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。     

贝类养殖吊笼水动力特性的实验研究

通过模型实验的方法分别探讨了规则波和均匀流作用下贝类养殖吊笼的水动力特性,并分析了贝类养殖密度对吊笼受力的影响。在波浪作用下,基于莫里森方程,通过最小二乘法计算水动力系数C_d和惯性力系数C_m值;在水流作用下,利用简化莫里森公式反推出C_d值;分析了Kc数、雷诺数Re和养殖密度对C_d和C_m的影响。结果显示:吊笼的运动幅度及受力随着波高、周期及流速的增大而增大;随着贝类养殖密度的增大,吊笼受到的水平力逐渐增大,而吊笼的运动幅度逐渐减小;在波浪效应下,随着Kc数、Re的增大,C_d有略微增大趋势,而C_m则先增大后趋于常数;在水流作用下,C_d值随着雷诺数Re的增大无显著变化;在同一工况下,C_d随着贝类养殖密度的增加而增大,而C_m相应减小。研究表明,本实验得出的吊笼水动力系数可作为计算吊笼波浪力和流阻力时的取值参考。     

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.     

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。     

框架式浮鱼礁波浪水动力特性数值模拟研究

中国海洋牧场建设以投放人工鱼礁为主,人工鱼礁分为沉式鱼礁和浮鱼礁,而浮鱼礁能够较好地适应淤泥质近海养殖。以框架式浮鱼礁为研究对象,采用有限单元法和集中质量点法建立波浪作用下的水动力数值模型,模拟浮鱼礁在海水中实际运动情况。对比分析了不同波高(1.5、2、2.5和3 m)、水深(8、9、10、11和12 m)条件下的框架浮体运动轨迹、最大偏转角度以及锚绳受力特性,研究分析了浮鱼礁设计与实际应用时,目标海域潮位变化和波浪要素共同作用的影响。结果显示:框架浮体水平方向偏移、偏转角度、锚绳最大拉力均随波高增大而增大,近似于线性变化,且均随水深增大而减小,存在浮鱼礁不受波浪影响的临界水深,此时浮鱼礁上端至水面的距离与水深的比值约为0.5,当超过0.5时,水深变化对浮鱼礁水平位移、偏转角度和锚绳受力几乎没有影响。研究结果可为新型人工浮鱼礁的设计与投放提供参考。     

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.     

一种圆台型人工鱼礁非线性波浪作用受力分析

为探求人工鱼礁水平波浪受力的非线性影响因素，获取更接近实际水平波浪力的数值计算方法，以校核验证鱼礁在海底的力学稳定性。本研究基于二阶Stokes波浪理论，借助无量纲化方法对计算水平波浪力的Morison方程进行非线性因素分析。以一种圆台型人工鱼礁为例，采用计算流体力学方法实施边界造波，建立求解鱼礁波浪力的三维非线性波浪数值水槽模型。依据数值计算结果，采用回归分析方法，求得鱼礁在二阶Stokes波浪作用下，正向最大受力(Fmax)与波陡(δ)最佳关系方程：Fmax=?0.89+110.44δ，相关系数(R2)为0.9795；最大负向受力(F–max)与波陡(δ)最佳关系方程：F?max=?0.10?83.52δ，相关系数(R2)为0.9899。圆台型鱼礁在本研究中给定最小与最大波陡波浪下的不漂移安全系数与不翻滚安全系数分别为3.45、2.11与7.54、3.96。研究表明，影响人工鱼礁波浪受力的主要非线性因子为波陡项，随着波陡的增加，非线性作用逐渐加强。鱼礁水平波浪力值随波浪运动做周期性正、负变化，同一时刻，其受力值随着波陡值的增加而增大；鱼礁正、负向最大波浪力与波浪波陡值分别呈正、负线性增长关系；圆台型式人工鱼礁抗滑移与抗翻滚特性较好，在大波陡波浪作用下具有良好的安全稳定性。     

基于FUNWAVE-TVD模型的离岸养殖围网内外波浪场数值模拟研究

本研究利用完全非线性Boussinesq数值模型FUNWAVE-TVD耦合多孔介质模型,建立了模拟围网波浪场的数值模型。将计算结果和实验数据进行对比分析,验证了该模型计算规则波在穿过网箱后传播过程的准确性。进一步研究了波高和周期等因素对围网内外波浪场特性的影响,探讨了围网波浪场特性与这些水动力因素的内在联系。结果显示,离岸养殖围网的存在使波浪场背浪侧出现衰减,波高衰减率受波浪周期影响较大,最大波高衰减达到93.3%。同时,较低频规则波的波高衰减区域呈辐射状趋势扩散,并随着波浪进一步传播,最大波高衰减位置开始向两侧扩散,围网背浪侧的波高衰减程度减小,波高有恢复趋势,而高频波浪的波高衰减区域则较为集中。本研究可为实际海域桩网围护的位置和构造提供分析依据。     

规模化透水性人工鱼礁阻流效应的数值模拟

为在大尺度海洋模型中合理体现透水性人工鱼礁组合，基于海洋数值模式FVCOM（finite volume community ocean model）模拟了大陈岛拟建人工鱼礁区的水动力情况，比较了阻滞力法、实心礁法和附加底摩擦法在投礁前后的垂向流速、礁顶平面流速、水体向上输运通量和背涡流体积的差异，并根据投礁前后的流速差异，应用经验公式预测了投礁一年后底床泥沙冲淤情况。数值模拟结果表明，礁体组合迎流面产生上升流，礁体背流面流速减小，涨急时刻所形成缓流区长度在礁体组合长度20倍以上，年底床淤积厚度约0.05 m。阻滞力法以减少来流的动态功率密度来模拟礁体对水流的阻滞作用，可有效合理地实现对透水性人工鱼礁流场效应的模拟，避免了实心礁法在透水性鱼礁模拟中过高估计流场效应的问题，也没有附加底摩擦法只适用于低矮礁体的缺陷。阻滞力法可根据透水性礁体的造型、迎流面积、组合个数、布放方式和所处水层而设置各向和各水层的阻流参数，不仅适用于置底型透水性鱼礁，也适用于浮鱼礁。阻滞力法的建立、完善和应用对于今后的人工鱼礁水动力学和生态动力学研究具有重要意义。     

波浪作用下可升降式筏式养殖设施水动力特性数值模拟研究

在极端海况下,可升降式筏式养殖设施能够通过下潜来躲避风浪,降低波浪力作用,减免损失。为研究波浪作用下可升降式筏式养殖设施的水动力特性,采用集中质量法建立了筏式养殖设施漂浮及下潜时的数学模型,采用龙格库塔法对其进行求解,并将数值模拟结果与物理模型试验结果进行比较,二者吻合程度较好且变化趋势相同,表明数值模拟的方法能够较好地模拟可升降式筏式养殖设施的水动力特性。在此基础上,用数值模拟法进一步研究波高和周期变化对浮筏运动特性的影响,以及下潜对浮筏运动和锚绳力的影响。模拟结果显示,不同波高和周期变化对浮筏运动特性产生不同程度的影响,同时浮筏下潜后的运动幅度和锚绳力幅值明显减小。     

布设间距对多孔方型人工鱼礁流场效应影响的数值模拟研究

采用计算流体动力学(CFD)技术,研究了不同布设间距下,多孔方型人工鱼礁周围水流运动的规律,旨在为深入研究人工鱼礁的集鱼原理和海洋牧场建设中人工鱼礁的投放和布设提供更多参考。本研究采用了4种布设间距,分别为0.5、1、1.5和2倍鱼礁高度,基于计算机数值模拟技术,模拟了速度为0.8m/s的水流流经2个礁体的过程,分别观察鱼礁周围水流运动情况。结果显示,多孔方型人工鱼礁内部和周围存在缓流区、背涡流区、上升流区、死水区等有显著特征的区域;多孔方型人工鱼礁上升流的最大速度与来流速度的比值约为0.95倍;多孔方型人工鱼礁周围上升流最大抬升高度与鱼礁高度之比约为2.1;多孔方型人工鱼礁的结构在一定程度上为鱼礁周围的流态多样性提供了较有利的作用;多孔方型人工鱼礁的布设间距对2个鱼礁单体间的旋涡数量和旋涡方向有较大影响,也对涡量大小和涡量分布范围产生影响。研究表明,在一定范围内,布设间距越大,涡量越大,分布范围越广,但超过一定范围后,涡量不再增大,分布范围也不再扩大;多孔方型人工鱼礁的布设间距越大,背涡流在X方向和Y方向的影响面积越大。研究结果清晰地展现了不同布设间距下的人工鱼礁的流场效应,对在特定条件下进行人工鱼礁投放和布设具有重要意义。     

南麂列岛海域两种框型人工鱼礁水动力性能试验

为改良南麂列岛海域投放的人工鱼礁礁体存在的沉陷、位移现象,试验研究了人工鱼礁水动力性能,并进行对比验证。采用水槽试验方法,对两种框型人工鱼礁模型在5种水流速度(0.15、0.20、0.25、0.30、0.35 m/s)和4种迎流角(0°、15°、30°、45°)条件下的阻力进行测定,并计算阻力系数。以水槽试验所测得的阻力系数,结合波流动力学理论计算两种实物礁体的水阻力、抗滑移系数和抗倾覆系数。结果显示,两种礁体的阻力均与流速呈幂函数关系,在流速v=0.35 m/s时的阻力差比值最低;两种礁体在相同流速下的阻力差比值均随冲角增大而减小;在不同流速下,两种礁体的阻力系数均在冲角θ=15°时差异最小,在θ=45°时差异最大;随着冲角和迎流速度的增加,礁体的抗滑移、抗倾覆系数逐渐减小,两种礁体在海水流速u≥5节、冲角θ≥30°时抗滑移系数<1,但抗倾覆系数始终>1.2。研究表明,改良后的框型鱼礁在稳定性方面有一定的优势。     

波浪作用下箱网式浮鱼礁水动力特性研究

人工鱼礁可分为沉鱼礁和浮鱼礁,人工鱼礁投放是海洋牧场建设的重要工程基础。浮鱼礁主要用于诱集和保护中上层鱼类,投放受底质条件限制较小,尤其在淤泥底质的海域具有良好的适应性。浮鱼礁主体结构处于中上层位置,受波浪等动力环境影响较大,鱼礁的结构安全性和稳定性是设计和投放中需要重点关注的问题。本研究集合鱼礁集鱼、护鱼和养殖的功能,提出了一种多功能箱网式浮鱼礁结构设计,并建立了水动力数值模型,分析探讨了波高和入水深度对两种锚定形式(单锚绳和多锚绳)的浮鱼礁安全性和稳定性的影响。研究结果表明,相同条件下,单根锚绳固定形式下的锚绳受力总体约为四根锚绳固定时的锚绳受力总和,但网衣网线受力较四根锚绳固定时小。波高对单根锚绳固定的浮鱼礁最大偏转角度影响较大,但四根锚绳固定时,可以显著地降低浮鱼礁最大偏转角度,有效地提高浮鱼礁的稳定性,而且波高越大,效果越明显。波高不变的情况下,随着入水深度的增加,浮鱼礁水平最大偏移迅速减小。当浮鱼礁入水深度为波高的2倍以上时,两种固定方式下的浮鱼礁运动差别可以忽略。     

水流作用下粉砂海床上人工鱼礁局部冲刷的模型试验与分析

海底条件的变化可能会加剧人工鱼礁的局部冲刷甚至产生掏空,导致人工鱼礁倾覆或掩埋,最终影响人工鱼礁的生态修复功能。为更好地了解人工鱼礁的冲刷特性,明确冲刷地形的形成机制,本研究首先采用物理模型试验的方法,对放置在粉砂底质上的人工鱼礁在不同水流条件下的局部冲刷问题进行了研究,并通过对原型流场进行数值模拟,讨论分析了水流及礁体结构特征对局部冲刷形态的影响机制。模型试验结果显示,0.11 m/s流速对试验选取的模型沙的影响不显著,礁体模型背面冲刷坑的深度仅为0.5 mm,两侧无明显冲刷坑,当流速增加到0.22和0.27 m/s时,沙床表面形成了均匀分布的沙鳞,背面冲刷坑深度分别达到1.0和1.5 mm,两侧冲刷坑的最大深度为4.5 mm,宽度分别为4.0和7.5 cm;流场数值模拟的分析结果显示,原型条件下流场、沙床剪切力和涡量的高值区和模型试验中冲刷强区存在对应关系,礁体的开孔和多柱支撑设计增大了局部冲刷强度。该研究表明,在粉砂底质条件下人工鱼礁的局部冲刷程度随流速的增加而增强,但总体冲刷不严重,未出现掏空或掩埋现象;礁体结构对局部冲刷有较大影响,因此,礁体设计与布局时应综合考虑流场效应、稳定性和冲刷形态等因素。     

等边三角型人工鱼礁礁体结构设计及其稳定性

在山东威海西港水产公司小石岛造礁工程投放的三角型礁的基础上,改良设计了等边三角型礁。礁体的尺寸为:等边三角型的边长2 m,宽3.3 m,重8.1 t。根据山东海区的波流状况,测量计算了礁体在8种波况和5种流速下所受到的最大作用力、抗漂移安全系数和抗翻滚安全系数。结果表明,该礁型在实际投放水深为15 m、波高为6 m时,可能失稳发生漂移,在其他波况下能较好地保持稳定;该礁型在投放水深15 m、流速达到1 m/s时,仍能保持稳定,无漂移和翻滚现象。此外,在计算的基础上,对礁体的稳定性进行了观察试验,观察结论与计算结果基本相符。     

人工鱼礁工程技术进展研究

人工鱼礁是实现海洋牧场建设、海域生态调控和海洋生境修复的主要手段之一。人工鱼礁的聚鱼效果主要取决于礁体建造材料、结构造型、流体力学特征及礁体布局等因素。总结了国内外人工鱼礁工程技术的发展历程,阐述了我国人工鱼礁发展存在的问题。通过查阅文献资料,总结了礁体造型和设计方面的研究进展,主要包括:现有人工鱼礁礁体材料的优、缺点,新型复合材料应用空间等;主要礁体构型及现有设计方法;采用流体力学模型试验和数值计算,开展礁体水动力学行为研究的进展;人工诱导流场和人工鱼礁布局主要方法。结合我国人工鱼礁现状,提出人工鱼礁设计与应用的发展趋势和重点研究方向,以期为我国人工鱼礁建造和升级提供参考。     

塔型桁架人工鱼礁流场效应及稳定性

本研究利用物理模型试验和粒子图像测速技术,对塔型桁架人工鱼礁模型在6种换算流速0.031 m/s、0.063 m/s、0.095 m/s、0.126 m/s、0.158 m/s和0.190 m/s (实际流速0.2 m/s, 0.4 m/s, 0.6 m/s, 0.8 m/s, 1.0 m/s和1.2 m/s)下产生的流场效应与物理稳定性进行研究。结果表明,流速达到1.2m/s时,礁体不会发生漂移和倾覆,说明该礁型具有良好的稳定性。单体礁在45°和90°迎流方式下,最大上升流流速和上升流平均流速随来流速度增加而递增,90°摆放单体礁最大上升流流速为来流速度的15.6%～21.0%, 45°摆放单体礁最大上升流流速为来流速度的16.3%～23.5%;上升流面积和高度随来流速度的增大先增加后减小,均在来流速度为0.095 m/s时出现最大值;缓流区面积均随来流速度的增加而减小;在相同来流速度下, 45°迎流时礁体缓流区面积大于90°迎流;在45°和90°摆放方式下,缓流区长度与礁高比值均随来流速度的增加呈下降趋势,且下降趋势逐渐平缓;45°迎流时缓流区长度为礁体高度的13～24倍, 90°迎流时缓流区长度为礁体高度的11～22倍。塔型桁架人工鱼礁礁体前后没有涡流形成,但具有较好的缓流作用,在礁体后方形成了较大规模的缓流区。     

以数值实验为基础的米字型鱼礁布设模式差异下的流场效率

人工鱼礁投放规模是鱼礁建设的核心问题之一,其中礁体数量与布设间距不仅表征了鱼礁规模的范围和密度,而且也决定着人工鱼礁流场效率。本研究采用数值实验方法,对典型结构边长为l的米字型人工鱼礁在4种投放量(2×2、3×3、4×4和5×5)、7种布设间距(0 l、0.5 l、1.0 l、1.5 l、2.0 l、3.0 l和4.0 l)下的流场相对体积、相对高度、相对长度等流场效率特性进行比较分析。结果显示,当上升流目标流速比分别为小于0.10、0.10～0.15和大于0.15倍时,上升流流场存在协同效应的最大布设间距分别为4.0 l、3.0 l、2.0 l,背涡流目标速度比下最大间距均为3.0 l;人工鱼礁投放量越多,上升流与背涡流相对体积越大,平均相对体积增长率越低,0.5 l布设间距的上升流相对体积与鱼礁单体相对流场体积最大,1.5 l布设间距的背涡流相对体积与鱼礁单体相对流场体积最大;上升流相对高度随投放量增加以1.01倍速率增加,随布设间距增加以0.90倍速率降低,背涡流相对长度随布设间距的增加先增后降,相对长度最大值位于1.0 l处。     

基于单位鱼礁规模的米字型人工鱼礁流场效应定量研究

流场效应是人工鱼礁发挥其生态效应的基础,流场效应强弱受单位鱼礁规模影响,同时是衡量人工鱼礁建设模式优劣与规划人工鱼礁建设模式的重要参考因素,流场体积是表征流场效应强弱的重要指标。本研究基于数值实验方法,分析米字型人工鱼礁在4种布设模式下28种单位鱼礁规模的流场体积变化规律,并建立上升流、背涡流流场体积与人工鱼礁建设规模指标的多元非线性模型。结果表明,单位鱼礁建设一级指标投放量(T_a)、布设间距(L_d)及目标速度比(R_u)与上升流体积分别呈线性、三次函数及幂函数关系,建立上升流体积回归模型为V_u=T_a×(0.002L_r~2-0.055L_r-2.429V_R×R_u+0.011R_u~(-1.833)+0.227L_d+0.437),回归拟合R~2为0.957,相对误差为18.61%。与背涡流体积分别呈幂函数、三次函数及指数函数关系;结合单位鱼礁建设二级指标相对边长(L_r)、容积率(V_R),背涡流体积回归模型为V_b=R_u×(-0.543L_r~2+2.388L_r)–51.779V_R~2+75.045V_R+1.449×10~(-4)T_a×e~(12.049 Ru)+1.620L_d×T_a,回归拟合R~2为0.938,相对误差为10.09%。该流场体积回归模型可用于规划指导均匀布设模式的人工鱼礁建设,为"减量增质提效"的人工鱼礁建设策略提供参考。