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.     

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.     

组合钢架式网箱水动力性能分析

为扩大钢架式网箱的养殖空间,提出了一种在钢架式网箱基础上铰接外网箱的组合钢架式网箱。利用海洋工程水动力软件OrcaFlex对其进行水动力性能分析。对比分析在纯流、纯波浪及波流联合工况下,组合钢架式网箱和铰接前钢架式网箱的浮架与网衣连接点的有效张力,网箱容积剩余率和锚绳力,以及组合钢架式网箱的铰链系统运动响应。结果显示：相较于钢架式网箱,组合钢架式网箱的浮架与网衣连接点受力和锚绳力都有所增大;铰接外网箱能够扩大养殖空间并且不会影响内网箱的容积剩余率。通过在钢架式网箱基础上铰接外网箱能够达到扩大养殖空间的目的。研究结果可为在实际中应用铰接外网箱来扩大养殖空间提供参考。     

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。     

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。     

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。     

HDPE圆柱形网箱与圆台形网箱受力变形特性的比较

介绍了一种用于模拟水流作用下网箱受力变形的数值计算模型,并利用海上实测数据对计算模型进行了验证。验证结果表明,网箱锚绳力的计算结果与实测数据十分接近,最大相对误差为7.0%。在此基础上,分别对圆柱形网箱和圆台形网箱在不同配重(GW₁=350 kg、GW₂=600 kg)和流速(U=0.3～0.9 m/s)条件下所受的水流力以及容积损失率进行了数值计算。结果表明,两种网箱无论在所受的水流力方面还是在变形后保持的网箱容积方面随流速和配重的变化趋势基本一致。圆柱形网箱的容积损失率远大于圆台形网箱的容积损失率,在较小流速(U=0.3 m/s)研究时,圆柱形网箱的容积损失率达到了28%左右,具有较明显的初始变形。圆台形网箱的初始变形很小,具有较好的耐流特性和抗变形能力。     

基于水动力性能的网箱网衣网目群化数值模拟方法研究

网衣是网箱的重要组成部分.为解决对网衣的运动变形以及受力进行数值研究存在的问题,基于Morison方程和集中质量法,提出了网目群化改进方法.改进方法保持了网目群化前后网衣的体积和质量不变,并通过调整水动力系数达到改进后的网衣所受水动力与未群化前相同.通过对圆形网衣进行数值模拟,并与相关研究进行对比,分析了圆形网衣的容积...     

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。     

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,     

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.     

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。     

应用两种不同的波浪理论计算方形网箱水平波浪力

运用莫里森(Morison)和库兹涅佐夫(Kuznetsov)的计算方法对方形网箱及其构件受到的水平波浪力特性进行分析,分别依据正弦波和司托克斯二阶波理论,导出相应水平波浪力的迭加计算公式,并把计算结果与两种尺寸的网箱水槽试验进行对比验证。结果显示,正弦波理论计算值与试验值平均误差分别为11．19％和13．67％,二阶波计算平均误差分别为11．03％和13．87％,表明两者计算结论的差异性和计算方法的可行性。在波长、周期、波高和水深分别为150m、10．2s、10m、40m情况下模拟计算实物网箱水平波浪力,其二阶波受力峰值范围比正弦波的要窄、波谷值曲线要平坦,两者波浪力计算相差达8．70％,并且相差率与波高、波长成正比例关系,与水深成反比例关系,从而说明不同的波浪水域环境下应用不同波浪理论计算具有重要意义。     

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。     

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。     

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.