小尺度网箱缆绳张力在波浪中的变化特性

海水养殖网箱系统主要包括网箱框架、网衣和锚泊系统.其中锚泊系统是网箱系统安全的重要保证之一,而锚泊系统设计的核心问题是系泊力,即缆绳张力问题.为了保证受风浪冲击的网箱锚泊安全,必须对锚泊的动力负荷进行分析研究.为此本研究设计了一种小尺度网箱进行试验,通过测量不同波长、波高的波浪中网箱的缆绳张力、以及波浪通过网箱前后时的平均波高及波长,对网箱缆绳张力随波长、波高的变化进行分析和研究.结果表明,波浪中缆绳张力最大张力随波高的增加而增加,且随着波浪周期的增加张力增加的趋势随波高变缓,而波浪的波长和网箱框架的边长一致时,波浪单位截面积内的能量损失率达到最大值.     

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.     

波浪作用下双层网底鲆鲽网箱水动力特性的数值模拟

根据有限单元法建立了波浪作用下双层网底网箱的受力运动模型，通过数值计算求解双层网底的位移与倾角。先将上层网底与下层网底的计算值进行比较，然后，将双层网底网箱中下层网底与单层网底网箱开展对比分析。计算结果显示，在波浪周期内，双层网底网箱的2层网底能保持相对平行的状态。2层网底的位移与最大倾角随着波高与周期的增大而增加，并且2层网底的倾斜方向一致。在相同波浪条件作用下，下层网底的水平位移大于上层网底，二者垂直位移差异较小，下层网底最大倾角值大于上层网底。研究发现，当波高为15 cm、周期为1.4 s时，双层网底网箱的2层网底的倾角相差最大，但并未发生接触碰撞，网底可以保持相对稳定。此外，双层网底网箱的下层网底的最大位移值小于单层网底网箱，最大倾角值大于单层网底网箱。研究表明，当波浪一定时，双层网底网箱的最大锚绳力均大于单层网底网箱。     

系泊方式对深水养殖网箱动力特性影响研究

针对一种三角形高密度聚乙烯深水养殖网箱,该研究基于有限元法建立了波浪流作用下网箱动力响应计算模型,并通过开展模型比尺1∶15的水池试验,分析比较了网箱在纯波、波流组合条件下动力响应的计算结果与试验数据,两者相对误差均在10%以内。在此基础上,考虑原型网箱海况数据,将波流要素值取为:波高(H) 4～6 m、周期(T) 9 s、流速(v) 0.5～1.5 m·s~(-1),分析了单点系泊和多点系泊方式浮架变形以及网箱系泊力的情况,并进一步探讨了系泊方式对网箱运动特性的影响。结果表明,波流作用下,多点系泊布置时的系泊力峰值大于单点系泊情况,且随着流速和波高的增加,两者相差幅度增大;在大浪强流条件(H=6 m, T=9 s, v=1.5 m·s~(-1))下,多点系泊能在一定程度上降低浮架的变形;2种系泊方式对浮架的升沉影响极小,但多点系泊时浮架在x轴上的位移大于单点系泊时,两者峰值相差25.64%;单个周期内网衣平面轮廓图显示网衣的变形程度几乎一致。     

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。     

用数值法计算圆形沉浮式深海网箱的下潜水深

应用一系列力学关系,给出了深海沉浮式养殖网箱的运动方程组,在网箱下潜深度的研究中采用绕射理论和Morison方程进行了波浪力分析,讨论了网箱的下潜深度随波浪的波高、波长及周期的变化情况,得出下潜水深比较小时深海网箱的波力变化快,当达到某一个下潜深度以后,波力的变化趋于平缓,从而为深海网箱选用最佳工况提供了一种参考方法。     

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。     

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.     

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.     

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。     

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。     

波浪作用下一种鲆鲽类方形网箱水动力特性数值模拟研究

针对鲆鲽类方形重力式网箱在纯波浪条件下的水动力特性,采用数值模拟的方法对鲆鲽类方形深水重力式网箱的主要部件——浮架系统、配重系统、锚碇系统进行了模拟。将模拟结果与实验结果进行分析比较表明,数模与物模各量值吻合良好,平均相对误差均不超过9%,表明数值模拟的方法能较好地模拟鲆鲽类方形深水重力式网箱的水动力特性。在此基础上,用数值模拟的方法,进一步研究了底框质量和网衣高度的改变对网箱各参数的影响,模拟结果显示,底框质量改变主要影响锚绳受力和底框倾角,底框质量从80 g升至100 g再升至140 g的过程中,锚绳受力平均增幅分别为13%和19%,同时增大底框质量有助于减小底框运动倾角,其平均降幅分别为8.8%和9.3%;网衣高度由20 cm增至30 cm后,锚绳受力平均增加15%,同时网衣的增高导致对浮架和底框的牵制作用加大,使得浮架和底框的运动幅度有所减小,降幅不超过10%。在以上研究结果的基础上,为鲆鲽类网箱的设计与优化提供了参考建议。     

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。     

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。     

Experimental study on the effect of waves on netting panels at a range of angles to the wave direction

The effect of horizontal waves on flexible netting panels placed at angles to the wave direction is studied with the aim of evaluating the testing method of pre-tensioned mooring and radial systems and flexible netting structures. The netting was hung on a frame at a specific hanging ratio for ten types of polyethylene panels. Regular waves were experimentally generated with a wave period varying from 0.8 to 2.0 s and wave height ranging from 50 to 250 mm. The force on the netting structure was recorded by a tension transducer and a digital signal recorder. The results showed that the horizontal wave force on the netting panel changed periodically and asymmetrically when it was back and left or right declinate to the wave direction; similar results were found for the surface wave elevation. The opposite results were obtained when the sloping angle declinated front to the wave direction, with two obvious crests during each period. The horizontal wave force was related to the height and width of the netting panel, wave height, wave length, twine diameter, bar length of the mesh, and sloping angle relative to the wave direction. Using dual series relations, the least square approximation, and multiple stepwise regression analysis, the formula for estimating the maximum value of the wave force on the netting was obtained.     

Numerical study on wave attenuation inside and around a square array of biofouled net cages

In this study, waves propagating through a square array of 16 net cages with different levels of biofouling are numerically studied using a three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) model. A porous-media fluid model is adopted to simulate both clean and biofouled netting of a cage array in waves. A numerical wave tank is built, and the oscillating-boundary method is adopted to generate waves. The flow motion is solved by the Navier-Stokes equations, and the free water surface is captured using the volume of fluid (VOF) method. The numerical model is validated by comparing the numerical data with corresponding experimental measurements of a net-cage model with clean netting. To analyze wave attenuation, a numerical analysis of wave elevation both inside and around the cage arrays is presented, which considers the effect of biofouling. Based on the results of the present study, the effect of biofouling on wave elevation is noticeable; the damping effect of the cage array increases with increasing level of biofouling. Furthermore, the incident angle of waves has a noticeable effect on the wave field inside and around the cage array.     

Water-tank experiment and static numerical analysis of the mooring system of a controllable depth cage

Recent variations in marine environments have increased the risk of aquaculture accidents at sea. This risk can be reduced by installing fish cages at the desired depth, based on environmental conditions such as wave height, the vertical profiles of water temperature, algal concentration, and dissolved oxygen concentration. Most submergible fish cages can be located at only two depths: the sea surface and a submerged depth. In the present study, a fish cage installed at various depths, i.e., a controllable depth cage (CDC), is proposed for avoiding undesirable environments. A water tank experiment is conducted to measure the drag of the cage and the static deformation of the mooring system using a scale model of the actual cage. Then, a simple numerical model based on the balance of forces on each component is developed to analyze the position and the attitude of the cage and the mooring tension of the system. The numerical model is verified by comparing the experimental and numerical results. The outcome showed that the cage and floats moved downstream at an increasing velocity. The results of the numerical simulation supported those of the water tank experiment. However, the simulated vertical positions of a cage and floats were higher compared with experimental results. Additionally, the inclination of angle increased alongside increasing velocity in the numerical simulation, whereas a complex variation was observed in the experiment. This happened because of underestimating the drag on the mooring rope in lower water current velocities; additionally, cage lift was not considered in the numerical model. Despite these discrepancies, the tension of each mooring rope was well predicted because of the dominant tension of the horizontal component. In future studies, the balance of forces on the rope should be predicted more precisely, and variations in cage drag and inclination angle should be included in the numerical model. Additionally, the effect of waves should be considered alongside water currents to ensure the safety of the CDC.     

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。