平面网衣在水流作用下的受力和变形特性数值模拟研究

基于集中质量点法和牛顿第二定律,建立了网衣在水流作用下的受力和运动响应数学模型.采用计算机数值模拟方法,研究了水流作用下网衣的动态变形情况以及网衣受力平衡后的空间分布形状.在2种配重(GW1=4.12 N、GW2=16.38 N)和6种流速(U=0.17、0.22、0.28、0.33、0.39和0.44 m · s-1)条件下对网衣稳定后沿水流方向的总水流力、网衣底端的水平及垂直位移进行了数值计算.计算结果表明,配重及流速大小对网衣受力和变形特性具有较大的影响.随着水流速度的增大,网衣在水流作用下的运动变形加剧,且当配重增大时,网衣变形减小,网衣受力随流速的变化增幅明显加快.为了验证模型的正确性和有效性,文章还将数值模拟结果与前人的试验结果进行了比较,效果良好.     

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。     

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...     

水流作用下一种养殖金属网衣水阻力特性的数值模拟研究

为保障深远海金属网箱养殖系统的结构安全,进行网箱结构的水动力学研究是一项重要的工作。构成金属网箱主要组成部分的金属网衣是一种小直径多孔的网状结构,在波浪和水流作用下的水动力学特性与一般的海洋工程结构物有显著不同。本文基于有限元基本原理,采用梁单元模拟金属网线结构,采用连接单元模拟网线接触部位的相互作用,并运用ABAQUS软件进行数值计算,在试验验证的基础上,分析了在水流作用下一种金属菱形链网衣在不同网目尺寸、不同网线直径情况下的水阻力变化情况。数值模拟结果表明在各种工况下,当网目尺寸由25 mm增加到35 mm、45 mm时,网衣受力增加幅度的平均值分别为14.71%和38.07%;当网线直径由2.5 mm增加到3.2 mm、4.0 mm时,各工况下网衣受力增加幅度的平均值分别为25.05%和45.06%。研究结果可以为进一步开展深海养殖金属网箱水动力特性研究提供积极的基础。     

网渔具计算机数值模拟的研究进展

对近年来网渔具的计算机数值模拟中使用的几何拓扑分解方法、数学建模思想和模型算法等进行了归纳和系统整理,并探讨了各种算法的稳定性和收敛性。分析认为:刚体有限元法数学建模的优点是模型简化,能基本反映网具粗糙形状,缺点是忽略网线张力,无法精确反映网具的受力和网具的运动状态;基于质量弹簧体系和牛顿力学的柔性有限元法是主流,数值模拟结果更符合网具的实际状况,网形更细腻逼真,计算结果与网具实测拟合较好;显式算法对时间步长较敏感,稳定性和精度不如隐式算法好。NEWTON-RAPHSON和NEWMARK-β算法具有无条件稳定性和收敛性,大部分研究采用了此算法。     

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。     

网衣波浪水动力特性的数值模拟初步研究

为研究网衣与波浪相互作用机理,以粘性不可压缩Navier-Stokes方程为控制方程,通过VOF方法追踪波面,采用推板造波的方式建立了数值波浪水槽。数值模拟过程中利用多孔介质模型模拟网衣,根据网衣受力的经验公式利用最小二乘法拟合得到相应的多孔介质模型参数。利用该数学模型研究了平面网衣对波浪形态影响及网衣受力情况,并与物理模型试验结果相比较。结果表明,计算获得的网衣受力和波浪透射系数与试验结果相一致,证明了该数值模型研究网衣波浪水动力特性的适用性。     

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。     

罩网自由沉降过程的数值模拟研究

通过集中质量法建立罩网网具的数学模型,对罩网自由沉降过程进行数值模拟研究。模拟结果通过罩网4种配重沉降试验实测数据的验证,并展示了罩网自由沉降过程的空间形状变化。研究发现:1)随沉降进行罩网网口形状变为近似圆形,迎流面较圆钝,背流面存在沿海流方向的突出部;2)4种配重间网口质量点拉力、水动力、沉降速度均存在显著性差异且随配重的增加而增大;3)网口质量点的拉力先骤然增大,之后呈现先变小后增大的波动,最后缓慢增大;网口质量点的水动力、沉降速度先骤然变小,之后呈现先增大后变小的波动,最后缓慢减小;4)研究认为在罩网作业所允许的配重范围内,沉降速度随配重的不断增加而持续增大。     

喷嘴结构对网衣清洗装备水下空化特性的影响

为揭示淹没环境下喷嘴高压射流空蚀的作用机理及沿程参数作用,基于空泡演变过程,利用有限体积法采用混合多相流模型对网衣清洗装备喷嘴空化程度、速度分布及射流空蚀强度进行分析.结果 发现,喷嘴空化初生、生长及溃灭主要发生在流场外围区域,实验样靶空蚀区以圆环形式呈现,在圆环冲蚀区内分布密集的冲蚀凹坑,中心区域有明显的冲蚀斑痕;空...     

固定方式对水流作用下桩柱式围网网片力学特性的影响

采用集中质量点法和网目群化法,结合数值模拟技术探讨了桩柱式围网网片单元在水流作用下的力学特性,着重分析了不同网片宽度和固定方式下网片单元的网线张力分布、节点偏移和网片系缚点受力特性。结果显示,水流作用下,桩柱式围网网片的最大张力主要分布于网片顶部和底部力纲的两侧,最大张力值与网片宽度成正比;网片的最大偏移部位主要分布于网片的上下端,最大偏移量与网片宽度成正比;系缚点最大受力出现在网片的顶端和底部,且其受力在数值上均远远大于中间系缚点;研究发现,随着系缚点数的增加,各系缚点的受力不断下降,网线张力和偏移量也迅速减小;当系缚点超过一定数量时,网线张力和偏移量将不再显著下降,表明存在一个临界系缚点数。本研究可为桩柱式围网工程的设计与安装提供参考。     

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.     

Application of NaLA,a fishing net configuration and loading analysis system,to bottom gill nets

ABSTRACT:   The net-shape and loading analysis system (NaLA) was developed to determine fishing net configuration and load in a previous study. The system has since been applied to general gill nets and aquaculture nets, and its validity has been proven through model experiments in tanks. In this study, the system was applied to estimate the dynamic behavior of a bottom gill net for walleye pollock, to test the system's applicability of the system to gear operations in the field. To obtain in situ data, four bottom gill net operations were performed in February 2004 off the coast of Sawara, Hokkaido, Japan. During operations, vertical displacements of the bottom gill net's float and sinker lines were measured as representative values of gear behavior, and ocean current direction, and speed at the gear position were observed simultaneously. Then, bottom gill net behavior was simulated using NaLA, incorporating observed environmental conditions and gear specifications. The resulting calculated behavior was compared to measured behavior in terms of the relationship between net height and environmental or setting conditions. Agreement between the calculated and measured net behavior was found. Thus, it is believe that our NaLA calculation model has the potential to simulate the dynamic behavior of bottom gill nets in situ .