吳錦濤，崔勇，關(guān)長(zhǎng)濤，秦升杰

(1.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，浙江舟山 316022；2.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所，山東青島 266071)

中國(guó)從挪威引進(jìn)了圓形雙浮管重力式網(wǎng)箱之后便開(kāi)始研究抗風(fēng)浪網(wǎng)箱國(guó)產(chǎn)化技術(shù)，針對(duì)國(guó)內(nèi)臺(tái)風(fēng)多發(fā)以及開(kāi)放海域浪大流急等特點(diǎn)，急需研發(fā)能夠適用于中國(guó)海區(qū)的潛降式網(wǎng)箱。2002 年，國(guó)內(nèi)研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的HDPE 雙浮管升降式深水網(wǎng)箱[1]。目前，離岸網(wǎng)箱養(yǎng)殖采用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式主要為HDPE 深水網(wǎng)箱[2]，并在此基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)。KIM，et al[3]開(kāi)發(fā)了一種采用空氣控制的自動(dòng)潛降網(wǎng)箱系統(tǒng)，進(jìn)行了一系列模型試驗(yàn)，以檢驗(yàn)網(wǎng)箱的自動(dòng)潛水特性。由于潛降式網(wǎng)箱主要布設(shè)于開(kāi)放海域，其在高海況條件下的水動(dòng)力特性研究具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)不同形式的離岸網(wǎng)箱在波流作用下的水動(dòng)力特性開(kāi)展了詳細(xì)的研究[4-16]。ZHAO Yunpeng，et al[17]通過(guò)物理模型試驗(yàn)，研究了一個(gè)包含8 個(gè)網(wǎng)箱的大型漁場(chǎng)的水動(dòng)力特性。崔勇等[18]設(shè)計(jì)了4 組不同網(wǎng)目形狀與網(wǎng)目尺寸的網(wǎng)箱模型，利用粒子測(cè)速技術(shù)(PIV)與多普勒流速計(jì)(ADV)試驗(yàn)技術(shù)，分析方形網(wǎng)箱二維流場(chǎng)特性、流速分布及其減速情況。梁家銘等[19]設(shè)計(jì)了一種新型網(wǎng)箱浮架系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)雙浮管浮架系統(tǒng)進(jìn)行了分析對(duì)比，得到方形網(wǎng)箱與圓形網(wǎng)箱的水動(dòng)力特性的差異以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)。此外，DRACH，et al[20]在北大西洋和南太平洋對(duì)剛性和柔性2 種重力式網(wǎng)箱進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并對(duì)2 種網(wǎng)箱的性能進(jìn)行了相應(yīng)的分析。黃濱等[21]通過(guò)海上網(wǎng)箱沉浮試驗(yàn)和分析，研究了升降網(wǎng)箱下沉的關(guān)鍵技術(shù)。

上述研究針對(duì)離岸網(wǎng)箱的浮框受力、運(yùn)動(dòng)變形、錨泊系統(tǒng)優(yōu)化等方面進(jìn)行了較為全面的闡述，其中，錨泊系統(tǒng)的穩(wěn)定是在極端海況下確保網(wǎng)箱設(shè)施和養(yǎng)殖對(duì)象安全的關(guān)鍵。對(duì)于潛降式網(wǎng)箱，錨泊系統(tǒng)主要由浮繩框、系框繩、浮球、錨繩和錨錠組成。目前關(guān)于浮繩框深度與浮球體積對(duì)潛降式網(wǎng)箱水動(dòng)力特性影響的研究還比較少，本文采用物理模型試驗(yàn)的方法，運(yùn)用雙尺度模型相似準(zhǔn)則[14]分析波浪作用下HDPE 圓形潛降式網(wǎng)箱的錨繩受力與運(yùn)動(dòng)特性，探究浮繩框深度和浮球體積對(duì)網(wǎng)箱水動(dòng)力特性的影響，為潛降式網(wǎng)箱錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

原型采用周長(zhǎng)40 m、網(wǎng)高7 m 的HDPE 圓形潛降式網(wǎng)箱，網(wǎng)箱有漂浮和下潛兩個(gè)狀態(tài)。在本次模型試驗(yàn)中，采用雙尺度模型相似準(zhǔn)則模擬網(wǎng)衣系統(tǒng)，網(wǎng)箱的整體尺寸選用大尺度比λ=20，網(wǎng)目大小和網(wǎng)線直徑采用小尺度比λ′=1，并把網(wǎng)箱網(wǎng)衣系統(tǒng)的修正質(zhì)量折算到沉子系統(tǒng)中。

1.1.1 錨泊系統(tǒng)

網(wǎng)箱采用水下八點(diǎn)網(wǎng)格式錨泊系統(tǒng)。在模型中，系泊網(wǎng)格由4 條1.25 m 的浮框繩組成，位于水面以下不同深度。浮繩框通過(guò)系框繩與網(wǎng)箱連接。在浮繩框與系框繩的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上都安裝1 個(gè)直徑為8 cm(或10 cm)的浮球，且每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處都連接了2 條1.68 m 的錨繩，2 根錨繩呈地面投影垂直。在每條錨繩接近錨鏈處都安裝上拉力傳感器，用于測(cè)量錨繩張力(圖1)。

1.1.2 浮架系統(tǒng)

根據(jù)幾何相似準(zhǔn)則，浮架參數(shù)的規(guī)格如表1 所示。基于重力相似準(zhǔn)則，原型浮架單位長(zhǎng)度的重量為22 kg，相應(yīng)的模型浮架單位長(zhǎng)度重量為55 g。原型扶手和立柱單位長(zhǎng)度重量為3 kg，相應(yīng)的模型扶手和立柱單位長(zhǎng)度重量為7.5 g。在本試驗(yàn)中，選取單位長(zhǎng)度重量為52 g 的PVC 管作為模型浮架的制作材料。選取直徑5.5 mm、單位長(zhǎng)度重量為7 g 的PVC 管作為模型扶手和立柱的制作材料。通過(guò)調(diào)整連接組件的質(zhì)量來(lái)調(diào)節(jié)模型與原型的重量差異。

表1 網(wǎng)箱組件原型和模型規(guī)格Tab.1 Specifications of prototype and model cage

1.1.3 網(wǎng)衣系統(tǒng)

在本次模型試驗(yàn)中，采用雙尺度模型相似準(zhǔn)則選取原型網(wǎng)衣作為等效網(wǎng)衣。使用等效網(wǎng)衣可保證受到的水流力相同[14]，但使用等效網(wǎng)衣存在重量差，需要對(duì)等效網(wǎng)衣的重量進(jìn)行修正以滿足重力相似準(zhǔn)則。試驗(yàn)中等效網(wǎng)衣使模型網(wǎng)衣的重量增加了15.8 g，為滿足重力相似準(zhǔn)則需要將模型網(wǎng)箱的重量減去15.8 g。

1.1.4 配重系統(tǒng)

原型網(wǎng)箱的配重底圈的重量為502.4 kg，根據(jù)模型大尺度比λ=20，模型網(wǎng)箱的配重為62.8 g，減去等效網(wǎng)衣15.8 g 的質(zhì)量差異，網(wǎng)箱模型試驗(yàn)配重應(yīng)為47 g，故本次試驗(yàn)采用直徑62 cm、質(zhì)量47 g 的不銹鋼圈作為配重。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)在大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。試驗(yàn)中所用水槽長(zhǎng)度為60 m，寬度為4 m，最大水深為2.5 m，工作水深0.2～2.0 m，波浪周期為0.5～5.0 s。

模型網(wǎng)箱的試驗(yàn)布置示意圖如圖1 所示，網(wǎng)箱采用水下網(wǎng)格式錨泊，試驗(yàn)水深1.2 m，對(duì)應(yīng)于原型水深24 m。模型網(wǎng)箱布置采用右旋三維笛卡爾坐標(biāo)系。在此坐標(biāo)系中，x 為波浪的正方向，y 垂直于水平面上的波浪方向，z 為重力加速度的反方向。

圖1 模型網(wǎng)箱試驗(yàn)布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of model test

1.3 試驗(yàn)工況

如表2 所示，本次試驗(yàn)設(shè)置了9 種波況，波高分別為0.06、0.12 和0.18 m，波浪周期采用1.0～1.8 s。

表2 試驗(yàn)波浪參數(shù)表Tab.2 Wave conditions in the experiment

在研究浮繩框深度對(duì)網(wǎng)箱水動(dòng)力的影響時(shí)，分別考慮網(wǎng)箱漂浮和下潛40 cm 兩種狀態(tài)。網(wǎng)箱在漂浮狀態(tài)下設(shè)置了10 cm(1/12 水深)、20 cm(1/6 水深)和30 cm(1/4 水深)3 種浮繩框深度，分別用U1、U2 和U3 表示。網(wǎng)箱在下潛狀態(tài)下設(shè)置了2 種浮繩框深度，分別為10 cm 和20 cm。如圖2 所示，在下潛狀態(tài)下，網(wǎng)箱的下潛深度為浮球連接浮繩框的錨繩長(zhǎng)度和浮架到浮繩框的垂直距離相加。hg代表浮繩框深度，hf代表網(wǎng)箱下潛的深度。網(wǎng)箱下潛時(shí)根據(jù)浮繩框深度，通過(guò)調(diào)節(jié)系框繩的長(zhǎng)度達(dá)到所需要的下潛深度。在研究浮球體積對(duì)網(wǎng)箱水動(dòng)力的影響時(shí)，分別考慮網(wǎng)箱漂浮和下潛20 cm 兩種狀態(tài)，浮球直徑選擇8 cm 和10 cm 2種規(guī)格，對(duì)應(yīng)的質(zhì)量分別為4.3 g 和8.1 g。

圖2 潛降式網(wǎng)箱漂浮及下潛狀態(tài)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the floating and submerged state

1.4 數(shù)據(jù)分析

在研究錨繩受力時(shí)，當(dāng)試驗(yàn)條件達(dá)到穩(wěn)定后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集時(shí)間為40 s，最終的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為對(duì)應(yīng)時(shí)間段的最大值。由于錨繩及網(wǎng)箱的對(duì)稱性，取左右兩側(cè)錨繩的平均受力作為分析對(duì)象。

根據(jù)圓形潛降網(wǎng)箱的對(duì)稱性，網(wǎng)箱浮架的運(yùn)動(dòng)主要分析垂蕩、縱蕩以及縱搖這3 個(gè)自由度。在研究網(wǎng)箱浮架運(yùn)動(dòng)特性時(shí)，使用CCD 高速相機(jī)追蹤兩個(gè)示蹤點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)代替浮架的運(yùn)動(dòng)，利用運(yùn)動(dòng)分析軟件分析浮架的運(yùn)動(dòng)軌跡[14-15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 浮繩框深度對(duì)錨繩受力的影響

如圖3(a)所示，網(wǎng)箱漂浮狀態(tài)下，從總體趨勢(shì)來(lái)看，錨繩受力隨著浮繩框深度的增大而增大。當(dāng)波高為6 cm時(shí)，錨繩受力基本上處在0.1～0.3 N 之間，錨繩力與浮繩框深度無(wú)明顯關(guān)聯(lián)。當(dāng)波高18 cm，周期1.8 s 時(shí)，浮繩框深度U3 的錨繩受力較浮繩框深度U1 的錨繩受力增大了1.27 N，增大幅度為135%。圖3(b)為網(wǎng)箱下潛狀態(tài)錨繩受力情況，試驗(yàn)中控制網(wǎng)箱的下潛深度為40 cm。在波高為6 cm 和12 cm 時(shí)，由于網(wǎng)箱總體下潛了40 cm，此時(shí)的波浪力已產(chǎn)生明顯衰減，對(duì)網(wǎng)箱的作用力變小，2 種網(wǎng)格深度的錨繩受力均小于0.1 N，且變化幅度較小。當(dāng)波高為18 cm，周期1.8 s 時(shí)，浮繩框深度U2 的錨繩受力較浮繩框深度U1 的錨繩受力增大了0.15 N，增大幅度為88%。網(wǎng)箱下潛時(shí)的總體趨勢(shì)仍是錨繩受力隨著浮繩框深度的增大而增大。

圖3 漂浮和下潛狀態(tài)下不同浮繩框深度的錨繩受力Fig.3 Mooring line force of different grid depths under floating and submerged state

2.2 浮繩框深度對(duì)網(wǎng)箱運(yùn)動(dòng)特性的影響

如圖4(a)、(c)、(e)所示，漂浮狀態(tài)下當(dāng)浮繩框深度增加后，網(wǎng)箱在垂直方向上的運(yùn)動(dòng)幅度減少。垂蕩值與波高呈正相關(guān)，而與波周期無(wú)關(guān)。浮繩框深度U2 和U3 的縱蕩運(yùn)動(dòng)值無(wú)明顯差別，且在波高12 cm 和18 cm 時(shí)，較浮繩框深度U1 縱蕩運(yùn)動(dòng)值有所增大，最大增大幅度約為15%。當(dāng)波高為6 cm 時(shí)，縱搖運(yùn)動(dòng)值的總體變化趨勢(shì)為隨浮繩框深度增大而減小，最大減小幅度約為26%；當(dāng)波高為12 cm 和18 cm 時(shí)，縱搖值變化幅度較小。如圖4(b)、(d)、(f)所示，下潛狀態(tài)下，浮繩框深度與網(wǎng)箱垂蕩運(yùn)動(dòng)無(wú)明顯關(guān)聯(lián)，U1 和U2 的垂蕩值均隨著波高和周期的增大而增大。網(wǎng)箱縱蕩運(yùn)動(dòng)值均隨浮繩框下潛深度的增大而減小，各個(gè)波況下的減小幅度為16%～46%。網(wǎng)箱的縱搖運(yùn)動(dòng)值隨浮繩框深度的增大而增大。當(dāng)波高為18 cm，周期1.8 s 時(shí)，浮繩框深度U2 的網(wǎng)箱縱搖運(yùn)動(dòng)值5.4°較浮繩框U1 的網(wǎng)箱縱搖運(yùn)動(dòng)值4.2°增大了1.2°，增大幅度為29%。

圖4 漂浮和下潛狀態(tài)下不同網(wǎng)格深度的網(wǎng)箱運(yùn)動(dòng)Fig.4 Cage motion of different grid depths under floating and submerged state

分析浮繩框深度對(duì)錨繩受力和網(wǎng)箱運(yùn)動(dòng)的影響時(shí)可以看出，網(wǎng)箱漂浮與下潛時(shí)，錨繩受力及網(wǎng)箱各自由度的運(yùn)動(dòng)幅值變化與浮繩框深度的變化并未呈現(xiàn)單一的線性關(guān)系。究其原因可能與系框繩的角度與長(zhǎng)度變化亦有關(guān)系。當(dāng)網(wǎng)箱漂浮時(shí)，浮框繩的深度增大，系框繩和浮架的夾角變小。當(dāng)網(wǎng)箱下潛時(shí)，浮框繩的深度增大，系框繩和浮架的夾角變大。同時(shí)，系框繩的長(zhǎng)度也隨著浮繩框深度變化而改變。

2.3 浮球體積對(duì)錨繩受力的影響

如圖5 所示，2 種狀態(tài)網(wǎng)箱的錨繩受力均隨浮球體積的增大而增大。漂浮狀態(tài)下，其中當(dāng)波高18 cm、周期1.8 s 時(shí)，直徑10 cm 浮球所對(duì)應(yīng)的錨繩受力較直徑8 cm 浮球所對(duì)應(yīng)的錨繩受力增大了130%。對(duì)于兩種規(guī)格的浮球，網(wǎng)箱錨繩受力均隨波高的增加而增加，與丁澤祥[22]研究結(jié)果相似。下潛狀態(tài)下，其中在波高12 cm、周期1.2 s 時(shí)，直徑10 cm 浮球的錨繩受力較直徑8 cm 浮球的錨繩受力增大幅度為1 200%。

圖5 漂浮和下潛狀態(tài)下不同浮球體積的錨繩受力Fig.5 Mooring line force of different buoy volumes under floating and submerged state

2.4 浮球體積對(duì)網(wǎng)箱運(yùn)動(dòng)特性的影響

如圖6(a)、(c)、(e)所示，漂浮狀態(tài)下，浮球體積對(duì)網(wǎng)箱垂蕩運(yùn)動(dòng)和縱搖運(yùn)動(dòng)無(wú)明顯影響。在波高為6 cm和12 cm 時(shí)，總體來(lái)看浮球體積的增大使得網(wǎng)箱縱蕩運(yùn)動(dòng)值增大。在波高18 cm、周期1.8 s 時(shí)，直徑10 cm浮球較直徑8 cm 浮球所對(duì)應(yīng)的網(wǎng)箱縱蕩運(yùn)動(dòng)值有所減小。如圖6(b)、(d)、(f)所示，下潛狀態(tài)下，浮球體積對(duì)網(wǎng)箱垂蕩運(yùn)動(dòng)無(wú)明顯影響。在波高為6 m 和12 cm 時(shí)，浮球體積的增大使得網(wǎng)箱縱蕩運(yùn)動(dòng)值增大；在波高18 cm 時(shí)，浮球體積對(duì)縱蕩運(yùn)動(dòng)無(wú)明顯影響。網(wǎng)箱的縱搖運(yùn)動(dòng)值隨著浮球體積的增大而增大。在同一波高內(nèi)，縱搖運(yùn)動(dòng)值與周期無(wú)明顯關(guān)聯(lián)。在波高為18 cm 時(shí)，直徑8 cm 浮球?qū)?yīng)網(wǎng)箱平均縱搖為4.6°，直徑10 cm浮球平均縱搖8.1°較8 cm 浮球增大了3.5°，增大幅度為76%。

圖6 漂浮和下潛狀態(tài)下不同網(wǎng)格深度的網(wǎng)箱運(yùn)動(dòng)Fig.6 Cage motion of different buoy volumes under floating and submerged state

由上可知，增加浮球體積對(duì)網(wǎng)箱錨繩受力影響較大，究其原因與浮球體積增大質(zhì)量增大有關(guān)。在波浪作用下，質(zhì)量較大的浮球慣性力也較大。而當(dāng)浮球體積增大時(shí)，只有部分網(wǎng)箱自由度的幅值會(huì)隨之增加，這可能由于浮球通過(guò)浮繩框和系框繩與網(wǎng)箱連接，從而減緩了浮球受力對(duì)網(wǎng)箱運(yùn)動(dòng)的影響。

3 結(jié)論

本文通過(guò)物理模型試驗(yàn)分析了HDPE 圓形潛降式網(wǎng)箱在波浪作用下的水動(dòng)力特性，探究浮繩框深度和浮球體積對(duì)錨繩受力和網(wǎng)箱運(yùn)動(dòng)的影響，得出如下主要結(jié)論：

1)當(dāng)波高和周期一定時(shí)，網(wǎng)箱在兩種狀態(tài)下，錨繩張力的總體變化趨勢(shì)為隨著浮繩框深度或浮球體積的增加而增加。

2)漂浮狀態(tài)下，浮繩框深度增大時(shí)，網(wǎng)箱垂蕩值減小，縱蕩值增大，而縱搖值變化較??；下潛狀態(tài)下，浮繩框深度增加時(shí)，網(wǎng)箱垂蕩運(yùn)動(dòng)無(wú)明顯影響，縱蕩值減小而縱搖值增大。浮繩框深度的改變不能同時(shí)對(duì)網(wǎng)箱所有自由度均起到減緩的作用。

3)漂浮狀態(tài)下，增加浮球體積對(duì)網(wǎng)箱垂蕩運(yùn)動(dòng)和縱搖運(yùn)動(dòng)無(wú)明顯影響，使得網(wǎng)箱縱蕩值增加；下潛狀態(tài)下，增加浮球體積對(duì)網(wǎng)箱垂蕩運(yùn)動(dòng)無(wú)明顯影響，使得網(wǎng)箱縱蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)值增加。減小浮球體積可降低部分網(wǎng)箱自由度運(yùn)動(dòng)幅值。

由此建議，在潛降式網(wǎng)箱錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，當(dāng)確定浮繩框深度時(shí)，可適當(dāng)減少浮繩框深度來(lái)減少錨繩張力，進(jìn)而保證網(wǎng)箱錨泊系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定性。當(dāng)選擇浮球規(guī)格時(shí)，在保證浮球可提供足夠浮力情況下，減小浮球體積可降低網(wǎng)箱運(yùn)動(dòng)受力的同時(shí)節(jié)約成本。