)衣系統(tǒng)安全是決定圍網(wǎng)養(yǎng)殖工程安全的關(guān)鍵所在。典型的淺海圍網(wǎng)模式有3種：樁柱式圍網(wǎng)、岸聯(lián)式圍網(wǎng)和浮繩式圍網(wǎng)。樁柱式圍網(wǎng)結(jié)構(gòu)上有其特殊性，主要由管樁和網(wǎng)片構(gòu)成，對(duì)圍網(wǎng)網(wǎng)衣系統(tǒng)的水動(dòng)力研究目前少有報(bào)道。因此，本文采用集中質(zhì)量點(diǎn)法對(duì)樁柱間單元網(wǎng)片建立了波浪作用下的網(wǎng)片數(shù)學(xué)模型，并通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬研究了在不同波高和波向條件下圍網(wǎng)網(wǎng)片的網(wǎng)線張力分布、結(jié)節(jié)偏移和系縛點(diǎn)受力，以期為樁柱式圍網(wǎng)設(shè)計(jì)、制作、海上敷設(shè)和圍網(wǎng)抗風(fēng)浪技術(shù)的研發(fā)等提供參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 數(shù)學(xué)模型

圍網(wǎng)網(wǎng)片屬于典型的柔性結(jié)構(gòu)物，可采用集中質(zhì)量法進(jìn)行模擬。假定網(wǎng)片是由有限的無質(zhì)量彈簧連接的集中質(zhì)量點(diǎn)所構(gòu)成，通過計(jì)算集中質(zhì)量點(diǎn)在波浪和邊界條件作用下的位移，來得到網(wǎng)的形狀[16-18]。模型的集中質(zhì)量點(diǎn)設(shè)于每個(gè)網(wǎng)目目腳的兩端，每個(gè)集中質(zhì)量點(diǎn)包含網(wǎng)目的一個(gè)結(jié)節(jié)和2個(gè)目腳，如圖1所示。

網(wǎng)衣集中質(zhì)量點(diǎn)受力主要包括重力、浮力、網(wǎng)線張力、速度力及慣性力等。網(wǎng)衣受到的波浪力可根據(jù)莫里森方程[19]來計(jì)算。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本文假定網(wǎng)目的結(jié)節(jié)為圓球，其水動(dòng)力系數(shù)在運(yùn)動(dòng)方向上是恒定的；把目腳看作為圓柱形桿件，所以它具有圓柱的水動(dòng)力性質(zhì)，其水動(dòng)力系數(shù)是有方向性的，和水質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度方向有關(guān)[16-18]。在計(jì)算目腳的波浪力時(shí)需考慮波浪入射方向與網(wǎng)線夾角關(guān)系，本文在目腳上建立局部坐標(biāo)系（,,）,方向?yàn)檠啬磕_方向，軸在和水質(zhì)點(diǎn)相對(duì)速度V（見式（1））組成的平面內(nèi)與垂直，軸與和V組成的平面相垂直[20-22]。

式中V為水質(zhì)點(diǎn)相對(duì)速度，m/s；水為水質(zhì)點(diǎn)速度，m/s；0為構(gòu)件速度，m/s。

在整體坐標(biāo)下，局部坐標(biāo)系的，，軸單位矢量可以通過已知的水質(zhì)點(diǎn)相對(duì)速度V和目腳方向=（1?01?0,1?0）向量叉乘得到，為

式中（1,1,1）和（0,0,0）為目腳兩端集中質(zhì)量點(diǎn)的坐標(biāo)；（x,y,z），（x,y,z）和（x,y,z）為局部坐標(biāo)系（,,）3個(gè)軸的單位矢量坐標(biāo)。

所以直接通過向量運(yùn)算建立網(wǎng)線目腳的受力公式，如式（3）所示。

展開為式（4）和式（5）

式中目腳和目腳為網(wǎng)線目腳受到的速度力和慣性力，N；，和為速度力在局部坐標(biāo)系上的分量，N；，和為慣性力在局部坐標(biāo)系上的分量，N；ρ表示水體的密度，kg/m3；"表示網(wǎng)線構(gòu)件的體積，m3；表示波浪水質(zhì)點(diǎn)的速度矢量，m/s；A，A和A為目腳在局部坐標(biāo)系3個(gè)方向上的投影面積，m2；C，C和C為局部坐標(biāo)系3個(gè)方向上的速度力項(xiàng)系數(shù)；C，C和C為局部坐標(biāo)系3個(gè)方向上的慣性力項(xiàng)系數(shù)。

在整體坐標(biāo)系下將各集中質(zhì)量點(diǎn)所包含的結(jié)節(jié)和目腳的受力進(jìn)行累加，并將其分配到集中質(zhì)量點(diǎn)上，然后利用牛頓第二定律建立質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程。網(wǎng)衣模型簡(jiǎn)化后的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程[16-18]為

式中?、分別表示各集中質(zhì)量點(diǎn)的附加質(zhì)量和質(zhì)量，kg；表示各集中質(zhì)量點(diǎn)的加速度矢量，m/s2；表示集中質(zhì)量點(diǎn)所受到的張力矢量，N；、分別表示集中質(zhì)量點(diǎn)的速度力矢量和慣性力矢量，N；表示質(zhì)點(diǎn)的重力矢量，N；表示質(zhì)點(diǎn)的浮力矢量，N；C表示速度力項(xiàng)系數(shù)；表示網(wǎng)線沿波浪方向的投影面積，m2；C表示慣性力項(xiàng)系數(shù)；C表示附加的質(zhì)量力項(xiàng)系數(shù)；為網(wǎng)線直徑，m；0為網(wǎng)線原始長(zhǎng)度，m；為變形后的長(zhǎng)度，m；1、2為構(gòu)件材料彈性系數(shù)。

1.2 計(jì)算方法

建立的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程為典型的二階偏微分方程，可采用歐拉法、龍格庫塔法[23]等多種方法求解。本文利用Fortran軟件編程計(jì)算求解，采用歐拉法即可獲得良好的收斂性。計(jì)算中首先根據(jù)網(wǎng)片的初始狀態(tài)，計(jì)算網(wǎng)線上的波浪力以及網(wǎng)線變形所產(chǎn)生的拉力，基于質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程求解出質(zhì)點(diǎn)的加速度，然后根據(jù)向前歐拉公式

式中x為時(shí)間，為時(shí)間步長(zhǎng)，s；為加速度，m/s2；y為當(dāng)前的速度，y+1為下一時(shí)間步長(zhǎng)的速度，m/s。

可求出下一時(shí)間步長(zhǎng)的質(zhì)點(diǎn)位移和速度，從而確定網(wǎng)片形狀，最后以求出的質(zhì)點(diǎn)位置和速度作為網(wǎng)片新的狀態(tài)參數(shù)，重復(fù)上述步驟直至結(jié)束。

1.3 模型驗(yàn)證

本文引用文獻(xiàn)[24]中的預(yù)加張力放射法系泊網(wǎng)衣波浪試驗(yàn)情況，利用1.1節(jié)和1.2節(jié)的模型和方法對(duì)該文獻(xiàn)物理試驗(yàn)使用的漁用網(wǎng)衣J，在波浪周期1.6 s試驗(yàn)條件下進(jìn)行了1:1的數(shù)值模擬（即數(shù)值模擬中的模型尺寸和條件與物理試驗(yàn)一致）。網(wǎng)衣J尺寸為90.5 cm×80.6 cm（寬×高），材料為PE，單死結(jié)，縮結(jié)系數(shù)均為0.707，網(wǎng)目大小4 cm，網(wǎng)線直徑1.95 mm，網(wǎng)目數(shù)32×28.5。網(wǎng)衣框架為HDPE空心管材，管材外徑14 mm，框架底部距離池底100 mm，水深0.7 m，波高50～250 mm，波浪是恒定波向的規(guī)則波。網(wǎng)衣構(gòu)件由框架、網(wǎng)衣及連接拉線細(xì)鋼絲繩（8股，質(zhì)量輕、無彈性，不伸縮）所組成，波浪測(cè)試時(shí)構(gòu)件受到與波向一致測(cè)力拉線連接形成預(yù)加張力，在預(yù)加張力的作用下，鋼絲繩不會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)。并通過其他拉線把整個(gè)試驗(yàn)構(gòu)件約束在外框架上，不會(huì)產(chǎn)生6種自由度運(yùn)動(dòng)效應(yīng)，保證除了水平方向波浪力可以測(cè)定外，其他方向的約束不會(huì)影響水平方向力的測(cè)定。

圖2給出了各種波高下網(wǎng)衣水平波浪力最大值的模擬結(jié)果。由圖2可知，在各種不同的波高條件下，網(wǎng)衣水平波浪力最大值的模擬值和試驗(yàn)值吻合較好。

1.4 計(jì)算參數(shù)選取

樁柱式圍網(wǎng)所用網(wǎng)衣有多種材質(zhì)，大多采用PE網(wǎng)和超高分子量纖維網(wǎng)，有些圍網(wǎng)也采用金屬網(wǎng)（如銅網(wǎng)[25-26]）。網(wǎng)衣的尺寸也有所不同，單元網(wǎng)片一般寬度為3～5 m，高度一般6～10 m，如圖3所示。本文重點(diǎn)研究波浪對(duì)樁柱間網(wǎng)片不同部位受力分布特性的影響，為簡(jiǎn)化模型，網(wǎng)片全部采用PE材質(zhì)，網(wǎng)片尺度為：3 m×6 m（寬×高），網(wǎng)目大小2=8 cm，網(wǎng)線直徑=3 mm，水平縮結(jié)系數(shù)0.66，垂直縮結(jié)系數(shù)0.75，網(wǎng)目數(shù)量為5 376個(gè)。波浪采用線性波浪理論，傳播方向?yàn)檩S方向，水深10 m。為避免波浪條件下，網(wǎng)片露出水面而導(dǎo)致受力差異，研究時(shí)，網(wǎng)片水下布置深度為二分之一波高。研究時(shí)，波高取1、2、3、4和5 m，波向取10°、30°、50°、70°和90°。波浪周期根據(jù)深水波陡按1:20進(jìn)行設(shè)計(jì)。網(wǎng)片四邊用10 mm繩索加徑，如圖4a所示。網(wǎng)片通過左右兩邊各5個(gè)系縛點(diǎn)等間距固定于樁柱上，固定點(diǎn)間距為1.5 m，如圖4b所示。由于計(jì)算中網(wǎng)片結(jié)節(jié)數(shù)較多，為減少計(jì)算時(shí)間提高計(jì)算效率，采用網(wǎng)目群化方法[27-30]將相鄰64個(gè)網(wǎng)目合并為一個(gè)等效大網(wǎng)目。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 波高對(duì)圍網(wǎng)網(wǎng)片水力特性的影響

本文研究波浪入射角為90°（即波浪入射方向與網(wǎng)片平面垂直）時(shí)，5種不同波高條件下圍網(wǎng)網(wǎng)片的網(wǎng)線最大張力和結(jié)節(jié)最大偏移，以及網(wǎng)片與樁柱系縛點(diǎn)的受力特性。結(jié)節(jié)最大偏移指的是網(wǎng)衣變形后的結(jié)節(jié)到網(wǎng)片初始平面的最大距離。網(wǎng)片與樁柱系縛點(diǎn)受力指的是與系縛點(diǎn)直接相連的網(wǎng)線張力的矢量和，如2號(hào)系縛點(diǎn)受力=網(wǎng)線A張力+網(wǎng)線B張力+網(wǎng)線C張力+網(wǎng)線D張力。

2.1.1 最大網(wǎng)線張力與結(jié)節(jié)偏移

如圖5a所示，網(wǎng)線最大張力出現(xiàn)在網(wǎng)片上端兩側(cè)位置，最大偏移位置位于網(wǎng)片上部。圖5b給出了網(wǎng)線最大張力值與波高的關(guān)系。由圖5b可知，網(wǎng)線最大張力隨波高增大而增大，結(jié)節(jié)最大偏移量同樣隨波高增大而增大。

a. 網(wǎng)線最大張力和結(jié)節(jié)最大偏移部位

a. Position of maximum tension of line and maximum offset of nodes

2.1.2 圍網(wǎng)網(wǎng)片上下緣綱的最大張力與偏移特性

如圖6a所示，上下緣綱最大張力都主要出現(xiàn)在兩側(cè)位置，最大偏移位置分別位于上下緣綱的中間位置。圖6b給出了網(wǎng)片的上下緣綱[31]最大張力值與波高的關(guān)系。由圖6b可見，上下緣綱最大張力與上下緣綱最大偏移量都隨波高增大而增大。

a. 上下緣綱最大張力和最大偏移部位

a. Position of maximum tension and maximum offset of top and bottom cable

2.1.3 圍網(wǎng)網(wǎng)片與樁柱系縛點(diǎn)之間的最大受力

圖7給出了網(wǎng)片與1號(hào)－5號(hào)樁柱系縛點(diǎn)（見圖4b）之間的最大受力分布與波高的關(guān)系。由圖7可知，1號(hào)－5號(hào)系縛點(diǎn)最大受力隨波高增大而增大，而且1號(hào)和5號(hào)系縛點(diǎn)的最大受力比2、3、4號(hào)系縛點(diǎn)增加的更快。其中，1號(hào)系縛點(diǎn)的最大受力比其他系縛點(diǎn)的最大受力大，5號(hào)系縛點(diǎn)的最大受力僅次于1號(hào)系縛點(diǎn)，比2、3、4號(hào)系縛點(diǎn)的最大受力大（波高1 m時(shí)除外，因?yàn)榇藭r(shí)波浪能量在深水中已被衰減至很?。Ｍ瑫r(shí)，隨著波高的增大，這種受力差別越大，表明波高對(duì)1號(hào)和5號(hào)系縛點(diǎn)受力的影響比對(duì)2、3、4號(hào)系縛點(diǎn)受力的影響更大。因此，對(duì)網(wǎng)片首尾兩端的系縛點(diǎn)進(jìn)行加固是非常必要的。

2.2 波浪入射方向?qū)W(wǎng)網(wǎng)片水力特性的影響

本文研究波高=3 m，周期=7 s時(shí)，波浪入射方向?qū)W(wǎng)網(wǎng)片的網(wǎng)線最大張力和結(jié)節(jié)最大偏移，以及網(wǎng)片與樁柱系縛點(diǎn)受力的影響。

2.2.1 最大網(wǎng)線張力與結(jié)節(jié)偏移

如圖8a所示，網(wǎng)線最大張力出現(xiàn)在網(wǎng)片上端兩側(cè)的位置；網(wǎng)片與波浪入射方向成10°時(shí)，結(jié)節(jié)最大偏移出現(xiàn)在網(wǎng)片左上和右上2個(gè)部位，而其他角度時(shí)出現(xiàn)在網(wǎng)片中上部，如圖5a所示。圖8b給出了網(wǎng)線最大張力值與波向的關(guān)系。由圖8b可見，網(wǎng)線最大張力隨波向變大有較小的增加，而結(jié)節(jié)最大偏移量隨波向增大而增大。

2.2.2 圍網(wǎng)網(wǎng)片上下緣綱的最大張力與偏移特性

圖9給出了網(wǎng)片的上下緣綱最大張力值和最大偏移量與波向的關(guān)系。由圖9可知，上下緣綱最大張力隨波向的變大都有較小的增加，而最大偏移量都隨波向增大而增大。不同波向時(shí)的上下緣綱最大張力和最大偏移出現(xiàn)的位置與不同波高時(shí)其出現(xiàn)的位置相同，見圖6a。

2.2.3 圍網(wǎng)網(wǎng)片與樁柱系縛點(diǎn)之間的最大受力

圖10給出了網(wǎng)片與1號(hào)—5號(hào)樁柱系縛點(diǎn)之間的最大受力分布與波向的關(guān)系。由圖10可知，系縛點(diǎn)最大受力隨波向增加有所增大。同時(shí)，1號(hào)和5號(hào)系縛點(diǎn)的最大受力明顯大于2、3、4號(hào)系縛點(diǎn)的最大受力，且1號(hào)系縛點(diǎn)的受力最大，5號(hào)系縛點(diǎn)僅次于1號(hào)系縛點(diǎn)。

a. 波向10°的網(wǎng)線最大張力和結(jié)節(jié)最大偏移部位

a. Position of maximum tension of line and maximum offset of nodes at 10° wave direction

3 討 論

3.1 波高對(duì)圍網(wǎng)網(wǎng)片水力特性的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，由于網(wǎng)片兩側(cè)系縛點(diǎn)較多，綱繩被均勻劃分成多個(gè)小段，而上下緣綱[31]只有2個(gè)系縛點(diǎn)約束，比兩側(cè)的綱繩承受更多的波浪力，加上波浪隨水深的變化[32]，因此最大張力發(fā)生在網(wǎng)片上緣綱兩端，即加徑繩上，表明對(duì)網(wǎng)片四邊進(jìn)行加徑處理是非常必要的。同時(shí)，網(wǎng)線直徑相比綱繩較小，網(wǎng)線比綱繩更易發(fā)生變形，而且網(wǎng)片中間無約束，加上波浪隨水深變化，因此最大偏移發(fā)生在網(wǎng)片上部。在實(shí)際工程中，網(wǎng)片的最大偏移量及發(fā)生的部位是網(wǎng)片編排和設(shè)備安裝的重要指標(biāo)，在最大偏移量以內(nèi)應(yīng)避免有障礙物，否則易導(dǎo)致網(wǎng)線因磨損而斷裂。網(wǎng)片的上下緣綱因?yàn)槭軆啥讼悼`點(diǎn)約束，在波浪作用下兩端會(huì)承受很大的張力，因此有必要對(duì)這兩處位置進(jìn)行特殊加徑處理。但是波高為1 m時(shí)，波浪能量在深水中已被衰減至很小[32]，所以導(dǎo)致下緣綱整體受力均勻且較小。上下緣綱中間無約束因此變形最大都在中間。網(wǎng)片首尾系縛點(diǎn)與其他系縛點(diǎn)相比多了一根橫向的綱繩與之相連，而網(wǎng)片中的網(wǎng)線在波浪作用下的受力，一部分由中間系縛點(diǎn)承擔(dān)，剩余大部分都是通過上下緣綱傳遞到頂部和底部系縛點(diǎn)上，因此，頂部和底部系縛點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)片的主要承受部位。所以兩側(cè)系縛點(diǎn)受力呈現(xiàn)兩端大中間小的現(xiàn)象。頂部系縛點(diǎn)受力最大是由于波浪能量隨水深變化引起的。

3.2 波浪入射方向?qū)W(wǎng)網(wǎng)片水力特性的影響

同理，網(wǎng)線最大張力出現(xiàn)在網(wǎng)片上端兩側(cè)位置，可見，網(wǎng)線最大張力的位置與波向無關(guān)，始終出現(xiàn)在加徑繩上，這也表明對(duì)網(wǎng)片四邊進(jìn)行加徑處理是非常必要的。波向10°時(shí)網(wǎng)線最大張力為239 N，波向30°時(shí)網(wǎng)線最大張力為228 N，兩者相差在5%以內(nèi)，符合誤差范圍，而波向70°和90°時(shí)的網(wǎng)線最大張力相等，都為300 N，因此，網(wǎng)線最大張力隨波向變化的主要增加段在30°和70°之間，小于30°和大于70°時(shí)網(wǎng)線最大張力隨角度變化相對(duì)較小，這從上下緣綱的張力變化也同樣能看出。上下緣綱的最大張力都在緣綱的兩側(cè)，偏移最大的部位都在緣綱的中間，可見，并不受波向的影響。但是有必要對(duì)緣綱兩側(cè)進(jìn)行特殊加徑處理。同樣，由于上下緣綱的影響，系縛點(diǎn)受力呈現(xiàn)首尾兩端大中間小的現(xiàn)象，隨波向增大有所增加，在30°和70°之間變化較大，小于30°和大于70°時(shí)變化較小，因此，除了對(duì)所有系縛點(diǎn)加固外，對(duì)網(wǎng)片首尾兩端的系縛點(diǎn)進(jìn)行特殊加強(qiáng)是非常必要的。

4 結(jié) 論

通過數(shù)值模擬的方法研究了樁柱間單元網(wǎng)片在波浪條件下的水力特性，分析討論了不同波高和波向下的網(wǎng)線最大張力、結(jié)節(jié)最大偏移和網(wǎng)片與樁柱系縛點(diǎn)最大受力，研究得到以下基本結(jié)論：

1）波高對(duì)網(wǎng)線最大張力和結(jié)節(jié)最大偏移都有顯著的影響，網(wǎng)線最大張力和結(jié)節(jié)最大偏移隨波高的增大迅速增加。網(wǎng)線最大張力發(fā)生在網(wǎng)片上端兩側(cè)，結(jié)節(jié)最大偏移發(fā)生在網(wǎng)片上部，位置都不受波高影響。

2）在波向?yàn)?0°～70°時(shí)，網(wǎng)線最大張力有一段較小的增加量，而在小于30°和大于70°時(shí)網(wǎng)線最大張力變化相對(duì)較小。而結(jié)節(jié)最大偏移隨波向的增大而增大。網(wǎng)線最大張力發(fā)生在網(wǎng)片上端兩側(cè)，不受波向影響。

3）網(wǎng)片與樁柱系縛點(diǎn)受力呈現(xiàn)兩端大中間小的現(xiàn)象。頂端和底部系縛點(diǎn)受波高影響較大，中間系縛點(diǎn)受波高影響較小。隨波向增大系縛點(diǎn)受力整體有所增加，在波向?yàn)?0°～70°時(shí)較為明顯。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，建議在樁柱式圍網(wǎng)養(yǎng)殖工程設(shè)計(jì)和施工中強(qiáng)化頂部綱繩以及頂部和底部系縛點(diǎn)的設(shè)計(jì)考慮，從而有效降低風(fēng)險(xiǎn)率。同時(shí)網(wǎng)片的最大偏移量及發(fā)生部位是網(wǎng)片編排和相關(guān)設(shè)備安裝的重要指標(biāo)，需要注意合理設(shè)計(jì)相關(guān)的間距，在最大偏移量以內(nèi)應(yīng)避免有障礙物，防止網(wǎng)線和纜繩因觸碰摩擦而發(fā)生斷裂，確保網(wǎng)線安全。

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Effect of wave height and direction on hydraulic characteristics of net of pile-column type net enclosure aquaculture system

Chen Tianhua, Meng Ang, Gui Fukun※

(,,316022,)

The net enclosure aquaculture (NEA) is a new developing ecological aquaculture pattern in shallow water. The typical patterns include the pile-column type NEA, the shore-cascade type NEA and the floating rope NEA. The pile-column type NEA is mainly composed of piles and net panels. The net system is one of the most important factors which affect the security of the whole NEA system. Because of its especial structure, there are few related reports. Therefore, it is of great significance to carry out research on the hydraulic characteristics of unit net of pile-column type net enclosure in waves. Because unit net belongs to the typical flexible structure, the computing model can be established by the lumped mass point method. Based on Newton’s second law, the equation of particle motion was established to illustrate the motion response of net panel in wave. Wave force can be calculated through the Morison equation. The equation of motion is a typical second order partial differential equation. There are a variety of methods to solve the equation, such as the Euler method and the Runge-Kutta method. In this paper, the program was computed in code, which could obtain a good convergence by using the Euler method. Firstly, the wave force on cables, and the strain produced by the cable deformation were calculated, with the assumption that the net panel was plane without deformation at the beginning. Secondly, the motion equations of each lumped point, which were typical second order partial differential equation, could be obtained according to the Newton equation. Then, the forward Euler’s method was used to calculate the particle displacement and velocity at the next time step. Finally, the particle position and velocity were taken as new state parameters of net panel, and the above steps were repeated until the end of time. The results showed that wave height and wave direction had a significant effect on the maximum tension force in twines, the maximum displacement of nodes and the maximum load at fixing points. The maximum tension of netting twine mainly appeared on both sides of the top position of the net panels and it increased with the wave height increasing. Remarkable increase of the maximum tension in netting twines was found when the wave direction was between 30o and 70o. The maximum offset of net panels was observed mainly at the mid-upper position of the net and it showed a positive correlation with the wave height and wave direction. The maximum load at the fixing points on the pile-column appeared at the top point. The second maximum load point occurred at the bottom. Both of them were much larger than those at the middle fixing points. Therefore, in actual engineering, it is suggested that the fixing points at the top and bottom should be strengthened peculiarly, and the cables at both ends of the top and bottom net should be thickened. At the same time, the maximum offset and corresponding position are important indices for the layout of net and the installation of relevant equipment. So, the reasonable design of related spacing should be considered and the affiliated structures should not be installed within the maximum offset scope to prevent the cables and lines from breaking due to touching and friction. The results of this study are expected to provide theoretical basis and technical support for the design, production and offshore installation of the pile-column type NEA engineering.

aquaculture; computer simulation; models; net enclosure aquaculture; unit net panel; hydraulic characteristic; wave

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.034

TV13

A

1002-6819(2017)-02-0245-07

2016-08-27

2016-12-10

國(guó)家自然科學(xué)重點(diǎn)基金（51239002）；國(guó)家海洋局公益專項(xiàng)（201505025-2）；舟山市海洋專項(xiàng)（2015C41001）

陳天華，男，浙江新昌人，主要從事海洋養(yǎng)殖工程技術(shù)研究。舟山 浙江海洋大學(xué)國(guó)家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心，316022。 Email：809929628@qq.com

桂福坤，男，江西鷹潭人，教授，博士，主要從事海洋養(yǎng)殖工程技術(shù)研究。舟山 浙江海洋大學(xué)國(guó)家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心，316022。Email：gui2237@163.com

陳天華，孟 昂，桂福坤. 波浪高度及方向?qū)吨絿W(wǎng)養(yǎng)殖系統(tǒng)網(wǎng)片水力特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(2)：245－251. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.034 http://www.tcsae.org

Chen Tianhua, Meng Ang, Gui Fukun. Effect of wave height and direction on hydraulic characteristics of net of pile-column type net enclosure aquaculture system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(2): 245－251. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.034 http://www.tcsae.org