波浪作用下筏式养殖结构的动力分析

针对筏式养殖设施结构的特点,基于有限元商业软件ANSYS对其进行数学建模,通过数值计算,对不同位置浮标与吊笼的位移和最大锚绳力进行分析。数值模拟研究表明,筏式养殖设施整体结构在波浪作用下呈现周期性的运动趋势,但并未发生浮标或吊笼相互缠绕的现象,说明此筏式结构在波浪作用下能够安全使用。不同位置的浮标与吊笼,由于受到锚绳与筏绳相互牵引的作用,其位移随时间变化的趋势有所不同。两侧锚绳受力变化周期与波浪周期基本一致,迎浪侧锚绳受力明显大于背浪侧,锚绳力最大值约为1000 N。研究结果表明,通过对比不同的波浪工况条件,发现各个浮标和吊笼在水平与垂直方向的位移幅度均随着波高的增加而增大,且垂直方向位移幅度大于水平方向。     

波浪作用下筏式养殖设施的数值模拟

基于浙江海洋学院提出的新型筏式养殖模型,将浮标简化为质点,将梗绳简化为集中质量构件,建立浮标和梗绳构件受力模型和运动方程,采用4阶Runge-kutta法求解运动方程,对新型筏式养殖系统在波浪作用下的整体运动情况进行模拟,分析浮标在波浪下的运动响应和波浪入射角度对锚绳力的影响,考察梗绳材料对浮标水平位移幅度的影响。结果显示:筏式养殖系统上部浮标在风浪中的水平位移幅度很大,将系统主轴安排与波浪的入射方向一致时,锚绳受力最小,选用PA材料锚绳相对于PE材料锚绳能减小浮标的水平位移幅度。     

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。     

圆柱形网箱锚绳受力特性的数值模拟

根据动力学原理,研究在水流作用下圆柱形网箱锚绳的受力特性,导出锚绳形状和张力的一阶微分方程组,并利用四阶Runge-Kutta计算法,结合Matlab工具,对圆柱形网箱的系泊锚绳,在水流速度、水流冲角、水深和锚绳长度等参数下的空间位置及张力变化进行数值求解和仿真模拟。模拟结果显示,在给定的初始条件下,锚绳长度对锚绳的空间位置影响最显著,水流冲角对锚绳张力的影响最大,水深对形状和张力的影响最不明显;锚绳张力随长度的增加而减小,随水流冲角、流速的增加而增加。     

筏式吊耳养殖系统水力特性及布局影响

深水延绳式筏式吊耳养殖系统属于典型的柔性多自由度海上结构物,通过数值模拟和模型实验相结合的方法,探讨了系统负重、浮球形式和布置角度对筏式系统水力特性的影响。结果显示,系统负重和布置角度均对筏式吊耳养殖系统的受力和运动特性有显著的影响,绠绳位移与负重呈负相关关系,绠绳位移随着负重的增大而减小;增大负重将明显增大绠绳、后锚绳、浮球系绳和吊绳的受力,而前锚绳受力随负重增大而减小,但幅度较小。浮球形式对筏式吊耳养殖系统的运动和受力影响很小,可以忽略;锚绳受力和绠绳位移与布置角度在0°~60°内呈正相关关系,都随着布置角度的增大而增大,在60°~90°内锚绳受力和绠绳位移与布置角度呈负相关关系,随着布置角度增大而减小。绠绳、浮球系绳、吊绳受力受布置角度影响较小。以上研究结果可为深水延绳式筏式吊耳养殖系统结构设计和安全性能评估提供参考。     

浮绳式围网水动力特性研究

离岸围网设施通常布置在开阔水域,受波流作用影响显著。为确保围网结构的安全,需对其水动力特性开展研究。为此,以一种浮绳式围网为研究对象,通过拖曳水池试验对围网整体阻力性能进行分析。根据有限单元法建立波浪作用下围网结构受力的数学模型,通过计算机数值模拟对围网浮子的最大位移与网衣张力进行研究。结果显示:随着流速的增大,围网整体阻力逐渐增加,阻力与流速呈幂函数关系,阻力最大值为196 k N。当浮绳式围网在波浪作用下,上纲中迎浪面中点处浮子的位移最大,位移值为80 mm,网片与锚绳连接点及下纲四角连接处的网线张力较大。建议适当增加迎流面网衣所配备的浮力,以使围网在较高流速时保持形状。此外,在实物网衣的制作中,锚绳与下纲四角连接处的网衣应做加固处理。     

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.     

波浪作用下半潜式养殖网箱水动力特性

半潜式深远海养殖网箱在波浪作用下会发生变形与运动。为保证网箱结构的稳定性,需对其水动力特性进行分析。本研究基于有限元法建立了波浪作用下一种半潜式网箱的数值模型,通过仿真计算求解网箱的锚绳受力与运动情况。首先,将计算机模拟值与物理水槽试验值进行比较,验证数值模型的准确性。然后,分别研究了半潜式网箱在3种压载状态下的动力响应情况,分析比较了不同波浪条件下网箱锚绳张力、垂荡、纵荡和纵摇的计算结果。结果显示,计算值与试验值基本吻合,二者的相对误差在5%左右。当波高一定时,网箱迎浪侧和背浪侧锚绳受力与波浪周期改变无明显关联;当周期一定时,两侧锚绳受力均随波高的增加而增大。网箱的垂荡、纵荡及纵摇值均与波高呈正相关,随着半潜式网箱吃水的增加,网箱的垂荡、纵荡及纵摇值基本呈减小趋势。网箱在3种压载状态下最大垂荡值和纵荡值分别为12.67 m和10.59 m,网箱在空载状态下的最大纵摇值≤15°,表明半潜式网箱结构具有较好的稳定性。研究结果可为我国深远海养殖网箱设计提供理论参考。     

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.     

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.     

网衣缩结对圆柱形网箱性能影响的初步研究

采用网箱模型试验，对周长50m、深8m的HDPE双管圆形重力式网箱，通过改变网衣装配方法，在不同流速条件下对网箱性能进行了研究。结果表明，菱形目装配缩结系数0．707时网箱的阻力比0．65时小，但在静态时，缩结系数0．707比0．65时容积损失率大;力纲装配对网箱在水流作用下的形态产生影响。     

Numerical model of an aquaculture structure under oscillatory flow

Marine aquaculture is widely distributed in coastal areas. The aquaculture farms generate drag resistance to fluid motion and alter ambient hydrodynamics. Meanwhile, aquacultural structures are subjected to complex flow conditions including waves and currents. With the expansion to more open areas with severe flow field conditions, marine aquacultural structures face greater challenges and risks of damage. Culture unit is an important component of aquacultural structures and shows flexibility in both field observations and laboratory measurements. Underestimating or overestimating the drag resistance of culture units under the action of fluid flow can lead to damage risks or overdesign of the structure. A dynamic model is developed to estimate the deflection of flexible culture units and is incorporated into an aquacultural structure numerical model in this paper. Critical factors for safety as well as routine operation of aquacultural structures are considered including structural responses and mooring line forces. A suspended mussel long line system is taken as an example, and the results show that the calculated value (9.2 kN) of the maximum tension of the north mooring line is in good agreement with the measured data (9.8 kN) under the action of tide flow. The influence of different flow field parameters on structural dynamic responses is investigated. The numerical results indicate that decreasing wave height can reduce maximum mooring line tension and longitudinal and vertical motion amplitude of the main line. The maximum tension of the mooring line generally decreases with the increase of the angle between the main line and the inflow direction under the action of waves and tide flows. In structural design, the arrangement angle of structures can be determined according to the force calculation of mooring lines based on the numerical model. The spacing of culture units and the distance between adjacent long lines can be determined by referring to the motion calculation of structures to avoid damage due to intertwinement of structural components.     

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。     

Numerical simulation of deformations and forces of a floating fish cage collar in waves

The dynamic behavior of a fish cage collar in waves was investigated using a numerical model based on the finite element method. The floating collar and mooring system were divided into a series of line segments modeled by straight massless model segments with a node at each end. To verify the validity of the numerical model, research data from other authors were cited and compared with the simulated results, the comparison of results showed a good agreement. The numerical model was then applied to a dynamic simulation of a floating cage collar in waves to analyze its elastic deformation and mooring line tension. The simulated results indicated that the greatest deformation of the collar taken place in the position of the mooring line connection point when incident waves were in the same direction. An increase in the length of mooring line would help to decrease the mooring line tension of the collar. Furthermore, the effects of collar dimension, including collar circumference, pipe diameter in cross-section, and pipe thickness, on the dynamic behavior of the floating collar were discussed. The results of this study provided a better understanding of the dynamic behavior of the fish cage collar.     

漂浮状态下重力式及碟形网箱锚绳受力特性的比较

深水网箱养殖是海洋牧场建设的重要手段之一，在其发展及应用过程中出现了多种结构形式，其中以重力式和碟形深水网箱应用最为普遍，国内外关于网箱的水动力特性已进行了不少研究，但结果存在较大差异。Colboume等曾对多种配重形式和锚碇形式的重力式网箱的水动力特性及运动特性进行试验，     

风浪中锚泊渔船的锚链系泊张力的分析研究↑（*）

渔船在风浪冲击下锚泊时,其锚链的动力负荷会受到影响。通过非线性方程的求解,着重分析二阶波浪力导致的高系泊力。结果证明,在不同水深及风、浪、流的作用下,电焊锚链和钢丝绳所能承受的系泊拉力相差较大,从而为渔船锚泊规范制订提供了理论基础。     

双层网底鲆鲽网箱耐流特性的数值模拟

双层网底鲆鲽网箱的网底结构在水流作用下会发生倾斜与转动。为确保网底结构的安全,需对其耐流特性进行动力分析。为此,根据有限元法建立了流场中双层网底网箱受力的数学模型,通过计算机数值模拟对双层网底的最大位移与倾角进行研究,并将双层网底的计算结果与单层网底进行对比分析。模拟结果显示,随着流速的增大,上层网底与下层网底的倾角逐渐增加,并且两层网底的倾斜方向恰好相反。研究发现,当实际海区流速超过93 cm/s时,双层网底网箱的上、下两层网底会发生接触碰撞,从而影响网底的稳定。此外,双层网底网箱的下层网底位移要大于单层网底网箱,但其倾角却小于后者,这可能与双层网底网箱的上层网底设计有关。     

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。