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。     

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。     

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.     

2种新型塑胶环保型网箱养殖褐牙鲆(Paralichthys olivaceus)与大菱鲆(Scophthalmus maximus)效果的评估

以褐牙鲆(Paralichthys olivaceus)和大菱鲆(Scophthalmus maximus)为养殖对象,设计了2种新型的鲆鲽类网箱,即新型塑胶环保型单、双层网箱。通过褐牙鲆和大菱鲆网箱养殖实验来验证2种新型的网箱在实际生产中的可行性。结果显示,褐牙鲆传统木箱养殖组的商品鱼成活率为92.73%,单位面积产量为16.42 kg/m~2;塑胶单层网箱养殖组的成活率为96.37%,单位面积产量为17.42 kg/m~2。2个组的成活率、单位面积产量均存在显著差异(P0.05),单位面积产量同比增产6.10%。小规格大菱鲆传统网箱商品鱼成活率为92.50%,单位面积产量为8.09 kg/m~2;塑胶单层网箱组的商品鱼成活率为92.50%,单位面积产量为8.02 kg/m~2;塑胶双层网箱组的商品鱼成活率为92.00%,单位面积产量为10.53 kg/m~2,与传统网箱、单层塑胶网箱存在显著差异(P0.05),且同比增产分别为30.00%、31.00%。大规格大菱鲆单、双层塑胶环保型网箱养殖的成活率达到95.00%以上,单位面积产量均为14.52–16.32 kg/m~2;大规格大菱鲆双层网箱实验组平均尾重与单层网箱示范组差异显著(P0.05),单位养殖面积产量同比单层网箱示范组增产11.00%。研究表明,新型塑胶环保网箱养殖褐牙鲆效果良好。新型网箱相对于传统木制网箱除了具有节能环保、节约资源、操作便利的特点外,双层网箱养殖可提高有效利用面积,增加养殖效益。     

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。     

不同工作姿态下立式双曲面网板水动力及周围流场特性研究

网板是单拖网中实现网具扩张的重要属具,其稳定状态直接决定拖网网口扩张程度,进而影响渔获效率和经济效益。该研究以立式双曲面网板为研究对象,利用水槽模型试验和数值模拟(Computational fluid dynamics,CFD)探究立式双曲面网板在不同倾斜状态(内、外倾斜,前、后倾斜)和冲角下的水动力性能变化,并对网板周围流场和表面压力进行可视化。结果显示:1)模型试验和数值模拟的网板升力系数均在倾角为0°,冲角为25°时达到最大值,分别为1.69和1.88;而两者的阻力系数均随倾角增大逐渐减小。2)模型试验和数值模拟的升阻比均随倾角增大逐渐减小;当内倾角为5°时,两者的升阻比均达到最大,分别为3.27和3.69。3)压力中心系数Cpb随倾角变化基本保持不变;但当网板处于前倾状态时,Cpc随倾角增大而增加;而网板处于后倾状态时,Cpc随倾角增大逐渐减小。4)CFD结果显示,网板中心面后部旋涡随倾角增大逐渐减小;当网板处于内、外倾状态时,前端流速衰减区随倾角增大逐渐增加;但当网板处于前、后倾状态时,衰减区随倾角增大逐渐减小;网板处于前倾状态时,压力中心随倾角增大逐渐向网板上端翼弦移动,网板处于后倾状态时则出现相反结果。研究结果可为今后研究网板稳定性和合理使用及调整网板提供科学参考。     

水流作用下重力式网箱网衣张力分布

在水流作用下，网箱网衣要承受很大的水流作用力，在网箱实际使用中破网逃鱼现象时常发生。网衣属于柔性结构物，在外部荷载作用下会发生较大的变形和位移，因此其受力和变形特性较为特殊。为了获得水流作用下重力式网箱网衣的张力分布，从而为设计和生产提供理论参考依据，利用集中质量的方法建立了水流作用下网箱网衣受力和变形的数学计算模型。利用此数学模型对重力式网箱网衣在不同配重模式和网目形状下的变形和张力分布进行了数值模拟。通过数值模拟研究发现，网箱网衣张力分布形式和网目形状关系密切，配重形式对其影响较小。相同工况条件下，配置底图时网衣所受最大张力略大于单独沉子配重形式，同时菱形网目网衣所受最大张力略大于正方形网目的受力。     

不同侧板结构对八棱柱型人工鱼礁流场效应的影响

为了解侧板结构对八棱柱型人工鱼礁流场效应的影响，实验基于计算流体力学方法(computational fluid dynamics, CFD)，利用大涡模拟(LES)对4种不同侧板结构的八棱柱型人工鱼礁周围流场变化进行数值模拟，并以上升流体积、背涡流体积和向上输运通量等为流场效应指标进行了分析，同时利用水槽实验对数值模型进行验证。结果显示，水槽实验流速与2种尺寸数值模拟流速的均方根误差最大不超过0.065。0°垂直迎流时，2种来流速度下，A型、C型和D型礁的上升流体积较B型礁最大分别高35.6%、244.1%和80.1%，背涡流体积较B型礁最大分别高193.5%、115.8%和88.8%。C型和D型礁的向上输运通量均大于A型礁，且C型礁最大向上输运通量是D型礁的1.29倍。不同迎流角度下，C型礁和D型礁的上升流体积和背涡流体积在4种角度下差异显著，且迎流面投影面积和上升流体积及背涡流体积之间相关系数较小。研究表明，实验所采用的数值模拟准确可靠；侧板数量增加对于提升八棱柱型人工鱼礁流场效应尤其是上升流效应作用明显；下层侧板固定时，上层为倾斜侧板有利于提升礁体的上升流效应，上层为垂直侧板时...     

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。     

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。     

基于PIV技术的方形网箱二维流场分析

方形重力式网箱在水流中会产生一定的阻流效应,为此研究不同类型网箱在不同流速下网箱周围的减流情况非常重要。本研究通过水槽试验,设计了4组不同网目形状与网目尺寸的网箱模型,利用粒子测速技术(PIV)、与多普勒流速计(ADV)试验技术,分析方形网箱二维流场特性与、流速分布及其减速情况。首先,试验结果发现结果显示,水流经过4组网箱后均出现明显的流速衰减,衰减区的高度与网箱高度大致相当;而网箱底部则出现流速增大区。ADV与PIV测量结果基本一致,。其中,当来流速度为0.18 m/s时,4组网箱中心点的平均流速衰减系数在0.5–~0.8左右。其次,试验结果表明,装配菱形网目的网箱流速衰减略大于方形网目网箱;小网目网箱的流速衰减则明显大于大网目网箱,而网箱的平均流速衰减系数随流速变化趋势不明显。最后,结果表明,利用PIV技术给出经过网箱中心点铅垂面流场分布的云图呈现,可清晰看出网箱周围的水流流线分布疏密程度。     

水流作用下筏式养殖设施动力响应的数值模拟

利用有限单元法建立了水流作用下筏式养殖设施动力响应的数学计算模型,通过数值求解对浮标和吊笼结构的最大位移以及锚绳受力进行分析。计算机模拟结果表明,筏绳在水流作用下产生明显的变形,其形态变化与实际基本相符。当流向一定时,浮标和吊笼的最大位移值以及左右两侧的锚绳受力均随流速的增加而增大。其中,浮标最大位移值7.6m,吊笼最大位移值9.6m。当流速一定时,浮标和吊笼的最大位移值与右侧锚绳受力随着来流角度的增加而增大。左侧锚绳力受来流方向变化影响不明显,其最大值为3 780N。     

不同排布方式圆形重力式网箱容积保持率的模型试验

以目前使用较多、主尺度为周长50 m、深8 m的HDPE圆形重力式网箱为研究对象,通过在主尺度为90 m×6 m×3 m的试验水池内的模型试验,研究其在不同配重、两种排布方式、不同排布间距条件下网箱的容积保持率变化。结果表明:"一字型"的网箱排布方式时,不同的排布间距对第一只网箱的受流影响不大;第二、第三和第四只网箱由于前一只网箱的减流作用,网箱间距越小,其作用越明显,容积保持率越高。"田字型"的网箱排布方式时,由于并排网箱产生的涡流的影响,第一只和第二只网箱在相同流速下其容积保持率较"一字型"排布方式减小,且网箱排布间距越小,涡流的作用越明显,容积保持率越低。模型网箱的容积保持率均随着配重的增加而增加,高流速下配重的调节作用减弱。根据实验数据以及在实际海上作业情况,建议"一字形"排布、25%间距方式设置网箱,可适当增加迎流第一只网箱的配重,其它网箱建议可采用700 kg配重。     

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，     

A note on the behaviour of adult Atlantic halibut, Hippoglossus hippoglossus (L.), in cages

Abstract. Observations of adult Atlantic halibut, Hippoglossus hippoglossus (L.), behaviour in cages were made with underwater camera and video recording equipment. Significantly more fish ( P < 0·01) were found on the cage bottom than in the water column, fish tending to congregate around the outside rather than in the centre of the cage. During rough weather, the cage bottom was observed to heave violently and proportionately fewer fish remained on the bottom, those which did adopting an arched body posture with heads and tails not in contact with the cage bottom. Around 25% of the caged fish were active at any time, most of the active fish remaining close to the cage surface or bottom, with little use being made of the remaining cage volume. Fish were observed to swim in a circular pattern close to the cage walls (mean velocity 0·53 m/s), maintaining such behaviour for periods of up to 5min with little change in swimming speed. Whilst all food types were ingested, items delivered directly lo the cage bottom were taken only if detected within the first minute or so. The implications for rearing Atlantic halibut in conventional cages are discussed.     

HDPE双管圆形深海抗风浪网箱的研制

通过网箱结构的对比分析、材料选择和网箱模型试验,并针对进口网箱在我国海区使用中存在的问题,采用自主开发的HDPE网箱框架专用管材和六边形网目尼龙网衣,在网箱结构设计和制作技术上进行了多项创新性改进,自行研制了HDPE双管圆形结构的抗风浪网箱。波浪水槽模型试验表明,网箱抗浪能力可达7m波高以上,在原型流速102．9cm／s时,网箱容积损失率约为19．8％。研制的周长50m,水体2000m^3的试验网箱,经两年海区养殖验证,经历8～9级大风38次,10级以上大风3次,最大流速72cm／s,网箱系统和养殖鱼类安全。     

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。     

Numerical simulation of the flow field inside and around gravity cages

A three-dimensional (3D) numerical model is established to simulate the flow field inside and around the gravity cages in a current. The realizable k–ɛ turbulence model was chosen to describe the flow, and the governing equations are solved by using the finite volume method. In the numerical model the cylindrical cage is divided into 16 plane nets around the circumference and a bottom net, and the net is modeled using the porous media model. The unknown porous coefficients are determined from the hydrodynamic force on the net under different flow velocities and attack angles using the least squares method. In order to validate the numerical model, the numerical results of the plane nets were compared with the data obtained from two physical model tests. The comparisons show that the numerical results are in good agreement with the experimental data. Using the present model, this paper presents the flow field inside and around the gravity cages with different spacing distances and cage numbers. This study provides information about the flow field inside and around the fishing net cages.