鄒海生 朱燁 洪揚(yáng) 李超

摘要：為了研究淺海養(yǎng)殖圍欄設(shè)施的可靠性、安全性，以我國(guó)海洋工程的樁基設(shè)計(jì)及漁用網(wǎng)片水動(dòng)力性能研究為基礎(chǔ)，應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)圍欄設(shè)施阻力進(jìn)行模擬計(jì)算與分析。研究表明，對(duì)單一網(wǎng)片采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行受力分析是可行的，其誤差范圍為±3 N，采用數(shù)值模擬方法對(duì)圍欄設(shè)施的水動(dòng)力性能進(jìn)行研究，得出隨著樁柱數(shù)的增加、流速的加快，圍欄設(shè)施的總阻力也逐漸增大，同時(shí)在一定區(qū)間內(nèi)其總阻力的變化小，適當(dāng)增加樁柱數(shù)或選擇合適樁柱數(shù)，對(duì)圍欄設(shè)施有很好的保護(hù)作用。

關(guān)鍵詞：養(yǎng)殖圍欄設(shè)施;樁柱;網(wǎng)片;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)： S953.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2020）08-0238-04

收稿日期：2019-03-22

基金項(xiàng)目：中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（編號(hào)：2017HY-ZD0603）。

作者簡(jiǎn)介：鄒海生（1981—），男，安徽合肥人，工程師，主要從事海洋漁業(yè)裝備設(shè)施研究。Tel：（021）67866750;E-mail：zouhaisheng@fmiri.ac.cn。

淺海牧場(chǎng)式圍欄設(shè)施與生態(tài)養(yǎng)殖符合漁業(yè)轉(zhuǎn)方式、調(diào)結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向，是海水養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)調(diào)整產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重要新興技術(shù)，有廣闊的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景。圍欄牧場(chǎng)養(yǎng)殖設(shè)施是漁業(yè)裝備與工程集成應(yīng)用、相輔相成的重要體現(xiàn)[1-5]。目前該模式發(fā)展迅速，但存在規(guī)模較小、成本較高、養(yǎng)殖對(duì)象單一、技術(shù)不夠成熟等問(wèn)題;同時(shí)在圍欄構(gòu)建中普遍缺乏關(guān)于風(fēng)、浪、流的基礎(chǔ)理論作依據(jù)，且國(guó)內(nèi)相關(guān)研究較少，在實(shí)際使用中存在著結(jié)構(gòu)安全性的問(wèn)題，可造成養(yǎng)殖生產(chǎn)的巨大經(jīng)濟(jì)損失等問(wèn)題。

趙云鵬等對(duì)不同流速和不同沖角組合情況下的單片網(wǎng)衣周?chē)牧鲌?chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬[6];王磊等介紹了樁柱式銅合金圍欄養(yǎng)殖發(fā)展現(xiàn)狀及圍欄結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并提出幾點(diǎn)建議[7];陳昌平等研究了水流作用下金屬網(wǎng)衣的水阻力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)線直徑加大會(huì)增加水的阻力[8]?，F(xiàn)有研究大部分都是利用數(shù)值方法對(duì)網(wǎng)衣受力進(jìn)行3個(gè)方向上的分析，而關(guān)于樁柱和網(wǎng)衣的模擬研究鮮見(jiàn)報(bào)道。為研究立柱的抗風(fēng)浪性能、圍欄網(wǎng)繩的受力情況，本研究先采用Fluent軟件對(duì)單一網(wǎng)片水動(dòng)力性能進(jìn)行數(shù)值模擬[9-10]，并修正計(jì)算過(guò)程和有關(guān)參數(shù)，驗(yàn)證數(shù)值模擬的可行性，再對(duì)不同流速下不同樁柱圍欄設(shè)施受力情況以及在同一流速下，不同樁柱圍欄設(shè)施的受力情況進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，探討不同樁柱對(duì)圍欄設(shè)施受力的影響，旨在為圍欄設(shè)施的總體設(shè)計(jì)提供可靠的技術(shù)支持。

1?流體力學(xué)控制方程

海浪運(yùn)動(dòng)為不可壓縮性流動(dòng)，因此本研究中流體運(yùn)動(dòng)的控制方程采用不可壓縮黏性流體Navier-Stokes方程組[11-12]：

ρt+xi（ρui）=0

t（ρui）+xj（ρuiuj）=-pxi+ρgi+xjμuixj+Si。（1）

式中：ρ為流體密度;t為時(shí)間;xi，xj（i=1，2，3;j=1，2，3）為3個(gè)方向上的空間坐標(biāo);ui、uj為3個(gè)方向的速度分量;p為壓強(qiáng);gi為3個(gè)方向上的加速度;μ為動(dòng)力黏性系數(shù);Si為源項(xiàng)。

RNGk-ε模型具有較高的精確度和可信度，已被廣泛應(yīng)用到各種湍流模擬中。本研究采用 RNGk-ε 模型進(jìn)行模擬，對(duì)于不可壓縮波浪，其輸運(yùn)方程為

kt+xi（kui）=xjakveffkxj+Gk-ε

εt+xi（εui）=xjaεveffεxj+G1εεkGk-G2εε2k。（2）

式中：veff為有效黏度;Gk為由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng);ε為湍流耗散率;常數(shù)ak=aε=1.39，G1ε=1.42，G2ε=1.68。

2?單一網(wǎng)片水動(dòng)力性能數(shù)值模擬及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1?網(wǎng)片三維模型

利用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent對(duì)單一網(wǎng)片進(jìn)行水動(dòng)力性能數(shù)值模擬[13-14]，網(wǎng)片大小為480 mm×480 mm，網(wǎng)繩直徑為4 mm，間距為40 mm，實(shí)際網(wǎng)繩為上下編織形狀，但該形狀在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格劃分時(shí)比較繁瑣，因此將網(wǎng)繩簡(jiǎn)化為相互穿透齊平形狀，該簡(jiǎn)化操作對(duì)于數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響基本可以忽略，簡(jiǎn)化后的網(wǎng)片三維模型見(jiàn)圖1。

2.2?網(wǎng)格劃分

計(jì)算域選取網(wǎng)前1倍的網(wǎng)片長(zhǎng)度，網(wǎng)后4倍的網(wǎng)片長(zhǎng)度，如圖2所示。為了得到更加精確的模擬效果以及節(jié)省計(jì)算時(shí)間，在網(wǎng)格劃分時(shí)，將網(wǎng)繩附近的網(wǎng)格進(jìn)行加密，網(wǎng)格由網(wǎng)繩處向外逐漸稀疏，以保證網(wǎng)格有良好的過(guò)渡性，這樣既能保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，又能減少計(jì)算時(shí)間，整體域網(wǎng)格及網(wǎng)繩附近網(wǎng)格見(jiàn)圖3。

由于要計(jì)算得到網(wǎng)繩對(duì)水流的阻力，而在網(wǎng)繩壁面附近流場(chǎng)變化比較劇烈，因此在劃分網(wǎng)格時(shí)網(wǎng)繩周?chē)M(jìn)行邊界層網(wǎng)格劃分，這樣能夠比較真實(shí)地捕捉網(wǎng)繩壁面附近的流場(chǎng)情況，網(wǎng)繩附近邊界層網(wǎng)格見(jiàn)圖4。

2.3?計(jì)算結(jié)果及試驗(yàn)驗(yàn)證

本研究模擬計(jì)算了流體流速為0.30、0.45、0.60、0.75、0.85 m/s時(shí)網(wǎng)片的阻力值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。由表1、圖5可以看出，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說(shuō)明數(shù)值模型的建立、湍流模型的選取、邊界條件的設(shè)置及求解器的選取比較合理，誤差范圍為±3 N，由此說(shuō)明數(shù)值模擬計(jì)算在網(wǎng)箱阻力計(jì)算上具有較好的可行性。

圖6為單一網(wǎng)繩在流體流速為0.6 m/s時(shí)周?chē)膲毫退俣仁噶糠植迹?在網(wǎng)繩迎流面由于受到網(wǎng)繩的阻滯流速會(huì)突然減小，壓力增大，流到網(wǎng)繩兩側(cè)時(shí)速度會(huì)增大，網(wǎng)繩背面速度很小，因此所得到的數(shù)值模擬流場(chǎng)信息與實(shí)際相符。

3?圍欄設(shè)施數(shù)值模擬及優(yōu)化

3.1?不同樁柱數(shù)模型建立

在“2”節(jié)對(duì)單一網(wǎng)片數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，對(duì)圍欄設(shè)施進(jìn)行受力計(jì)算， 圍欄設(shè)施平面布局形式采用圓形，實(shí)際圍欄設(shè)施直徑大小為40 m，樁柱直徑為 1 m，水深為10 m，取樁柱數(shù)為15、20、25、30進(jìn)行計(jì)算，網(wǎng)目形狀為正方形，數(shù)值模擬計(jì)算中縮尺比為 1 ∶20，圖7給出了樁柱數(shù)為25的圍欄設(shè)施平面及三維模型，模型總體直徑為1 996 mm，樁距為 250 mm，相鄰樁柱夾角為14.4°，樁柱直徑為 50 mm。

由于圍欄設(shè)施模型較大且網(wǎng)繩較細(xì)，導(dǎo)致整個(gè)模型的長(zhǎng)寬比非常大，給網(wǎng)格劃分帶來(lái)了極大的難度，因此在模型高度上選取0.08 m進(jìn)行計(jì)算，三維模型和數(shù)值計(jì)算模型見(jiàn)圖7。

3.2?不同流體流速圍欄設(shè)施阻力數(shù)值模擬結(jié)果

本研究計(jì)算了流體流速為0.11、0.22、0.34、0.45、0.56、0.67 m/s 時(shí)不同樁柱數(shù)圍欄設(shè)施對(duì)水流的總阻力，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8。

由圖8可以看出，隨著樁柱數(shù)的增加，流速的加快，圍欄設(shè)施的總阻力也逐漸增大，在樁柱數(shù)為15根時(shí)，圍欄設(shè)施阻力比其他樁柱數(shù)下小，說(shuō)明此時(shí)圍欄設(shè)施的主要受力在網(wǎng)繩上，隨著樁柱數(shù)減少到一定數(shù)量時(shí)，總阻力表現(xiàn)為網(wǎng)繩的受力，水流沖擊對(duì)于網(wǎng)繩的破壞較大，而當(dāng)樁柱數(shù)增加到30根時(shí)，樁柱所受總阻力變大，水流對(duì)網(wǎng)繩的沖擊力減小，此時(shí)對(duì)于網(wǎng)繩有保護(hù)作用。同時(shí)還可以看出，樁柱為15～25根時(shí)，圍欄設(shè)施的總阻力相差不多，增加或者減小樁柱，總阻力變化不明顯。

3.3?同一流速圍欄設(shè)施所受阻力數(shù)值模擬結(jié)果

研究同一流速下，不同樁柱數(shù)圍欄設(shè)施的受力情況。模擬計(jì)算了流速為0.45 m/s時(shí)圍欄設(shè)施受力的變化情況。

從圖9可以看出，在流速為0.45 m/s時(shí)，隨著樁柱數(shù)的增加，圍欄設(shè)施的總阻力增加;在樁柱數(shù)為17～20根時(shí)總阻力變化較小，而在樁柱數(shù)為 20～21根、24～25根、27～28根時(shí)總阻力變化較大，可以得出，在一定合理的范圍內(nèi)，增加樁柱數(shù)對(duì)總阻力無(wú)大影響。根據(jù)計(jì)算的數(shù)據(jù)， 擬合得出數(shù)學(xué)

模型：

y=-0.000 04x4+0.002 2x3-0.035 1x2+0.388 3x+8.990 7;

r2=0.989 7。（3）

4?結(jié)論

通過(guò)對(duì)5個(gè)流體流速下網(wǎng)片阻力進(jìn)行數(shù)值模擬分析得出，流體在網(wǎng)繩兩側(cè)的速度會(huì)增大，網(wǎng)繩背面速度很小，且數(shù)值模擬的流場(chǎng)信息與實(shí)際相符。證明該數(shù)值模型可用于圍欄樁柱的模擬性研究，通過(guò)分析不同樁柱數(shù)、不同流速下圍欄設(shè)施總受力情況，最終可知，流速越大圍欄設(shè)施受到阻力越大;同時(shí)在樁柱數(shù)為15～25根時(shí)，圍欄設(shè)施總阻力相差不大;在同一流速下，17～20根樁柱范圍內(nèi)總阻力變化較小;所以在進(jìn)行圍欄設(shè)施設(shè)計(jì)時(shí)，為了保護(hù)網(wǎng)繩不被破壞可適當(dāng)增加樁柱數(shù)量，但同時(shí)還需考慮成本、制造工藝等方面的問(wèn)題，還可在一定范圍內(nèi)或總阻力跳變較大時(shí)，選擇合適樁柱數(shù)。

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