黃六一， 倪 益， 程 暉， 王欣欣， 趙芬芳， 梁振林,2

(1 中國(guó)海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，山東 青島 266003； 2山東大學(xué)(威海)海洋學(xué)院，山東 威海 266071)

中國(guó)從20世紀(jì)90年代末引進(jìn)并推廣深水抗風(fēng)浪網(wǎng)箱養(yǎng)殖。2012年，全國(guó)抗風(fēng)浪網(wǎng)箱已超過(guò)6 000只，其中60%以上為高密度聚乙烯(HDPE)圓形抗風(fēng)浪網(wǎng)箱?？癸L(fēng)浪網(wǎng)箱常年布設(shè)在半開(kāi)放海域中，受海上惡劣的海洋環(huán)境和氣候考驗(yàn)，要求網(wǎng)箱設(shè)施具有足夠的抗風(fēng)浪特性和耐流特性。開(kāi)展網(wǎng)箱設(shè)施水動(dòng)力學(xué)研究是確保網(wǎng)箱工程安全的重要技術(shù)手段[1-2]。網(wǎng)箱水動(dòng)力研究方法主有理論分析、模型試驗(yàn)、海上實(shí)測(cè)以及數(shù)值模擬，主要是借鑒漁具和海洋結(jié)構(gòu)物水動(dòng)力研究相關(guān)方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行過(guò)一系列研究[3-13]。模型試驗(yàn)是漁具力學(xué)研究的重要手段，其準(zhǔn)則是水槽模型試驗(yàn)的核心問(wèn)題。早在20世紀(jì)20年代就有研究者對(duì)網(wǎng)漁具受力問(wèn)題進(jìn)行相關(guān)研究，并提出了一些關(guān)于網(wǎng)衣模型尺度比選擇的相似準(zhǔn)則，如田內(nèi)準(zhǔn)則、狄克遜準(zhǔn)則及克里斯登生準(zhǔn)則等。浮式網(wǎng)箱的框架主要漂浮于水面，在水流作用下，受到較大興波阻力。網(wǎng)箱模型試驗(yàn)不僅需要考慮水流作用，還要考慮波浪作用，目前常用的基于粘性力相似的田內(nèi)準(zhǔn)則往往難以滿足試驗(yàn)要求。對(duì)此，需要選擇合適的基于重力相似的模型相似準(zhǔn)則應(yīng)用于網(wǎng)箱模型制作和試驗(yàn)。

本研究選取了周長(zhǎng)40 m的HDPE圓形雙浮管重力式網(wǎng)箱養(yǎng)殖設(shè)施為研究對(duì)象，基于田內(nèi)準(zhǔn)則和狄克遜準(zhǔn)則為水槽試驗(yàn)準(zhǔn)則，分別設(shè)計(jì)制作和裝配網(wǎng)箱模型，在循環(huán)水槽中進(jìn)行模型試驗(yàn)，分析、比較二者的試驗(yàn)結(jié)果，檢驗(yàn)其差異性，以期為開(kāi)展網(wǎng)箱水槽模型試驗(yàn)時(shí)選擇試驗(yàn)準(zhǔn)則提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)網(wǎng)箱介紹

1.1.1 實(shí)物網(wǎng)箱

重力式網(wǎng)箱系統(tǒng)由框架、網(wǎng)衣和錨泊3個(gè)系統(tǒng)組成。本試驗(yàn)實(shí)物網(wǎng)箱為目前國(guó)內(nèi)常用的周長(zhǎng)40 m的重力式雙浮管HPDE圓形抗風(fēng)浪網(wǎng)箱。網(wǎng)箱參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)物網(wǎng)箱參數(shù)

注：HDPE—高密度聚乙烯管；PA—尼龍；PE—聚乙烯；PP—聚丙烯;P—周長(zhǎng)；L—長(zhǎng)度；H—高度

1.1.2 模型網(wǎng)箱

根據(jù)實(shí)驗(yàn)水槽試驗(yàn)段尺寸和市場(chǎng)上管材、網(wǎng)衣等實(shí)際材料的規(guī)格，選用大比例尺10∶1，小比例尺2∶1。由于按比例尺換算沒(méi)有對(duì)應(yīng)尺寸的HDPE管材，模型網(wǎng)箱框架選用無(wú)規(guī)共聚聚丙烯(PPR)管材。根據(jù)相關(guān)資料，PPR相對(duì)密度(0.90～0.92)×103kg/m3，拉伸屈服應(yīng)力大于20 MPa；HDPE相對(duì)密度(0.92～0.96)×103kg/m3，拉伸屈服應(yīng)力18～25 MPa，二者材料性能相似[14-15]。模型網(wǎng)箱參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 模型網(wǎng)箱參數(shù)表

1.2 兩種試驗(yàn)準(zhǔn)則介紹

田內(nèi)準(zhǔn)則是基于雷諾數(shù)相似，在自動(dòng)模型區(qū)內(nèi)考慮采用大小尺度比(λ，λ′)進(jìn)行模型設(shè)計(jì)。漁具一般處于水下，水面波動(dòng)對(duì)其影響極小，但網(wǎng)箱與網(wǎng)具的作業(yè)方式有一定的差異，網(wǎng)箱一般布設(shè)在水面上，水流經(jīng)過(guò)網(wǎng)箱時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的波動(dòng)，故水波作用會(huì)對(duì)網(wǎng)箱水動(dòng)力產(chǎn)生一定的影響。由于HDPE網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)的特殊性(由浮管提供浮力)，如果完全按田內(nèi)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，無(wú)法找到合適的管材。本試驗(yàn)以大比例尺選取網(wǎng)箱浮管直徑，按照儲(chǔ)備浮力大小，浮力不足部分采用圓柱形浮球綁扎在浮管下方，補(bǔ)充儲(chǔ)備浮力。

狄克遜準(zhǔn)則基于重力相似，適于在波浪試驗(yàn)中使用。由于采用一個(gè)大尺度比和兩個(gè)小尺度比(λ，λa，λd)，制作模型時(shí)的材料選擇相對(duì)容易。本研究中，由于有合適的網(wǎng)片，狄克遜準(zhǔn)則中的兩個(gè)小尺度比相同[16-17]。表3為兩種準(zhǔn)則下實(shí)物原型與模型的換算公式。

表3 兩種模型準(zhǔn)則的換算公式

注：下標(biāo)1—實(shí)物；下標(biāo)2—模型；λ—大尺度比；λ′—小尺度比；L1、L2—線尺度；a1、a2—目腳長(zhǎng)度；d1、d2—網(wǎng)線直徑；λa—網(wǎng)目尺度比；λd—網(wǎng)線直徑尺度比；v1、v2—作業(yè)速度；t1、t2—時(shí)間間隔；F1、F2—作用力(如張力、重力、浮力等)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在日本東京海洋大學(xué)的循環(huán)水槽進(jìn)行。水槽試驗(yàn)段尺寸9 m×2.2 m×1.6 m(長(zhǎng)×寬×深)；水流流速調(diào)節(jié)范圍10～200 cm/s；槳式流速儀器量程0～200 cm/s，精度1%； 三分力儀量程0～200 N，精度0.5%。

1.4 試驗(yàn)布設(shè)

試驗(yàn)布設(shè)見(jiàn)圖1，網(wǎng)箱固定在三分力儀上，網(wǎng)箱框架在水面的位置依據(jù)其自由漂浮于水面時(shí)的位置確定。

圖1 試驗(yàn)布設(shè)圖

1.5 試驗(yàn)工況

表4 試驗(yàn)流速及依據(jù)模型準(zhǔn)則換算的實(shí)際流速

1.6 浮力沉力配備

根據(jù)實(shí)物網(wǎng)箱浮力和沉力配備，采用兩種準(zhǔn)則換算模型網(wǎng)箱浮力和沉力(表5)。

表5 兩種準(zhǔn)則換算的模型網(wǎng)箱浮力和配重

1.7 數(shù)據(jù)處理方法

根據(jù)水阻力、水阻力系數(shù)和雷諾數(shù)公式[16]分析推算阻力與流速的經(jīng)驗(yàn)公式，以及阻力公式與雷諾數(shù)之間的關(guān)系。

水阻力公式：

(1)

水阻力系數(shù)公式：

(2)

雷諾數(shù)公式：

(3)

式中：F—水阻力，N；C—阻力系數(shù)；Re—雷諾數(shù)；ρ—水密度，kg/m3；S—受流面積(網(wǎng)箱直徑與網(wǎng)箱箱體在水中的縮結(jié)高度的乘積)，m2；v—水流速度，m/s；d—特征尺寸(本試驗(yàn)采用實(shí)物網(wǎng)目目腳大小為0.02 m)；γ—水的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)(取20 ℃水的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)1.008 7×10-6)。

2 結(jié)果與分析

2.1 網(wǎng)箱水阻力

2.1.1 整體網(wǎng)箱阻力

圖2為兩種模型準(zhǔn)則試驗(yàn)中整體網(wǎng)箱(包含框架和網(wǎng)衣)阻力和流速關(guān)系曲線圖，阻力與流速呈冪函數(shù)關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果與傳統(tǒng)的阻力和流速關(guān)系趨勢(shì)相吻合。圖3為依據(jù)田內(nèi)準(zhǔn)則和狄克遜準(zhǔn)則換算結(jié)果的阻力和流速關(guān)系曲線圖?？梢钥闯?，二者在同流速下的阻力非常接近。依據(jù)田內(nèi)準(zhǔn)則換算結(jié)果進(jìn)行回歸分析，阻力(F1)與流速(v)關(guān)系式為：F1=18.063v1.627(R2=0.998)。依據(jù)狄克遜準(zhǔn)則換算結(jié)果進(jìn)行回歸分析，阻力(F2)與流速(v)關(guān)系式為：F2=19.743v1.617(R2=0.994)。

圖2 兩種模型準(zhǔn)則試驗(yàn)中整體網(wǎng)箱阻力和流速關(guān)系

圖3 依據(jù)兩種準(zhǔn)則換算的整體網(wǎng)箱阻力和流速關(guān)系

表6為通過(guò)試驗(yàn)得到的回歸公式換算實(shí)際流速在30～130 cm/s時(shí)整體網(wǎng)箱的阻力結(jié)果。由表6可以看出，田內(nèi)準(zhǔn)則模型試驗(yàn)結(jié)果換算值均小于狄克遜準(zhǔn)則的換算值，二者阻力差約-5%，差異不大。

表6 依據(jù)兩種準(zhǔn)則換算網(wǎng)箱阻力的結(jié)果比較

2.1.2 網(wǎng)箱箱體阻力

試驗(yàn)中單獨(dú)測(cè)量了以狄克遜準(zhǔn)則為模型的網(wǎng)箱框架在不同流速下的阻力，網(wǎng)箱整體阻力減去框架阻力即為網(wǎng)箱箱體阻力。圖4為狄克遜準(zhǔn)則下的模型試驗(yàn)網(wǎng)箱箱體、框架阻力與流速之間的關(guān)系曲線圖。箱體阻力、框架阻力與流速呈冪函數(shù)關(guān)系。由于框架入水面積較小，在水流中的投影面積較小，故其水阻力也較小。

圖4 網(wǎng)箱箱體和浮框阻力與流速關(guān)系

圖5為狄克遜準(zhǔn)則換算下的網(wǎng)箱箱體阻力與流速關(guān)系曲線。依據(jù)狄克遜準(zhǔn)則，回歸公式：F2= 20.669v1.576(R2=0.992)。

圖5 依據(jù)狄克遜準(zhǔn)則換算的網(wǎng)箱箱體阻力與流速關(guān)系

2.2 水阻力系數(shù)

2.2.1 整體網(wǎng)箱水阻力系數(shù)

由于依據(jù)田內(nèi)準(zhǔn)則和狄克遜準(zhǔn)則換算的結(jié)果差異較小，故將二者的換算值放在一起，分析整體網(wǎng)箱阻力系數(shù)(C)和雷諾數(shù)(Re)的關(guān)系。原型網(wǎng)箱直徑12.7 m，箱體在水中的縮結(jié)高度為10 m。圖6為C與Re的關(guān)系曲線圖，C隨著Re的增加而降低，通過(guò)回歸分析，二者呈冪函數(shù)關(guān)系：C=17.587Re-0.354(R2=0.941)。

圖6 整體網(wǎng)箱水阻力系數(shù)(C)與雷諾數(shù)(Re)的關(guān)系

2.2.2 網(wǎng)箱箱體水阻力系數(shù)

圖7為狄克遜準(zhǔn)則下的網(wǎng)箱箱體阻力系數(shù)(C)與雷諾數(shù)(Re)的關(guān)系曲線，C隨著Re的增加而減小，經(jīng)回歸分析，二者呈冪函數(shù)關(guān)系：C=30.526Re-0.424(R2=0.902)。

圖7 圓形網(wǎng)箱箱體水阻力系數(shù)(C)與雷諾數(shù)(Re)的關(guān)系

3 討論

3.1 網(wǎng)箱水阻力特性

依據(jù)兩種模型試驗(yàn)準(zhǔn)則，網(wǎng)箱在水流中水阻力的試驗(yàn)結(jié)果表明，網(wǎng)箱整體阻力以及網(wǎng)箱箱體阻力均隨著流速的增加而增加，阻力與流速呈冪函數(shù)關(guān)系。根據(jù)量綱分析的漁具構(gòu)件阻力與流速二次方呈正比關(guān)系[15]，但本研究結(jié)果與流速1.6次方左右呈正比關(guān)系。Zhao等[18]通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，來(lái)流經(jīng)過(guò)網(wǎng)箱時(shí)網(wǎng)箱內(nèi)部流速明顯降低。而本研究采用的回歸方法，考慮到水流通過(guò)網(wǎng)箱時(shí)的流場(chǎng)變化，阻力與流速的關(guān)系中采用的流速為來(lái)流速度，因此，阻力不是與流速二次方呈正比關(guān)系。

3.2 網(wǎng)箱水阻力系數(shù)特性

網(wǎng)箱整體以及箱體阻力系數(shù)均隨著雷諾數(shù)的增加而降低，二者呈冪函數(shù)關(guān)系。網(wǎng)箱整體結(jié)構(gòu)為圓柱體，在風(fēng)洞和水槽中對(duì)三維圓柱狀繩索等水動(dòng)力系數(shù)的試驗(yàn)研究結(jié)果表明，這些圓柱狀漁具構(gòu)件的阻力系數(shù)均隨著雷諾數(shù)的增加而降低，二者為冪函數(shù)關(guān)系[19-20]。本研究結(jié)果與此相吻合，可以作為雙浮管重力式圓形網(wǎng)箱整體和箱體阻力估算的基本參數(shù)。

3.3 誤差分析

試驗(yàn)表明，在實(shí)際流速30～130 cm/s范圍內(nèi)，田內(nèi)準(zhǔn)則的試驗(yàn)結(jié)果始終略小于狄克遜準(zhǔn)則的試驗(yàn)結(jié)果，二者阻力差約為-5%，可能是由于圓形網(wǎng)箱框架在水面引起水流波動(dòng)較大，因此興波阻力較大。但根據(jù)網(wǎng)具模型兩種準(zhǔn)則的試驗(yàn)換算結(jié)果比較，田內(nèi)準(zhǔn)則更為接近實(shí)測(cè)值[15]，但一般漁具完全處于水下，受到的興波阻力較小。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，二者在一定流速范圍內(nèi)差異不大，表明田內(nèi)準(zhǔn)則和狄克遜準(zhǔn)則均可作為水流中網(wǎng)箱模型試驗(yàn)準(zhǔn)則使用。但在使用田內(nèi)準(zhǔn)則時(shí)，根據(jù)大尺度比確定的管材規(guī)格和沉子規(guī)格，提供的浮力和沉力不能與試驗(yàn)要求的浮力和沉力匹配，需要再配備浮沉力來(lái)滿足試驗(yàn)要求，由此也可能帶來(lái)試驗(yàn)誤差。本研究結(jié)果沒(méi)有與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，因此有待進(jìn)一步研究、比對(duì)，以確定哪種相似準(zhǔn)則的準(zhǔn)確度更高。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，雙浮管重力式圓形網(wǎng)箱整體和網(wǎng)箱箱體的阻力隨著流速增加而增加，二者呈冪函數(shù)關(guān)系。網(wǎng)箱整體阻力系數(shù)(C)隨著雷諾數(shù)(Re)的增加而減小，二者的關(guān)系為C=17.587Re-0.354(R2=0.941)。C隨著Re的增加而減小，二者的關(guān)系為C=30.526Re-0.424(R2=0.902)。在實(shí)際流速30～130 cm/s范圍內(nèi)，田內(nèi)準(zhǔn)則的試驗(yàn)結(jié)果始終略小于狄克遜準(zhǔn)則的試驗(yàn)結(jié)果，二者的阻力差約為-5%。田內(nèi)準(zhǔn)則和狄克遜準(zhǔn)則下的試驗(yàn)結(jié)果在一定流速范圍內(nèi)差異不大，表明這兩種準(zhǔn)則均可作為水流中網(wǎng)箱模型試驗(yàn)準(zhǔn)則使用。

致謝：本研究得到了日本東京海洋大學(xué)胡夫祥教授、曲曉玉博士、程兆海碩士的大力支持，在此表示衷心感謝。

□

參考文獻(xiàn)

[1] 關(guān)長(zhǎng)濤,林德芳,黃濱,等.深海抗風(fēng)浪網(wǎng)箱養(yǎng)殖設(shè)施與裝備技術(shù)的研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代漁業(yè)信息,2007,22(4):3-8.

[2] 徐皓,江濤.我國(guó)離岸養(yǎng)殖工程發(fā)展策略[J].漁業(yè)現(xiàn)代化,2012,39(4):1-7.

[3] 王魯民,黃洪亮,王明彥.圓形重力式網(wǎng)箱阻力性能研究[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào),2004,34(4):554-559.

[4] TSUKROV I,OZBAY M,SWIFT M R,et al. Open ocean aquaculture engineering numerical modeling [J]. Marine Technology Society Journal,2000,34 (1):29-40.

[5] 朱立新,梁振林,趙芬芳,等.網(wǎng)箱的概念簡(jiǎn)化與力學(xué)計(jì)算[J].中國(guó)水產(chǎn)科學(xué),2004,11(Sl):19-25.

[6] 黃六一,梁振林,趙芬芳,等.網(wǎng)箱形狀在海流中變化的模型實(shí)驗(yàn)[J].青島海洋大學(xué)學(xué)報(bào),2006,36(2):244-248.

[7] HUANG CC,TANG H J,LIU J Y,et al. Modeling volume deformation in gravity-type cages with distributed bottom weights or a rigid tub e-sinker [J]. Aquacultural Engineering,2007,37:144-157.

[8] FREDRIKSSON D W,DECEW J C,TSUKROV I,et al. Development of structural modeling techniques for evaluating HDPE plastic net pens used in marine aquaculture [J]. Ocean Engineering,2007,34:2124-2137.

[9] ZHAO Y P,LI Y C,DONG G H,et al. Numerical simulation of the effects of structure size ratio and mesh type on three-dimensional deformation of the fishing-net gravity cage in current [J].Aquacultural Engineering,2007,36:284-301.

[10]LADER P,DEMPSTER T,FREDHEIM A,et al. Current induced net deformations in full-scale sea-cages for Atlantic salmon [J]. Aquacultural Engineering,2008,38:52-65.

[11]崔勇,關(guān)長(zhǎng)濤,萬(wàn)榮,等.基于有限元方法對(duì)波流場(chǎng)中養(yǎng)殖網(wǎng)箱的系統(tǒng)動(dòng)力分析[J].工程力學(xué),2008,27(5):250-256.

[12]黃六一,梁振林,萬(wàn)榮,等.波流作用下網(wǎng)格錨泊的單個(gè)重力式網(wǎng)箱纜繩張力[J].中國(guó)水產(chǎn)科學(xué),2011,18(3):636-645.

[13]黃六一,梁振林,宋偉華,等.方形箱網(wǎng)結(jié)構(gòu)減流效果實(shí)驗(yàn)[J].中國(guó)水產(chǎn)科學(xué),2007,14(5):860-863.

[14]林德芳,關(guān)長(zhǎng)濤,黃文強(qiáng),等.抗風(fēng)浪網(wǎng)箱材料性能的研究[J].海洋水產(chǎn)研究,2004,25(5):57-60.

[15]袁春海.乙丙無(wú)規(guī)共聚PPR管材料B4101性能分析及生產(chǎn)工藝優(yōu)化[J].中外能源,2009,14(7):83-89.

[16]周應(yīng)祺,許柳雄,何其渝.漁具力學(xué)[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2001:119-133.

[17]陳雪忠,黃錫昌.漁具模型試驗(yàn)理論與方法[M].上海:上?？萍汲霭嫔?2011:19-154.

[18]ZHAO Y P,BI C W,DONG G H,et al. Numerical simulation of the flow field inside and around gravity cages [J]. Aquacultural Engineering,2013,52:1-13.

[19]MIYAZAKI Y. Basic investigations on the resistance of fishing net-(Ⅳ) The resistance of ropes placed obliquely to the stream [J]. Journal of Tokyo University of fisheries,1964,50:111-123.

[20]HUANG L Y,ZHANG L,DONG T W,et al. Experimental study on hydrodynamic characteristics of three stranded polyethylene rope[J]. Applied mechanics and material,2014,490-491(4):421-429.