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。     

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.     

圆形重力式网箱不同排布方式受力变化的模型试验

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受力变化。结果表明:不论"一字形"还是"田字形"排布,在其它条件相同的情况下,模型网箱阻力随着箱体配重增加而增大,且随着流速的增加而增大。在其它条件相同的情况下,除"一字形"排布的第四只网箱在0%间距排布的模型网箱在高流速下受力大于25%和50%排布间距的受力外,其它排布的模型网箱阻力均随排布间距的增大而增大。在其它条件相同的情况下,随着流速的增加,"田字形"排布第二只网箱受力由小于"一字形"排布逐渐大于"一字形"排布。从模型网箱的受力情况分析,"一字形"排布25%间距的网箱受力最小。     

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.     

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,     

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。     

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。     

波浪作用下箱网式浮鱼礁水动力特性研究

人工鱼礁可分为沉鱼礁和浮鱼礁,人工鱼礁投放是海洋牧场建设的重要工程基础。浮鱼礁主要用于诱集和保护中上层鱼类,投放受底质条件限制较小,尤其在淤泥底质的海域具有良好的适应性。浮鱼礁主体结构处于中上层位置,受波浪等动力环境影响较大,鱼礁的结构安全性和稳定性是设计和投放中需要重点关注的问题。本研究集合鱼礁集鱼、护鱼和养殖的功能,提出了一种多功能箱网式浮鱼礁结构设计,并建立了水动力数值模型,分析探讨了波高和入水深度对两种锚定形式(单锚绳和多锚绳)的浮鱼礁安全性和稳定性的影响。研究结果表明,相同条件下,单根锚绳固定形式下的锚绳受力总体约为四根锚绳固定时的锚绳受力总和,但网衣网线受力较四根锚绳固定时小。波高对单根锚绳固定的浮鱼礁最大偏转角度影响较大,但四根锚绳固定时,可以显著地降低浮鱼礁最大偏转角度,有效地提高浮鱼礁的稳定性,而且波高越大,效果越明显。波高不变的情况下,随着入水深度的增加,浮鱼礁水平最大偏移迅速减小。当浮鱼礁入水深度为波高的2倍以上时,两种固定方式下的浮鱼礁运动差别可以忽略。     

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.     

Optimal dietary protein requirement of grouper Epinephelus coioides juveniles fed isoenergetic diets in floating net cages

An experiment to determine the optimal protein requirement of grouper Epinephelus coioides juveniles was conducted in floating net cages (1.5 m × 1 m × 1.5 m). Six isoenergetic fishmeal–casein‐based experimental diets containing 350–600 g kg^?1 crude protein (CP) were fed to triplicate groups of 20 fish (10.7 ± 0.2 g) for 56 days. Weight gain (WG) and specific growth rate (SGR) increased with increasing dietary protein level from 350 to 450 g kg^?1 and then plateaued above these levels. Feed intake (FI) showed no significant difference among fish fed more than 350 g kg^?1 CP. Lowest feed conversion ratio (FCR) was found for fish fed 500 g kg^?1 CP but this was not significantly different from that of fish fed the 450 and 600 g kg^?1 CP. Lowest protein efficiency ratio (PER) was found for fish fed 550 and 600 g kg^?1 CP. Fish fed the 600 g kg^?1 CP had the highest body protein and moisture contents but the lowest body lipid content. Body ash content was unaffected by protein level for fish fed >400 g kg^?1 CP. Dietary protein level had no significant effect on hepatosomatic index (HSI). Fish fed the 350 g kg^?1 CP had significantly lower condition factor (CF) and viscerosomatic index (VSI). Based on broken‐line regression analysis of SGR the optimal dietary protein requirement for E. coioides juveniles was determined to be close to 480 g kg^?1.     

Evaluation of the structural strength and failure for floating collar of a single-point mooring fish cage based on finite element method

Deep-water fish cage floating collar also referred to as float, bears a load in the form of waves, fishing nets, and moorings, in which the longitudinal wave force is the main type of loading. The long-term continuous effects caused by wave force could cause reduction in strength, or vibration failure in the floating collar. In this study, the peak responses of a single-point mooring (SPM) cage floating collar, due to either static or vibration loadings, were calculated by the finite element method (FEM) based on an elastic model. In this model, the float exhibited macro-plastic deformation when the stress of 26.1 MPa, generated under 100 kN load, was greater than the yield limit (25 MPa). With the increase in order modes from 1 to 18 (1.2–7.9 Hz), the stress increased. Moreover, the harmonic stress corresponding to 8 and 0.1 Hz was clearly higher than that for 0 Hz under 100 kN loads, due to structural resonance. The range of stress values due to the random vibration was 16.0–63.7 MPa, when the angular velocities (k) were in the range of 0.01–16 rad s^―1. Moreover, the transient response (34.4 MPa) was maximum when the angular velocity was 10 rad s^―1 (range 1–100 rad s^―1). The reliability rate of the entire body was 53.1% and 97.0% after 10⁸ loading cycles for 100 kN and 10 kN loads, respectively. Furthermore, the fatigue modes of the key components were determined from the outer triangular tops and inner hexagonal intersections. In short, static analysis, vibration analysis, and fatigue analysis of FEM could be used as reliable ways to evaluate structural strength and failure for floating system. Finally, the floating parts could be strengthened with partially double pipes or optimized by increasing the stiffness, and appropriate damping could be widely used.     

基于PLC的深水网箱自动投饵系统

为提高深水网箱养殖投饵的自动化和工业化水平,设计并开发出适合深水网箱养殖投饵管理的自动投饵系统。该系统采用PLC为控制核心,继电接触器控制各个设备的启停,实现精确投饵。文章介绍了系统的工作原理和设计框架,阐述了系统控制电路、系统工作流程与PLC硬件结构,设计了系统关键设备控制方案并编写了相关控制程序。检测结果表明,在投饵输送距离为300 m时,投饵量为1 200 kg.h-1,系统风量为5.56 m3.m in-1,系统风压为49 kPa;吨料能耗最大为8.4 kW.h.t-1（平均为5.0 kW.h.t-1）,投饵破碎率小于0.7%,喷投距离达11.3 m;系统可实现动态定时、定点和定量投喂饲料,完全满足深水网箱集群养殖的要求。     

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。     

我国深水网箱养殖产业化发展存在的问题与基本对策

深水网箱养殖在我国起步较晚。1998年海南省从国外引进了我国第一套深水网箱并进行了养殖生产,随后,深水网箱以其高效益、高性能在全国沿海省市引发了国产化研制的热潮。2001年,我国成功研制出第一套具有自主知识产权的“HDPE园形双浮升降式深水抗风浪网箱”,单位水体产鱼14kg。此后,据不完全统计,截止2004年底,全国有深水网箱达2300多只,养殖水体达299万m3,理论产量达49140t。随着深水网箱业的快速发展,带来的问题也逐渐显现,养殖系统一次性投资较大,产业配套不完善,包括深水网箱的配套设施、养殖技术与主养品种、养殖布局与养殖容量、饲料与病害防治、产品加工与流通等,直接制约了深水网箱的发展,结果是导致深水网箱养殖设施空置率偏高,达1/3强。解决深水网箱养殖产业化发展存在的问题,首先实施深水网箱高技术集成,完成养殖产业链(群)的连接,建立全新养殖模式,与渔业产业结构性调整的政策性衔接,是深水网箱产业化的重要研究课题。