陳昌平,趙 卓,鄭艷娜,趙云鵬
(1. 大連海洋大學(xué),遼寧 大連 116023;2. 大連理工大學(xué),遼寧 大連 116024)
深水網(wǎng)箱是國(guó)際上發(fā)展迅速的一種現(xiàn)代新型海洋養(yǎng)殖裝備,在減輕環(huán)境壓力、改善養(yǎng)殖條件、提高魚(yú)類品質(zhì)等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。考慮到深海養(yǎng)殖區(qū)波高流急的特點(diǎn),如何保證網(wǎng)箱的安全是面臨的一個(gè)重要課題,而開(kāi)展深水網(wǎng)箱水動(dòng)力特性研究,是一項(xiàng)保證網(wǎng)箱自身安全的重要基礎(chǔ)性工作,研究意義重大。近年來(lái)世界各國(guó)學(xué)者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬等紛紛,對(duì)各類網(wǎng)箱的水動(dòng)力特性進(jìn)行了研究,取得了一些成果。DeCew等[1,2]運(yùn)用物理模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬的方法研究了一種改進(jìn)的重力式網(wǎng)箱(SADCO Cage)在規(guī)則波及不規(guī)則波作用下網(wǎng)箱系統(tǒng)的動(dòng)力特性,采用數(shù)值模擬方法研究了單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱在不同水流流速作用下,網(wǎng)衣密實(shí)度、淹沒(méi)深度等對(duì)錨鏈張力的影響,并用物理模型試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。Lee等[3,4]推導(dǎo)出一系列二維運(yùn)動(dòng)方程用以研究張力腿網(wǎng)箱的運(yùn)動(dòng)特性,研究了網(wǎng)箱的密實(shí)度、波浪周期等對(duì)網(wǎng)箱運(yùn)動(dòng)的影響。Fredriksson等[5]通過(guò)對(duì)一種由20個(gè)網(wǎng)箱組成的大型養(yǎng)殖系統(tǒng)的數(shù)值模擬,將錨繩力的計(jì)算值與原型實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比較,認(rèn)為考慮流速的衰減對(duì)提高模擬的準(zhǔn)確性有重要的意義。Moe等[6]在物理模型試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證基礎(chǔ)上,采用有限元分析方法研究了重力式網(wǎng)箱在水流作用下受力及網(wǎng)衣體積變化率特性。Lee等[7]將構(gòu)成重力式網(wǎng)箱系統(tǒng)的各部分劃分成單元,采用“集中質(zhì)量-彈簧”的模型方法,模擬了水面網(wǎng)格錨碇的單個(gè)重力式網(wǎng)箱在波浪、水流作用下的動(dòng)力特性,并用模型試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。詹杰民等[8-10]采用理論分析和模型試驗(yàn)的方法對(duì)平面及圓形網(wǎng)衣的阻力系數(shù)與雷諾數(shù),沖角及網(wǎng)衣的密實(shí)度等因素的影響做了研究。
吳常文等[11]用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法對(duì)圓形重力式深水網(wǎng)箱的抗風(fēng)浪流性能進(jìn)行了驗(yàn)證。趙云鵬和李玉成等[12-14]利用數(shù)值模擬的對(duì)重力式整體網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)在單純波浪、水流及波浪和水流聯(lián)合作用下的水動(dòng)力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬,并對(duì)網(wǎng)箱數(shù)值模擬中水動(dòng)力系數(shù)的選擇和波浪理論的選擇問(wèn)題提出了建議。桂福坤[15]對(duì)深水重力式網(wǎng)箱的水動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了物理模型實(shí)驗(yàn),并給出了雙排浮架系統(tǒng)的水動(dòng)力系數(shù)的取值范圍。陳昌平等[16-18]對(duì)采用模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬方法研究了單體及雙體網(wǎng)格錨碇網(wǎng)箱的水動(dòng)力特性。
本文采用物理模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對(duì)目前深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖中采用的重力式網(wǎng)箱兩種布置形式:?jiǎn)误w網(wǎng)箱與雙體網(wǎng)箱,在波浪作用下的水動(dòng)力特性進(jìn)行了比較,旨在為多體整合式網(wǎng)箱水動(dòng)力特性研究提供一定的基礎(chǔ)。
圖1 網(wǎng)衣模型示意圖
試驗(yàn)所用網(wǎng)衣的網(wǎng)線采用纖維材質(zhì),直徑較細(xì)且屬于柔性桿件,故在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí),假定網(wǎng)衣的網(wǎng)線是由有限的無(wú)質(zhì)量彈簧連接的集中質(zhì)量點(diǎn)所構(gòu)成,集中質(zhì)量點(diǎn)位于每個(gè)網(wǎng)目的兩端和中間,如圖1所示。
根據(jù)牛頓第二定律,集中質(zhì)量點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程可表示為:
式中:M為集中質(zhì)量點(diǎn)的質(zhì)量;a為集中質(zhì)量點(diǎn)的加速度:F為集中質(zhì)量點(diǎn)所受水流力:T于為網(wǎng)線張力;B為浮力;W為重力。
錨繩模擬時(shí)亦采用集中質(zhì)量的方法,即將錨繩劃分為若干個(gè)構(gòu)件與集中質(zhì)量點(diǎn),圖2為錨繩構(gòu)件與集中質(zhì)量點(diǎn)關(guān)系圖,圖中j,j-1表示劃分的構(gòu)件,i,i-1,i+1表示集中質(zhì)量點(diǎn),位于構(gòu)件的兩端,在模擬時(shí),以各集中質(zhì)量點(diǎn)受力運(yùn)動(dòng)狀態(tài)代表錨繩的受力運(yùn)動(dòng)狀態(tài),集中質(zhì)量點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程的建立與網(wǎng)衣部分相似。
圖2 錨繩構(gòu)件與質(zhì)點(diǎn)關(guān)系示意圖
在研究網(wǎng)箱浮架受力時(shí),可將浮架看作一剛體,劃分成的微小浮架各單元的運(yùn)動(dòng)亦可認(rèn)為是整體運(yùn)動(dòng)。在分析浮架運(yùn)動(dòng)時(shí),考慮其三個(gè)方向的平動(dòng)和三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)牛頓第二定律,在固定坐標(biāo)系下,浮架質(zhì)心的三個(gè)平動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程為:
根據(jù)剛體運(yùn)動(dòng)歐拉方程[19],在物體坐標(biāo)系下,三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程可以表示為:
式中,下標(biāo)(1,2,3)表示物體坐標(biāo)系統(tǒng);I1、I2、I3為浮架對(duì)1-2-3主軸的慣性矩;、、為浮架對(duì)1-2-3主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)加速度;M1i、M2i、M3i(i=1,n)為對(duì)1-2-3主軸的外力矩;n為外力矩矢量的總數(shù);
在模擬波浪時(shí),假定入射波浪為規(guī)則波,且不考慮網(wǎng)箱存在對(duì)波浪場(chǎng)的影響。在笛卡坐標(biāo)系Oxyz下,坐標(biāo)原點(diǎn)O位于靜止水面,z軸垂直向上,波浪沿x軸正方向入射。根據(jù)微幅波浪理論,對(duì)于點(diǎn)P(t;x,y,z)處波浪表面升高和水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度表達(dá)式分別為:
式中,H為波高,k為波數(shù),ω為波浪圓頻率,d為水深,T為波周期,。
采用線性波理論時(shí),浮架水動(dòng)力系數(shù)取值:CDτ=0.6,CDn=CDv=1.0[20],附加質(zhì)量力系數(shù)Cmn=Cmv=0.2,Cmτ=0.0,其中n為沿浮架徑向的法線方向;τ為浮架計(jì)算單元平面對(duì)應(yīng)浮管微元的切線方向;v為垂直于微元平面的方向。
對(duì)于網(wǎng)衣而言,目腳兩端集中質(zhì)量點(diǎn)速度力系數(shù)dC取1.0;目腳中間集中質(zhì)量點(diǎn)速度力系數(shù)的選取,采用Choo和Casarella[21]提出的速度力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系式:
s=?0 .07721565 + l n( 8 /Ren),Cn和Ct為法向和切向水阻力系數(shù),VRn為水質(zhì)點(diǎn)法向相對(duì)速度,ρ為水的密度,μ為水黏性系數(shù)。
兩種形式網(wǎng)箱的物理模型試驗(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)室多功能水池中進(jìn)行,圖3和圖4分別為物理模型試驗(yàn)中兩種網(wǎng)箱模型的布置情況,入射波方向見(jiàn)圖所示。根據(jù)重力相似準(zhǔn)則[22],按照1:40的模型比尺設(shè)計(jì)網(wǎng)箱模型。模型試驗(yàn)中,網(wǎng)衣采用密度為0.953 kg/m3聚乙烯材質(zhì),網(wǎng)線直徑為0.72 mm,目腳大小為11.7 mm,圓形網(wǎng)衣直徑為0.398 m,高度為0.25 m。網(wǎng)衣下端掛有10個(gè)直徑為7.5 mm的球體結(jié)構(gòu)沉子,單個(gè)沉子水中重量為3.1 g。浮子采用重2.5 g直徑為38 mm的乒乓球。浮架采用重量為18.54 g的兩根高密度聚乙烯(HDPE)浮管,內(nèi)外浮管的直徑分別為0.398 m、0.423 m。錨碇系統(tǒng)網(wǎng)格深度為0.1 m,試驗(yàn)水深為0.5 m。在迎浪側(cè)主錨繩與地面接觸處布有拉力傳感器以測(cè)量纜繩受力,采用 CCD圖像采集系統(tǒng)追蹤網(wǎng)箱浮架中心點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。
圖3和圖4中①、②、③為錨繩編號(hào),分別表示1#、2#、3#錨繩。圖4中網(wǎng)箱A、B分別表示沿波入射向的第一個(gè)網(wǎng)箱、第二個(gè)網(wǎng)箱。
計(jì)算模型的驗(yàn)證以網(wǎng)箱模型的錨碇錨繩受力、浮架中心點(diǎn)水平、豎直方向運(yùn)動(dòng)幅度及浮架傾角四種水動(dòng)力特征值為對(duì)象。由模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果可知,單體網(wǎng)箱和雙體網(wǎng)箱在波浪作用下,迎波面錨碇錨繩受力較大,故在分析比較時(shí),考慮迎波面錨繩受力峰值,具體方法為:?jiǎn)误w網(wǎng)箱取圖3 (a)中網(wǎng)箱4#、5#錨繩受力峰值的算術(shù)平均值為特征值,雙體網(wǎng)箱取圖4 (a)中5#、6#錨繩受力峰值的算術(shù)平均值為特征值;兩種形式網(wǎng)箱的浮架中心點(diǎn)的水平、豎直方向運(yùn)動(dòng)幅度特征值分別考慮浮架中心點(diǎn)沿水平方向向左、向右位移量峰值的絕對(duì)值之和及向上、向下位移量峰值的絕對(duì)值之和。浮架傾角則考慮分為沿Y軸順時(shí)針?lè)较蚺c逆時(shí)針?lè)较騼A角的最大值。
圖3 單體網(wǎng)箱模型結(jié)構(gòu)示意圖(cm)
圖4 雙體網(wǎng)箱模型結(jié)構(gòu)示意圖(cm)
圖5和圖6所示分別為計(jì)算條件與試驗(yàn)條件下迎波面單體網(wǎng)箱和雙體網(wǎng)箱錨碇錨繩受力特征值的比較結(jié)果。
由圖5和圖6可知,計(jì)算值與試驗(yàn)值受力吻合較好,六種工況條件下單體網(wǎng)箱的計(jì)算值與試驗(yàn)值相對(duì)差值的最大值為7.4%,最小值為1.1%,平均值為5.0%。雙體網(wǎng)箱的計(jì)算值與試驗(yàn)值相對(duì)差值的最大值為 6.9%,最小值為 3.6%,平均值為5.2%。
圖5 單體網(wǎng)箱迎波面錨碇錨繩受力計(jì)算值與試驗(yàn)值比較
在波浪作用下,單體網(wǎng)箱浮架中心點(diǎn)水平、豎直方向運(yùn)動(dòng)幅度的計(jì)算值與試驗(yàn)值比較見(jiàn)圖 7。雙體網(wǎng)箱中網(wǎng)箱A與網(wǎng)箱B浮架中心點(diǎn)水平、豎直方向運(yùn)動(dòng)幅度的計(jì)算值與試驗(yàn)值比較分別見(jiàn)圖8、9。
由圖 7、圖8、圖9可知,兩種形式網(wǎng)箱的浮架中心點(diǎn)水平、豎直方向運(yùn)動(dòng)幅度的計(jì)算值與試驗(yàn)值擬合程度較好。
圖6 雙體網(wǎng)箱迎波面錨碇錨繩受力計(jì)算值與試驗(yàn)值比較
圖7單體網(wǎng)箱浮架中心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)幅度計(jì)算值與試驗(yàn)值比較
圖8 雙體網(wǎng)箱A浮架中心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)幅度計(jì)算值與試驗(yàn)值比較
圖9 雙體網(wǎng)箱B浮架中心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)幅度計(jì)算值與試驗(yàn)值比較
圖10 單體網(wǎng)箱浮架傾角計(jì)算值與試驗(yàn)值比較
圖10、圖11分別為兩種形式網(wǎng)箱的浮架傾角計(jì)算值與試驗(yàn)值比較情況,各工況下,單體網(wǎng)箱浮架傾角的計(jì)算值與試驗(yàn)值兩者相差最大值為20,最小值為0.50,平均值為10。雙體網(wǎng)箱浮架傾角的計(jì)算值與試驗(yàn)值兩者相差最大值為 2.90,最小值為0.80,平均值為2.20。
圖11 雙體網(wǎng)箱浮架傾角計(jì)算值與試驗(yàn)值比較
通過(guò)對(duì)單體網(wǎng)箱和雙體網(wǎng)箱迎波面錨碇錨繩受力大小、網(wǎng)箱浮架中心點(diǎn)水平、豎直方向運(yùn)動(dòng)幅度及浮架傾角的計(jì)算值與試驗(yàn)值四個(gè)方面比較,可判斷該計(jì)算模型具有較好的可靠性與準(zhǔn)確性。
兩種形式網(wǎng)箱水動(dòng)力特性比較時(shí),設(shè)計(jì)工況見(jiàn)表1。
表1 設(shè)計(jì)波況表
圖12為單體網(wǎng)箱與雙體網(wǎng)箱在各種工況下,三類錨繩受力特征值的比較。
圖12 波浪條件下兩種形式網(wǎng)箱錨繩受力比較
由圖 12可知,各種工況下,雙體網(wǎng)箱各類錨繩受力特征值均大于單體網(wǎng)箱對(duì)應(yīng)工況各類錨繩的受力特征值。以單體網(wǎng)箱在各工況下錨繩受力特征值為基準(zhǔn),統(tǒng)計(jì)雙體網(wǎng)箱在各工況下對(duì)應(yīng)錨繩受力特征值的增加幅度,見(jiàn)表2。
表2 波浪條件下三類錨繩受力增加幅度統(tǒng)計(jì)表 (%)
由表2可知,各工況下三類錨繩受力增加幅度相比,連接錨繩受力增加幅度較大,網(wǎng)格錨繩受力增加幅度其次,錨碇錨繩受力增加幅度相對(duì)較小。
本文僅考慮雙體網(wǎng)箱迎波面第一個(gè)網(wǎng)箱與單體網(wǎng)箱的運(yùn)動(dòng)特性作比較。圖 13為兩種網(wǎng)箱形式浮架中心點(diǎn)水平、豎直方向的運(yùn)動(dòng)幅度比較。
圖13 浪條件下兩種形式網(wǎng)箱浮架中心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)幅度比較
由圖 13可知,在純波條件下,雙體網(wǎng)箱浮架中心點(diǎn)水平方向運(yùn)動(dòng)幅度在小波高時(shí)略小于對(duì)應(yīng)工況下單體網(wǎng)箱浮架中心點(diǎn)水平方向運(yùn)動(dòng)幅度;在波高較大情況下,兩種網(wǎng)箱浮架中心點(diǎn)水平方向運(yùn)動(dòng)幅度相差很小。由計(jì)算結(jié)果可知,各工況下,兩種形式網(wǎng)箱浮架中心點(diǎn)豎直方向運(yùn)動(dòng)幅度大小幾乎相同。
圖 14為兩種形式的網(wǎng)箱在純波條件下浮架傾角的比較。由圖可知,在各工況下,單體網(wǎng)箱浮架與雙體網(wǎng)箱二者傾角大小幾乎相等。
圖14 波浪條件下兩種形式網(wǎng)箱浮架傾角比較
圖 15為兩種形式網(wǎng)箱在純波條件下網(wǎng)衣體積損失率的比較。由圖可知,在小波高各工況下,組合式網(wǎng)箱與單體網(wǎng)箱網(wǎng)衣體積損失率比較相近,大波高各工況下,組合式網(wǎng)箱網(wǎng)衣體積損失率略明顯于單體網(wǎng)箱。
圖15 波浪條件下兩種形式網(wǎng)衣體積損失率比較
通過(guò)物理模型驗(yàn)證可知,本文建立的網(wǎng)箱計(jì)算模型具有較好的可靠性和準(zhǔn)確性。在波浪作用相同工況條件下:
(1) 雙體網(wǎng)箱各類錨繩受力特征值均比單體網(wǎng)箱對(duì)應(yīng)工況單體網(wǎng)箱各類錨繩的受力特征值有所增加,其中錨碇錨繩受力增幅最大值為98.4%,最小值為 26.3%,平均值為 65%。連接錨繩受力增幅最大值為295.6%,最小值為218%,平均值為 262.2%。網(wǎng)格錨繩受力增幅最大值為146.5%,最小值為52.6%,平均值為95.6%。
(2)雙體網(wǎng)箱浮架中心點(diǎn)的水平方向運(yùn)動(dòng)幅度總體上小于單體網(wǎng)箱對(duì)應(yīng)情況,豎直方向運(yùn)動(dòng)幅度幾乎相等。
(3)兩種形式的網(wǎng)箱在波浪作用下浮架傾角大小幾乎相等,網(wǎng)衣體積損失率總體上比較相近。
感謝大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在物理模型試驗(yàn)過(guò)程中提供的大力支持與幫助。
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