波流作用下深水网箱受力及运动变形的数值模拟

基于已建立的浮架和网衣数学模型,对不同波况和流速共同作用条件下HDPE深水网箱所受的锚绳力、波流力、容积损失率以及浮架倾角进行数值计算,设计的波流要素值为:波高H=4～6 m,周期T=6.0～8.6 s,流速U=0.3～0.9 m/s.结果表明,网箱锚绳受力、波流力和容积损失率均与波高和流速成正比,与周期的关系不明显,且网箱系统所受的波流力约为网箱迎浪侧两根锚绳受力的合力.在波高H=4～6 m、流速U=0.75 m/s时,网箱容积损失率达到47%～56%,网箱变形较为严重,为此建议网箱养殖区域应选择流速小于0.75 m/s的海区较为适宜.周期对网箱容积损失率的影响很小,对浮架倾角的影响较为明显,波高和流速不变时,随着周期的增大,浮架倾角会有所减小.本研究旨在探讨波浪流对深水网箱受力及运动变形的影响,为高海况网箱养殖的风险评估提供参考依据.     

船型桁架结构网箱单点系泊受力试验研究

安全高效的大型深海养殖网箱是引领深远海养殖发展的重要设施装备。该研究针对一种船型桁架结构的单点系泊深远海网箱开展了模型比尺为1∶40波浪流水池试验,比较分析了正常工况和失效工况2种不同单点系泊方式下网箱的系泊受力。在此基础上,分别围绕网衣、波浪和水流对网箱系泊受力的影响开展了试验研究。结果表明,相较于正常工况,失效工况的网箱系泊受力大幅增加,对网箱的安全性造成较大影响;在正常工况中,大浪条件网箱的受力随波高增加而增大,波高从12.5 cm增加到17.5 cm,网箱系泊受力增大3倍以上;在波流联合作用下,网箱系泊受力与流速变化呈正相关,与周期变化呈负相关;相较于无网衣,有网衣时网箱受力在纯波条件下增幅达1倍以上,波流联合作用下增幅为30%～60%。研究结果可为今后船型桁架结构网箱的系泊方案设计及海上安装提供理论依据和数据支撑。     

波浪作用下圆形网箱浮架系统的运动特性分析

作为深水养殖网箱的重要组成部分，浮架系统在网箱抗风浪性能中扮演着极为重要的角色，研究浮架系统在波浪作用下的运动特性是深入了解网箱抗风浪性能的关键。基于集中质量法将圆形浮架离散成众多微元，并运用线性波浪理论和刚体运动学原理，建立了波浪作用下网箱浮架系统的运动响应数学模型。针对圆形浮架的实际尺寸参数，在不同波高（H=4.2～7.0 m）和周期（T=7.2, 8.6 s）条件下，采用计算机数值模拟方法，对浮架前后点运动轨迹、浮架质心水平和垂直位移、浮架倾角进行了数值计算。通过对计算结果的比较及分析表明：（1）浮架垂直位移幅度大于水平位移幅度，波浪周期对浮架垂直位移的影响要小于对水平位移的影响；（2）浮架水平位移、垂直位移以及倾角都和波高具有显著的正比关系。在波高H=4.2～7.0 m范围内，周期T=7.2 s时，水平位移、垂直位移和倾角的增量分别为1.84 m、1.0 m和7.18°；周期T=8.6 s时，三者的增量分别为1.66 m、1.05 m和5.43°；（3）周期增大，浮架垂直位移增加，水平位移和倾角减小。     

水下圆形重力式网箱缆绳张力对波、流的响应特性

通过模型试验研究了周长40 m、网高10 m的HDPE圆形升降式网箱沉降在水下时的缆绳张力。试验采用狄克逊准则,模型大比例尺λ=10和小比例尺λa=λd=2;网箱采用网格形式锚泊系统。试验时前主缆绳水平方向与波流夹角为0°,试验流速为0、5、10和15 cm/s,波浪周期范围1.3～2.2 s,波高范围10～30 cm。在各试验条件下对主缆绳和系框绳以及浮框绳张力进行了测试,以受力最大的缆绳为研究对象,分析了缆绳最大张力与波流因子之间的关系。结果显示:①在纯流作用下,前主缆绳受力最大;在纯波作用下,后侧主缆绳受力最大,最大张力随波高增大呈线性增长趋势,随周期变化的影响较小。②在波流作用下,高流速、低波高、高波周期条件时前主缆绳受力最大;在低流速、高波高、低波周期时后侧主缆绳受力最大;前主缆绳受水流作用影响较大,后侧主缆绳受波浪作用影响较大。③在波流作用下,各缆绳最大张力随波高、流速增大而增大,随周期增大而减小;后侧主缆绳最大张力无量纲量随波陡增大且基本呈线性增长趋势。     

波流入射方向对网格式锚碇网箱水动力特性的影响

运用集中质量方法和刚体运动学原理,建立了单体网格式网箱在波流联合作用下浮架、网衣和锚碇系统受力和运动的数学模型.利用物理模型试验对本数学模型的正确性进行了验证.在此基础上计算了2种波流作用方向、各工况下单体网格式网箱3类锚绳(锚碇锚绳、连接锚绳、网格锚绳)受力、浮架运动及网衣变形的结果,并分析了波流作用方向对网格式锚碇网箱水动力特性的影响.结果表明,当波流作用方向由正向变为斜向(45°)时,锚碇锚绳与连接锚绳受力有较大程度的增加,网格锚绳受力有较小程度的增加;浮架水平方向、竖直方向运动幅度有一定程度减小,浮架倾角及网衣变形变化不明显.     

潜浮式船型桁架结构深海养殖网箱避浪性能研究

深海网箱作为现代海洋渔业拓展外海养殖空间的重要养殖装备，其布设环境一般较近海更为复杂恶劣，对于保障其安全性和稳定性提出了更高的要求。本研究针对一种单点系泊潜浮式船型桁架网箱开展了模型比尺为1︰40的波浪流水池试验，重点围绕该网箱在不同吃水深度受波浪作用的系泊受力、升沉、纵摇和横摇等水动力学特性进行了比较分析。试验结果显示，波高为7.5~12.5 cm时(原型3~5 m)，网箱漂浮状态即可以满足养殖需求，其系泊力及运动响应均较小，具备较高的安全性和稳定性；恶劣海况时，即本试验中波高为15.0和17.5 cm (原型6 m和7 m)，通过整体下潜的方式网箱具有良好的避浪性能，其中，系泊力减幅达70%以上，升沉、纵摇和横摇等运动分量减幅也达20%~60%；波流试验中，海流对网箱避浪性能存在一定的影响，但总体上仍然具有较好的避浪效果。研究结果可为单点系泊潜浮式深海网箱的安全运行与日常管理提供理论依据和数据参考。     

HDPE圆形重力式网箱受力变形特性的数值模拟

该研究旨在综合探讨不同网箱周长、浮管管径、网衣高度及网目大小对整体网箱受力变形的影响,为网箱的科学合理选型提供数据参考。设定的网箱周长40—80m,浮管管径250～630mm,网衣高度6～20m,网目大小45～115mm。通过数值模拟方法对4种规格高密度聚乙烯圆形网箱在不同组合条件下网箱锚绳受力、波流力以及容积损失率进行了数值计算。结果表明,大规格网箱的锚绳受力、波流力更大,容积损失率更小,锚绳数量的增加可以大大降低锚绳受力。相比浮管管径,网衣高度和网目大小对网箱受力变形的影响更显著。整体网箱的受力变形随着网衣高度的增加而增大,随网目的增大而减小。     

小尺度方形网箱浮框在波浪中应变的研究

用新设计的小尺度方形网箱在波浪水槽中进行应变试验,测量网箱浮框上按一定规律选定的特殊点的应变.应用渔具模型实验和船舶结构测试技术的处理方法,得出网箱浮框上的最大应变点,以及应变与波浪要数间的关系.结果表明,框架变形周期与波浪的周期相同,正负应变呈不对称分布.试验时网箱最大变形出现在前端内圈浮管的转角侧面中点No.6和顺波向内圈浮管上侧的中点No.11.在同一波高情况下,存在着与网箱结构相关的一波浪周期的使得网箱变形最大.在选定的18个点中,6点在周期在所有周期中,正应变都较小.当周期0.99 s,波高16.7 cm时出现的负应变值最小,6点出现最大负向变形.第11点的变形非常明显,其最小变形出现在周期0.79 s,波长10 cm,最大变形出现在周期1.49 s,波高31 cm时.一般来说正应变随波高的增加而增加,负应变在一定周期内减小,当周期增大到一定值时,负应变随波高增加而增加.     

圆形网衣在水流作用下的运动变形特性

研究网衣在水流作用下的运动变形是深入了解网箱耐流特性的关键。本研究基于集中质量点法,建立了圆形网衣在水流作用下的数值计算模型,并利用前人的试验结果对数值模型进行了验证。验证结果表明,无论是网衣的变形还是受力情况,模拟结果都与试验结果吻合良好。在此基础上,针对实际应用中的圆形网衣,在不同配重(GW1=400kg、GW2=800kg)和流速(U=0.3～0.9m/s)条件下,对网衣变形、网衣底端前后点位移、网衣底端倾角进行了数值模拟,探讨了流速、配重大小对网衣运动变形特性的影响。结果表明,水流速度的增大会加剧网衣的变形,在配重GW1、流速U=0.75m/s时,网衣容积损失率达到50%以上。网衣底端前点的水平位移大于后点的水平位移,前点的垂直位移则小于后点的垂直位移,随着流速的增大,网衣底端前后点的位移差异将更为明显。当配重增加时,网衣底端位移、倾角以及网衣容积损失率可相应减小,网衣变形得到一定改善。数值模拟证明,本研究所建立的数值计算模式具有较好的稳定性和解的收敛性,可为下一步波浪、流联合作用下的整体网箱模拟奠定良好的理论基础。     

圆形网箱浮架系统的受力特性研究

运用线性波浪理论和刚体运动学原理,建立了波浪作用下网箱浮架系统的计算模型.在不同波高(H=4.2～7.0 m)和周期(T=7.2、8.6 s)条件下,采用计算机数值模拟方法,分别对浮架系统所受的锚绳力、波浪力以及合力矩进行了数值计算.通过计算结果的比较及分析表明,三者都随波高的增大而有所增大,其中迎浪侧锚绳力和水平波浪力与波高都有显著的正比关系.在各种不同波况下,迎浪侧锚绳力要大于背浪侧锚绳力,水平波浪力要大于垂直波浪力.     

水流作用下重力式网箱浮架结构的动力响应研究

近年来深水网箱养殖设施得到了广泛的应用,浮架作为网箱结构的重要组成部分,其安全性对网箱的设计至关重要。基于有限单元法采用SHELL单元建立了浮架结构的荷载-变形数值模型,对水流作用下浮架的应力和变形进行了数值模拟,并开展物理模型试验对该数值模型进行验证。结果表明,该数值模型可以准确模拟浮架的变形,采用该数值模型,分析了不同流速条件下浮架的变形和应力,数值模拟结果显示:随着流速的增加,浮架的变形和应力逐渐增加。相同流速条件下,注水下潜后,浮架的应力和变形能够显著减小;因此,在强流条件下,可以采用浮架注水的方式,使浮架处于下潜状态,以改善浮架结构的变形和应力分布。     

往复流作用下深水网箱的单锚腿系泊系统设计及效用评估

现有的多点系泊系统的复杂性及其暂无替代系泊方式是制约网箱养殖产业走向深远海的因素之一。借鉴单点系泊系统的优势,设计出一型可应用于往复流情况下的新型单锚腿系泊系统,通过计算和海域实测试验表明,该单锚腿系泊系统具备两级刚度的特点,满足网箱的系泊需求。在此基础上,以NACA0030对称翼形网箱为系泊对象,对单锚腿系泊系统与翼型网箱的耦合系统展开了南海海域50YRP海况下7个典型工况的扫略计算,完成系泊系统的安全与效用评估。结果表明,所设计的系泊系统在15～50 m水深范围内均具备较高的安全性,最适宜30 m水深使用。     

重力式网箱浮架结构的动力响应特性研究

利用离岸网箱进行水产养殖近年来受到了越来越多的重视,离岸区域海况条件恶劣,浮架结构的安全性对于网箱的设计具有极其重要的意义。为研究网箱浮架结构在动态波浪荷载作用下的动力响应,采用有限元法利用PIPE单元建立了浮架的数值模型,并根据物理模型试验结果对该数值模型进行验证,发现有限元模型的计算结果与模型试验结果吻合较好。基于该模型,重点分析了网箱的连接构件数量和个别锚绳发生断裂对浮架动力响应的影响,得到了浮架结构连接处的应力值、变形值以及浮架的变形模式图。结果显示,数值模型能较好地模拟网箱浮架的受力和运动响应;连接构件数量增加时,浮架的应力和变形将会减少;当下游同侧两根锚绳同时断裂时浮架应力和锚绳力最小。研究表明,动力特性是结构优化分析的重要依据,24套连接构件的浮架应优先使用。     

高密度聚乙烯圆形网箱锚绳受力实测研究

选择广东省湛江市深水网箱养殖基地作为实测地点.通过实测试验测量深水网箱在实际海流条件下的锚绳受力状况,给出了单个网箱和组合网箱分别在3种不同网衣方案情况下的锚绳受力结果,旨在为深水网箱的设计及其锚泊系统的优化提供重要参考数据.结果表明,锚绳力随流速的增大而增大,锚绳受力与流速具有一定的正比关系;在3种不同网衣方案条件下,小网目网衣方案(网目40 mm)的锚绳受力最大,单个网箱的锚绳力峰值和锚绳合力分别为3.73 kN和5.01 kN,组合网箱的锚绳力峰值和锚绳合力分别为5.67 kN和20.83 kN;单纯浮架受力在整体网箱的受力中所占比重较小.结论认为,鉴于实际海况下网箱同侧各道锚绳的受力差异较大,在评价锚绳的安全性能时,应取各道锚绳受力峰值中的最大值作为单锚绳的允许受力值.     

波流作用下圆柱形近海抗风浪网箱缆绳的张力特性

波流作用下圆柱形近海抗风浪网箱缆绳的张力特性= Study on the characters of tension in mooring lines of anti-stormy-wave-cage with cylindrical net under the combined action of waves and currents ［刊，中］/郑国富（福建省水产研究所，厦门 361012）,黄桂芳,魏观渊,丁兰,朱健康//水产学报，—2007，31(1).-84～89 HDPE框架圆柱形网箱是目前我国应用最广泛的抗风浪网箱养殖设施。作者以40 m×6 m该种网箱为原型,选择λ=1/16和λ′=1/3.625～1/4.333的尺度比制造模型,于2003年7月在大连理工大学开展了模型试验,研究其在纯流(0～1.25 m·s-1)、纯波（0 m、3 m和6 m）及其联合作用下的运动状态和缆绳张力特性。结果表明，缆绳张力对台风浪的响应过程复杂，纯波浪时呈“波群”状态，波流联合时呈“漂移”状态，而对季风浪响应则无此现象，其对网箱在台风浪下的破坏作用需继续研究；台风浪下，张力回归方程为T=95423V2 - 42546V+63329(R2=0.8736)（无底框架）和T=54161V2+8613.7V+67319(R2=0.8862)（带底框架）；流速从1 m·s-1增到1.25 m·s-1时，张力增幅分别达92.5%（无底框架）和61.7%（带底框架），表明该网箱应布置在流速小于1 m·s-1的海区；在波流联合作用下，左右缆绳张力存在一定差异，试验中相差约25%，实际工况下波流分布更复杂，张力差异更大，建议取迎波流面两缆力和的统计最大值作为单锚及锚缆绳的允许受力值。图9表3参17 关键词：圆柱形抗风浪网箱;锚缆绳;张力特性 E-mail:gfhy007@163.com     

飞碟型网箱的水动力学数值计算法

依据牛顿第二定律和角动量守恒定律,导出了波、流共同作用下飞碟型网箱的水动力学方程组,并给出了数值求解。在流速1.5m·s-1、波长50m、周期8s、水深30m的情形下,计算结果显示,波高大于5.5m时波力大于流力,反之后者占主导。网箱受力呈周期性、不对称变化。相同情形下,设置水层下降5m时,受力峰值由水面的21.1t降至10.4t,后者只有前者的49.3%,表明网箱设置水层下降可以较大程度地减缓其受力。计算所用的部分参数尚需通过现场实测来检验和修正。     

水流作用网衣过程的数值模拟

网衣是深水网箱的主要组成部分，也是整个网箱系统中受力最为复杂的部件之一。文章介绍了水动力作用下一种基于集中质量法的网衣数学模型，并引用前人的试验结果对数学模型进行了验证。在此基础上，利用此数学模型在不同配重（CW1=400kg和CW2=800kg）和流速（U=0．3—0．6m·s^-1）条件下分别对网衣所受的水流力、网衣形状和网衣运动位移三者随时间的变化过程进行了数值模拟，给出了网衣达到稳定状态前、后网衣受力变形的计算结果，揭示了网衣在水流作用过程中的动态变化规律，并进一步分析了配重及流速大小对网衣受力、变形及运动特性的影响。     

平面网衣在水流作用下的受力和变形特性数值模拟研究

基于集中质量点法和牛顿第二定律,建立了网衣在水流作用下的受力和运动响应数学模型.采用计算机数值模拟方法,研究了水流作用下网衣的动态变形情况以及网衣受力平衡后的空间分布形状.在2种配重(GW1=4.12 N、GW2=16.38 N)和6种流速(U=0.17、0.22、0.28、0.33、0.39和0.44 m · s-1)条件下对网衣稳定后沿水流方向的总水流力、网衣底端的水平及垂直位移进行了数值计算.计算结果表明,配重及流速大小对网衣受力和变形特性具有较大的影响.随着水流速度的增大,网衣在水流作用下的运动变形加剧,且当配重增大时,网衣变形减小,网衣受力随流速的变化增幅明显加快.为了验证模型的正确性和有效性,文章还将数值模拟结果与前人的试验结果进行了比较,效果良好.     

浅海围栏牧场中柱桩受力及波浪场分布试验

通过物理模型试验的方法,对浅海围栏牧场设施中柱桩的受力及内部波浪场进行了研究。试验模型整体采用1∶20比尺,试验波要素设定五个波高,原型分别为1、2、2.5、3、3.5 m,五个波浪周期分别为5、6、7、8、9 s,五个流速分别为0.5、0.76、1、1.25、1.57 m/s。测量在不同波流组合以及不规则波单独作用和流单独作用下迎浪侧最前方单根桩柱的受力情况及围栏牧场内波浪场情况。试验结果显示,随着波高和流速的增加,桩柱所受到的波流力逐步增大,在计算柱桩受力时,需要考虑到网衣受力带来的影响。波高及周期越大,围栏设施内的波浪场分布规律越明显,沿着波浪传播方向呈逐渐减小趋势,小波高及短周期时波浪场分布规律不明显。     

沉力变化对圆形重力式网箱容积的影响

采用网箱模型试验,以周长50 m、深8 m的HDPE双管圆形重力式网箱为研究对象,研究不同沉力条件下流速对网箱容积的影响.结果表明,网箱随着流速的增加,水面下网衣出现后移、提升,流速越大,其影响的幅度越大;增加沉力可以减小网箱内容积的损耗,但网箱阻力增加;网箱内容积损耗率η与流速V的关系可以通过"逻辑斯蒂方程"拟合;在沉力配置分别为9 408 kN、7 840 kN和6 586 kN时,其方程式分别为η1=1/[1+exp(2.624-1.356 2V)]、η2=1/[1+exp(2.613 6-1.541V)]和η3=1/[1+exp(2.508 7-1.532V)].