崔 勇，關(guān)長濤，黃 濱，賈玉東

(農(nóng)業(yè)部海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展重點(diǎn)實驗室，青島市海水魚類種子工程與生物技術(shù)重點(diǎn)實驗室，中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所，山東 青島 266071)

中國海洋資源豐富，離岸海域大多未經(jīng)開發(fā)，而海水養(yǎng)殖由近岸向離岸深遠(yuǎn)海區(qū)域拓展成為“十三五”漁業(yè)發(fā)展的重要方向。離岸大型圍網(wǎng)作為一種新型養(yǎng)殖模式，相對于傳統(tǒng)的網(wǎng)箱養(yǎng)殖，可有效利用海域的餌料生物，促進(jìn)魚類攝食平衡；同時，依托圍網(wǎng)設(shè)施建立魚、貝及藻類的立體混養(yǎng)系統(tǒng)可起到凈化周圍海域環(huán)境、降低養(yǎng)殖污染的作用[1]。離岸大型圍網(wǎng)設(shè)施可布置于開闊水域，由于圍網(wǎng)結(jié)構(gòu)規(guī)格較大，受到海水潮汐、風(fēng)浪等作用明顯。通過開展圍網(wǎng)水動力特性研究，可為其設(shè)計選型、海上安裝等提供依據(jù)。

目前，國內(nèi)已建立的大型圍網(wǎng)設(shè)施主要分為柱樁式、堤壩式、網(wǎng)格式與浮繩式等，網(wǎng)衣材料多采用聚乙烯或銅合金。石建高[2-3]開展了多種圍網(wǎng)設(shè)施的系統(tǒng)研究，實現(xiàn)了超高分子量聚乙烯網(wǎng)衣、銅合金網(wǎng)衣等新型網(wǎng)衣材料在大型圍網(wǎng)設(shè)施上的應(yīng)用，獲發(fā)明專利多項；王磊等[4]分析了柱樁式銅合金圍網(wǎng)養(yǎng)殖設(shè)施的發(fā)展現(xiàn)狀；桂福坤等[5]對一種樁柱式圍網(wǎng)網(wǎng)片的波浪力學(xué)特性開展研究，著重分析了不同網(wǎng)片尺度和固定方式下單元網(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；陳天華等[6]采用集中質(zhì)量點(diǎn)法和網(wǎng)目群化法，結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)探討樁柱式圍網(wǎng)網(wǎng)片單元在水流作用下的力學(xué)特性；葉衛(wèi)富等[7]結(jié)合實際生產(chǎn)需要，設(shè)計模型水槽試驗，開發(fā)出適宜于水深5～10 m的養(yǎng)殖浮繩式圍網(wǎng)設(shè)施。

本研究以布設(shè)于萊州灣海域的一種大型浮繩式圍網(wǎng)為研究對象，通過水池模型拖曳試驗，以及基于有限元分析軟件提供的參數(shù)化建模技術(shù)，對其在波流作用下的水動力特性進(jìn)行研究，研究結(jié)果可為浮繩式圍網(wǎng)工程設(shè)計提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)備

圍網(wǎng)模型試驗在中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所網(wǎng)具模型試驗水池進(jìn)行。試驗靜水池主尺度90 m×6 m×3 m；拖車拖速0.1～4.0 m/s，相對精度P≤0.1%；測力系統(tǒng)使用自行研制的經(jīng)防水處理后的LH-S02微型力傳感器，量程0～20 kg，測力儀器的線性誤差小于滿量程的0.5‰；利用ROV水下攝影機(jī)獲取網(wǎng)衣變形情況[8]。

1.2 圍網(wǎng)原型及模型規(guī)格參數(shù)

浮繩式圍網(wǎng)原型規(guī)格為長100 m×寬50 m，網(wǎng)片選用聚乙烯材料，網(wǎng)目尺寸60 mm，網(wǎng)線直徑6 mm。網(wǎng)片為L型，立網(wǎng)20 m，底網(wǎng)2.5 m，立網(wǎng)底部與木樁繩子連接固定于海底。泡沫浮子固定在上口網(wǎng)綱上，浮子規(guī)格直徑500 mm×長900 mm，共333個浮子可提供59 t浮力(圖1)。圍網(wǎng)模型選用大尺度比λ為50、小尺度比λ′為2進(jìn)行制作。網(wǎng)衣材料為PE經(jīng)編網(wǎng)，網(wǎng)目尺寸30 mm，網(wǎng)線直徑3 mm。上綱總長6 m，由直徑6 mm PE繩穿80個直徑46 mm×長60 mm的圓柱形泡沫塑料浮子構(gòu)成，實物網(wǎng)具設(shè)計配備浮力換算為模型為77 N。下綱與直徑20 mm不銹鋼管焊接成的矩形框(2 m×1 m)按縮結(jié)系數(shù)均勻繞結(jié)而成。

圖1 浮繩式圍網(wǎng)現(xiàn)場圖

1.3 試驗方法

根據(jù)漁具模型試驗準(zhǔn)則1(田內(nèi)準(zhǔn)則)進(jìn)行[9-11]。浮繩式圍網(wǎng)模型上綱可自由變形，下綱繞結(jié)于不銹鋼矩形框。試驗時固定不銹鋼矩形框于導(dǎo)流桿，固結(jié)點(diǎn)為水面下0.4 m，上綱上取迎流面矩形直角對應(yīng)上綱的2點(diǎn)各作為測力點(diǎn)，測力傳感器固定于拖桿與上綱兩角之間，測力方向與運(yùn)動方向平行，試驗連接見圖2。

根據(jù)運(yùn)動轉(zhuǎn)換定律，拖車車速等同于水流速度。模型試驗速度分別為0.18、0.36、0.55、0.73和0.91 m/s，對應(yīng)實際流速為0.26、0.51、0.77、1.02和1.28 m/s。圍網(wǎng)阻力的測試通過LH-S02微型力傳感器進(jìn)行采集，由電腦軟件讀取。測力試驗分別針對圍網(wǎng)迎流面邊長為1 m和2 m兩種情況下進(jìn)行。

圖2 模型試驗布置圖

1.4 數(shù)值模擬

根據(jù)有限元動力分析方法，浮繩式圍網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)在波流場中的運(yùn)動可由公式(1)表示[12]：

(1)

F(t)和R(t)分別是流體靜載荷和動載荷效應(yīng)引起的等效節(jié)點(diǎn)力矢量。

圍網(wǎng)主要由浮子與柔性的網(wǎng)衣組成，圍網(wǎng)結(jié)構(gòu)離散后形成不同的結(jié)構(gòu)單元，首先獲取不同特性單元的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和節(jié)點(diǎn)力矢量，然后組裝形成圍網(wǎng)總體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和節(jié)點(diǎn)力矢量。

圍網(wǎng)離散后的浮子單元用管單元來模擬，其單元質(zhì)量矩陣形式與三維梁單元相似[13]，其中，

(2)

(3)

式中：A、I分別為單元的橫截面積和慣性矩；D、d分別為單元的外徑和內(nèi)徑；圍網(wǎng)離散后的網(wǎng)衣和錨繩單元用管單元模擬時，僅考慮單元軸向拉伸效應(yīng)，單元內(nèi)徑d設(shè)置為0，其單元的剛度矩陣與質(zhì)量矩陣與三維桿單元相同。單元載荷通過Morison方程計算[14-15]：

(4)

通過有限元軟件力學(xué)計算模塊內(nèi)置的管單元模擬離散單元[16]。管單元可模擬拉、壓、彎作用，并且能夠模擬受海洋波流作用下的單軸單元，可以用來計算位于水中的圓管形構(gòu)件的浮力、波流力的靜載荷與動載荷，其中對于圍網(wǎng)浮子系統(tǒng)可簡化為管單元來模擬。如果單元位于水中，其水動力載荷自動施加；如果單元位于水面以上，則只有重力載荷。因此，數(shù)值模型可針對結(jié)構(gòu)單元的位置對其水動力進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。

2 結(jié)果與討論

2.1 圍網(wǎng)水阻力

圖3為當(dāng)迎流面分別為長邊(L)和寬邊(W)兩種條件下，在試驗流速范圍內(nèi)，圍網(wǎng)實物整體阻力隨流速變化的關(guān)系曲線。由圖可知，圍網(wǎng)整體阻力與流速呈冪函數(shù)關(guān)系，其回歸函數(shù)分別為：

FL=35.69v2.031 4，相關(guān)系數(shù)R=0.997 6

(5)

FW=29.16v2.079 7，相關(guān)系數(shù)R=0.997 6

(6)

式中：FL、FW為圍網(wǎng)迎流面分別為長邊和寬邊兩種條件下的整體阻力，kN；v為相對流速，kn。

從圖3可以看出，在相同流速下，當(dāng)迎流面為長邊時的圍網(wǎng)總阻力均大于迎流面為寬邊時，這是由于迎流面為長邊時圍網(wǎng)阻流面積較大所致。當(dāng)迎流面為寬邊時，在0.26～1.28 m/s的流速范圍內(nèi)，圍網(wǎng)的阻力由6 900 N增加到196 060 N，增加了約27倍。

圖3 圍網(wǎng)阻力隨流速變化

2.2 圍網(wǎng)變形

在試驗拖速下，利用ROV水下攝影機(jī)可見，當(dāng)迎流面長度為1 m、拖速為0.51 m/s時，所有的浮子可浮于水面上方。隨著拖速的上升，迎流面網(wǎng)片在水平方向彎曲成弧形，在垂直方向也呈彎曲狀。隨著拖速的增加，網(wǎng)片彎曲程度有所加劇，浮繩式圍網(wǎng)的網(wǎng)衣高度逐漸縮小，浮子向水面下降。當(dāng)拖速達(dá)到1.02 m/s時，與拖曳方向垂直的迎流面網(wǎng)衣上的浮子均下降至水面以下，前側(cè)下降的幅度強(qiáng)于后側(cè)，但側(cè)面的浮子未見沉于水面以下(圖4)。就網(wǎng)形而言，由于下綱形狀固定，上綱由多點(diǎn)系泊，圍網(wǎng)受流后網(wǎng)片從中間彎曲，從而使網(wǎng)衣的有效高度下降。

圖4 圍網(wǎng)變形水下觀察

2.3 波浪作用仿真結(jié)果

利用有限元方法建立圍網(wǎng)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，模型具體參數(shù)與水池試驗?zāi)Ｐ鸵恢?。圍網(wǎng)結(jié)構(gòu)采用四點(diǎn)錨泊法，迎波面邊長1 m，測邊2 m，網(wǎng)衣高度0.4 m。為提高計算效率，網(wǎng)衣系統(tǒng)采用網(wǎng)目群化方法[17-18]。波浪工況取波高為9 cm，周期1 s為例進(jìn)行計算[19-20]。圖5為波浪作用下第5秒的圍網(wǎng)瞬時變形情況。計算機(jī)模擬的結(jié)果顯示，圍網(wǎng)的浮子與網(wǎng)衣系統(tǒng)隨著波浪作周期性的往復(fù)運(yùn)動。

為比較不同位置的浮子運(yùn)動幅度，選取圍網(wǎng)上綱四角與四邊中點(diǎn)處的浮子，順序按逆時針方向依次編號為1～8(圖5)。圖6為不同位置處浮子的最大橫向位移和縱向位移比較值。從圖6可以看出，浮子的最大橫向位移出現(xiàn)在迎波面兩邊的中點(diǎn)處，而兩側(cè)邊中點(diǎn)處的浮子橫向位移最小。此外，與錨繩相連的四角處的浮子最大橫向位移介于前兩者之間。在縱向位移比較中，各點(diǎn)浮子的最大位移值差距不大，上綱四角處的浮子略大于迎波面兩邊中點(diǎn)處，而兩側(cè)邊中點(diǎn)處浮子的縱向位移依舊為最小。從圖中還可以看出，除了迎波面兩邊中點(diǎn)外，其余6個位置點(diǎn)浮子的縱向位移均大于橫向位移。由此可見，浮子在波浪作用下的運(yùn)動較單純水流作用下更為復(fù)雜。

圖5 波浪作用下圍網(wǎng)變形

圖6 不同位置浮子運(yùn)動幅度比較

圖7為不同位置處圍網(wǎng)上綱與下綱網(wǎng)衣連接點(diǎn)網(wǎng)線的最大張力，其中下綱所選取1～8點(diǎn)位置與上綱垂直對應(yīng)。從圖中可以看出，不同位置處網(wǎng)衣網(wǎng)線的最大張力差別較大。上綱各點(diǎn)中編號1、3、5、7點(diǎn)與錨繩相連接處網(wǎng)線的張力明顯大于其它位置點(diǎn)處。下綱中與網(wǎng)底固定的四角連接處的網(wǎng)線張力為最大。在上綱與下綱中，編號2、6代表的與波浪順向的側(cè)邊中點(diǎn)處連接的網(wǎng)線張力值為最小。文獻(xiàn)[5]對樁柱式圍網(wǎng)網(wǎng)片的波浪力學(xué)特性研究中，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)片與樁柱的系縛點(diǎn)最大受力出現(xiàn)在上端點(diǎn)，其次是下端點(diǎn)，且數(shù)值上均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于樁柱中間的系縛點(diǎn)，此結(jié)果與本文的計算結(jié)果基本一致。此外，由圖中還可看出，在1、3、5、7四角處的位置點(diǎn)，與上綱連接的網(wǎng)線張力要小于與下綱連接的網(wǎng)線張力。

圖7 不同位置網(wǎng)線最大張力比較

3 結(jié)論

浮繩式圍網(wǎng)主體由網(wǎng)片和浮子組成，由浮子提供浮力來使網(wǎng)衣展開，網(wǎng)衣所包圍區(qū)域可為魚類提供生長空間。從圍網(wǎng)結(jié)構(gòu)組成可以看出，此類結(jié)構(gòu)整體的柔性比較大，當(dāng)圍網(wǎng)設(shè)施布置于開闊海域時，受波浪與海流作用的影響比較大，因此，確保整個圍網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性十分重要。通過水池模型試驗，研究了圍網(wǎng)實物阻力與流速變化的關(guān)系，得出圍網(wǎng)整體阻力與流速呈冪函數(shù)關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，圍網(wǎng)整體阻力與其迎流面積相關(guān)。隨著流速上升，迎流面的浮子下降于水面下方，浮力不足明顯。建議適當(dāng)增加迎流面網(wǎng)衣所配備的浮力，以使圍網(wǎng)在較高流速時能夠保持一定的網(wǎng)形。當(dāng)浮繩式圍網(wǎng)在波浪作用下，上綱中迎浪面中點(diǎn)處浮子的位移最大，而順浪側(cè)浮子的位移較小。在網(wǎng)衣張力模擬中，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)片與錨繩連接點(diǎn)及下綱四角連接處的網(wǎng)線張力較大，因此在實物網(wǎng)衣的制作中，此處的網(wǎng)衣應(yīng)做加固處理。此外，有關(guān)錨泊方式對浮繩式圍網(wǎng)水動力學(xué)特性的影響也十分重要，今后將進(jìn)一步開展研究。

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