王非，畢春偉，趙云鵬

(大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

近年來，由于過度捕撈及海洋環(huán)境污染的日益嚴重，近海水產品日漸枯竭，近海捕撈量逐年下降。中國要發(fā)展高質量、高效率的養(yǎng)殖產業(yè)，推廣深海網箱養(yǎng)殖勢在必行。

目前，世界深水網箱養(yǎng)殖已經經歷了40余年的發(fā)展，美國、挪威、日本、瑞典等國家走在了大型深水網箱發(fā)展前列。美國的碟形網箱和錨張式網箱具有較強的抗風浪性能，在大風浪、強流條件下，網箱容積損失率低，但是造價高昂，操作不便；挪威的圓形重力式網箱和張力腿網箱，抗風浪能力強，在遭遇極端天氣時，網箱可以自動地沉降到水面以下以降低風浪對其的破壞，且結構相對簡單，運行管理方便，設備成本低廉；日本的浮繩式網箱是一種全柔性結構，網箱體積大，但抗流性能差；瑞典的強力式網箱，由箱架、網箱和餌料艙3部分組成，養(yǎng)殖體積相對較大，容積損失率較小，養(yǎng)殖自動化程度較高[1-4]。中國于1998年從挪威引進圓形雙浮管重力式網箱，并開始研究抗風浪網箱國產化技術，研發(fā)出適用于中國的HDPE重力式網箱(浮式和可沉浮式)。由于可沉浮式網箱養(yǎng)殖空間大，空間層次多樣，具有在臺風來臨時沉入海中而當臺風過后上浮到水面的升降功能，可有效避免風浪沖擊而造成的損壞，所以，可沉浮式網箱逐漸成為目前網箱發(fā)展的趨勢[5-7]。

可沉浮式網箱四周布置有浮體，當遭遇極端天氣時，浮體進水，使網箱重力大于浮力而下沉。極端天氣過后，若使網箱上浮，就要對網箱的進水浮體充入壓縮空氣將浮體內的水排出，使網箱受到的浮力大于重力，達到升降目的[8](圖1)。

網箱升降控制作為可沉浮式網箱升降的關鍵技術，其研究尚不成熟，這嚴重制約了中國可沉浮式網箱的發(fā)展。郭根喜等[9]利用幾何分析法得到網箱半徑、升降幅度、平臺寬度的關系；黃六一等[10]采用模型試驗和幾何分析法對HDPE圓形升降式網箱在靜水中下沉時最大傾角做了研究，找出了網箱沉降最大傾角與網箱系統參數的關系；趙云鵬[11]運用數值模擬研究了純流作用下網箱下潛后的運動情況，發(fā)現了網箱變形、浮架傾角和流速的關系；黃濱等[12]通過大量海上網箱沉浮試驗分析，得出影響網箱沉降性能的外在和內在因素，并提出解決方案；劉永利等[13]提出一種升降式網箱，并通過海上試驗，檢驗了其升降穩(wěn)定性；陳昌平等[14]采用物理模型試驗及數值模擬的方法，對雙體組合式網箱在漂浮狀態(tài)下的浮架傾角和浮架中心點運動幅度進行了研究，得到了二者與水流流速、波浪高度、波浪周期的關系。Kim等[15]開發(fā)了一種氣控半剛性網箱自動沉浮系統，并通過試驗測試了其升降性能與數值模擬結果對比；Kitazawa等[16]提出了一種使用柔性軟管的可沉浮式網箱，檢驗了其在水流條件下的沉浮穩(wěn)定性。

目前國內外關于可沉浮式網箱升降控制的研究主要集中在雙浮管升降式網箱和剛性沉浮式網箱。前者沉浮性能不佳、操作煩瑣，后者工藝復雜、造價高昂。為此，本研究中構建了一種帶螺旋浮管結構的浮架，設計出一種可沉浮式網箱的升降控制系統，以實現網箱在靜水和純流中穩(wěn)定地沉浮。當水體通過注水閥進入浮管，網箱重力大于浮力，網箱下沉；當壓縮空氣通過充氣閥進入浮管，排出管內水體，網箱浮力大于重力，網箱上升。該設計的優(yōu)點是，網箱沉浮時浮架受力均勻，可以有效地抑制網箱的傾斜和變形。

1 材料與方法

1.1 試驗設備

試驗在大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室的波流水槽中進行，水槽長為69 m，寬為2 m，深為1.8 m，配有吸收式不規(guī)則波造波機、微機控制與數據采集系統及兩臺0.8 m3/s軸流泵的雙向造流系統，其他設備包括ADV流速儀、流量計、CCD相機、數據采集系統、空氣壓縮機、計算機等。

1.2 浮架與底圈系統

原型網箱的浮架由兩根高密度聚乙烯浮管、骨架和連接件等組成，兩浮管繞圓周方向螺旋對稱排列(圖2、圖3)，浮架與底圈具體尺寸見表1。

綜合考慮物理模型的幾何相似、運動相似和重力相似定律[17]，最終確定網箱模型的主比尺為λ=40。

表1 網箱模型參數

1.3 網衣系統

網衣是一種由網線構成的柔性結構物，由于網目尺寸和網線直徑很小，若完全按照主比尺制作網衣模型十分困難，而且會給網衣水動力模擬造成較大誤差?？紤]到網衣受力主要為水流阻力，本試驗中采用等效網衣的方法[18]進行網衣的模擬。原型網衣和模型網衣的幾何參數如表1所示，網箱模型實物圖如圖4所示。

1.4 系泊系統

網箱模型系泊型式，采用八點錨碇，錨固錨繩長147 cm,連接錨繩長51 cm,網格錨繩長100 cm，網格錨繩位于水下10 cm處，網箱沉浮深度為20 cm(圖5-A)。由于試驗場地限制，模型試驗中，系泊系統中錨固錨繩的布置采用截斷形式(圖5-B、5-C)，截斷錨繩的長度為52 cm。

1.5 試驗工況

本試驗中設計了5種流速，試驗水深為0.5 m，試驗工況見表2。為了實現網箱模型的下沉，需通過注水閥將水體同時注入浮管1和浮管2，排出兩管中氣體，當網箱重力大于浮力，網箱下沉。要使網箱上浮，只需向浮管1和浮管2充氣，排空兩管中液體，當網箱浮力大于重力，網箱上浮。兩支浮管注水、充氣閥均通過柔性軟管與流量計、空氣壓縮機相連，注水、充氣速率通過流量計控制，注水流量為0.08 L/min，充氣流量為0.16 L/min。

表2 網箱模型計算工況表Tab.2 Velocity conditions in calculation

1.6 運動特性求解方法

試驗時CCD相機鏡頭與浮繩框處于同一水平面，并保持恒定的距離和視角，通過CCD相機記錄網箱運動過程，獲得連續(xù)圖像，利用大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室自行研發(fā)的圖像分析程序對圖像后處理[19]，得到跟蹤點即網箱浮架的運動軌跡及浮架中心點運動的位移、速度、加速度及傾角等。其中傾角為兩跟蹤點所在直線與水面的夾角，取順時針夾角為正，逆時針夾角為負。

2 結果與分析

2.1 浮架沉浮時傾角和速度

本試驗中，通過分析網箱浮架在0、4、7、10、13 cm/s 5種流速下，網箱沉浮時浮架傾角，以及浮架中心運動的位移，來定量地說明該可沉浮網箱設計的合理性。

分析浮架下沉階段傾角(圖6)可知，當流速為0 cm/s時，浮架在靜水中下沉時的最大傾角為2.38°，當流速為4、7、10、13 cm/s時，網箱下沉階段浮架對應的最大傾角分別為-6.41°、-10.04°、-13.84°、-15.68°，這表明，網箱下沉階段浮架最大傾角隨著流速的增大而增大。

分析浮架上浮階段傾角(圖7)可知，當流速為0 cm/s時，浮架在靜水中上浮時的最大傾角為1.91°，當流速為4、7、10、13 cm/s時，網箱上浮階段浮架對應的最大傾角分別為-4.82°、-10.14°、-12.24°、-13.98°，這表明，網箱上浮階段浮架最大傾角隨著流速的增大而增大。

通過分析網箱浮架自開始注水(或充氣)到下沉(或上浮)20 cm的時間，來表示網箱浮架沉浮速度。由圖8可知，當流速為0、4、7、10、13 cm/s時，網箱下沉所需時間分別為49、66.5、69、72、76 s，這表明，網箱下沉階段耗費時間隨著流速增大而增加，即網箱浮架下沉速度隨著流速增大而減小。

由圖9可知，當流速為0、4、7、10、13 cm/s時，網箱上浮所需時間分別為30、32、34、36.5、38 s，這表明，網箱上浮階段耗費時間隨著流速增大而增加，即網箱浮架上浮速度隨著流速增大而減小。

綜上可知，與靜水相比，在水流作用下，網箱模型沉浮時浮架產生的最大傾角明顯增加，且隨著流速的增大浮架沉浮時最大傾角增大，此外，網箱下沉和上浮速度隨著流速增大而減小。

2.2 浮架的勻速運動

網箱下沉和上浮運動過程中均存在勻速運動階段。對于網箱下沉階段，取流速為0、4、7 cm/s時網箱浮架中心點豎直向位移進行分析，對浮架的勻速運動階段各點采用最小二乘法進行直線擬合(圖10)，得到下沉勻速運動階段速度分別為2.34、1.34、0.90 cm/s，對應的勻速運動時間分別為7.0、8.5、12.5 s；對于網箱上浮階段，取流速為0、4、7、10、13 cm/s時網箱浮架中心點豎直向位移進行分析，對浮架的勻速運動階段各點采用最小二乘法進行直線擬合(圖11)，得到上浮勻速運動階段速度分別為3.57、2.97、2.39、1.97、1.45 cm/s，對應的勻速運動時間分別為4.5、5.0、5.5、6.5、9.0 s。

綜上可知，在網箱下沉和上浮的勻速運動階段，其勻速運動的速度隨流速增大而減小，網箱做勻速運動的時間隨著流速增大而增加。

3 討論

本研究中采用物理模型試驗方法，研究了可沉浮式網箱在靜水和純流下的升降運動特性。結果表明，與靜水相比，在水流作用下，網箱模型沉浮時浮架產生的最大傾角明顯增加，且浮架沉浮時最大傾角隨著流速增大而增大。產生這種現象的原因是在水流作用下，網箱受到逆時針方向轉動力矩作用處于傾斜狀態(tài)。當網箱開始下沉時，在轉動力矩作用下網箱迎流側先下沉，隨著網箱迎流側的下沉，網箱背流側也開始下沉，當迎流側連接錨繩開始張緊時，網箱迎流側下沉速度減慢，在網箱兩側下沉速度一致時，網箱達到最大傾角；當網箱開始上浮時，在轉動力矩作用下網箱背流側先上浮，隨著網箱背流側的上浮，網箱迎流側也開始上浮，當背流側連接錨繩開始張緊時，網箱背流側下沉速度減慢，在網箱兩側下沉速度一致時，網箱達到最大傾角。隨著流速的增大，轉動力矩也增大，故網箱在沉浮過程中產生的最大傾角隨之增大。

在水流作用下，網箱下沉和上浮時浮架最大傾角出現在網箱勻速運動階段，產生這種現象的原因是網箱在加速運動階段受到了較大的轉動力矩。建議網箱在純流效應下升降時，適當增加網箱下游側浮架或沉子的配重以抵消轉動力矩，從而網箱獲得更穩(wěn)定的升降性能。

4 結論

本試驗中構建了一種可沉浮式網箱模型，其主要特點是網箱浮架具有雙螺旋分艙結構。經過對該網箱模型進行試驗測試，完成了網箱沉浮的升降運動特性分析，得出如下結論。

(1) 靜水和純流下，網箱表現出優(yōu)良的沉浮穩(wěn)定性。

(2) 與靜水相比，在水流作用下，網箱沉浮時浮架產生的最大傾角明顯增加，且隨著流速增大，浮架最大傾角增大。

(3) 網箱下沉和上浮階段耗費的時間隨著流速增大而增加，網箱下沉和上浮速度隨著流速增大而減小。

(4) 在網箱下沉和上浮的勻速運動階段，其勻速運動的速度隨流速增大而減小，網箱做勻速運動的時間隨著流速增大而增加。