深海重力式网箱的非线性水弹性响应特性研究

发布时间：2020-08-03 05:38

【摘要】：随着海洋资源的开发,海水网箱养殖已成为我国海洋经济的重要增长点,但由于过度的捕捞以及不合理开发造成了海洋生态环境日趋恶化,我国乃至世界各国都在寻求更好的养殖环境和更高质量的养殖产品,因此深水网箱养殖应运而生。深海网箱往往要受到比近海更为恶劣的海况环境考验。而作为一种高投入、高风险、高产出的养殖设备,网箱的安全性能将关系到整个海洋养殖。目前,我国的深海网箱的装备主要还是依靠引进国外的同类产品,自主的研发工作较少,缺少对网箱设计的理论的支持。另外,虽然网箱整体的结构庞大,但其构成的部件,例如浮圈、网衣等结构长细比较大,属于小尺度漂浮柔性结构物,而这类结构物与波浪和水流的相互作用机理的研究亟待发展。因此,准确预报网箱的水动力响应正逐渐成为养殖工程装备生产和建造领域的关键问题。基于上述问题,本文首先以数值模拟为出发点,定性的研究了实尺度网箱在波流作用下的水动力特性;另一方面,首次尝试网箱结构在实尺度KC/Re波浪下的水动力试验,研究浮圈结构以及网衣的水动力特性。最后,基于有限元方法和本文的试验结果,提出了一种数值-试验的混合的方法用于计算实尺度网箱的水动力响应。本文研究主要涉及的内容有以下几个方面:一、介绍了目前世界上主要使用的深海网箱,并对每一种网箱的优缺点进行了总结,并对目前在深海领域使用最为广泛的一种网箱----重力式网箱的水动力研究进展进行了介绍。二、在本文中,首先基于限元方法对实尺度网箱在不规则波流作用下的网箱的运动响应以及锚链力进行了研究。研究结果表明,当波流同时存在的情况下,流的存在会增大浮圈的水平运动幅值,但对浮圈的变形影响不大。此外,还使用了模态叠加法对在不规则波流作用下的网箱的各阶模态权重进行了分析,分析结果表明,随着波高的增加,水平和垂直两个方向的各阶模态权重均有增加;对于同一波高不同的流速条件下,水平方向上可以明显增加刚体模态权重,而对弹性体模态的权重影响不大;但是流速对于垂直模态权重的大小没有影响。三、考虑到深海养殖常以多网箱的形式存在,本文基于前面的单网箱模型建立起多网箱系统,并对多网箱内各网箱的运动响应以及锚链张力的变化规律。研究结果表明:当锚链的预张力增加时,网箱在沿波浪传播方向运动的平均值将会明显减小,而且减小的幅度比纵荡要大。另一方面,锚链的预张力对于浮圈的垂向运动影响不大,但是通过计算结果也可以发现浮圈的垂向运动幅值要小于波幅,也就是说浮圈结构在漂浮的过程中将会伴有满溢的现象,这一现象在水动力载荷计算的过程中需要注意。四、由于试验条件的限制,目前尚无法进行实尺度网箱在真实海洋环境下的水动力试验。因此,本文基于自主研制的双自由度同时进行振荡的装置,开展了实尺度浮圈的分段模型在大KC/Re数振荡流下的试验,在研究过程中,主要考虑了不同浸没下KC数、Re数和Vr对于其水动力系数的影响。研究结果显示:在没有出现满溢现象时,半浸没圆柱的阻力系数小于全浸没圆柱的一半而附加水质量系数大于全浸没的一半;当满溢现象出现后,半浸没圆柱的附加水质量系数会出现急剧的增加,而且在高Re数区域内,阻力系数也会显著增大。五、本文基于傅里叶级数展开的方法,提取出半浸没圆柱在水平方向上的波浪力的前五阶力的幅值。通过研究发现:在纯振荡流下,随着无因次化频率(~β)和KC数的增大,半浸没圆柱的前五阶水动力系数也是随之增大的。而在振荡流伴随流的情况下,前五阶力的系数随着KC数和Vr的增大而增大的。六、在拖曳水池中,进行了浮筒带网模型在不同流速、振荡幅值以及周期下的强迫振荡试验,并对模型的水动力特性进行了研究。基于此实验结果以及之前浮圈分段模型试验的结果,研究出一种试验-数值的混合算法,用于预报三维实尺度网箱的水动力响应。综上,本文的目的在于认识了解重力式网箱在波流载荷作用下的运动响应特性,通过试验方法研究部分浸没圆柱在实尺度KC/Re数振荡流下的水动力特性,并提出一种更为准确可靠的实尺度网箱的水动力响应预报模型,为网箱的设计提供新的思路。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S967.3
【图文】：

网箱,圆柱体,深水抗风浪网箱,形状分类

在深水抗风浪网箱市场中占有较大份额，目前被很多国家如中国、挪威、日本、美国、澳大利亚等广泛应用。按形状分类，重力式网箱主要有正方体和圆柱体两种，其中以圆柱体形式较为常见，其形式如图1-1所示：

养殖系统,水动力性能,网箱,渔场

图1-2深海网箱养殖系统[1]Fig. 1-2 The fish farming system in deep sea可以看出，未来深海网箱的养殖系统主要包含弹性网箱（Plastic Cage）、刚性网箱（Steel Cages）、补给系统（Feed System）、饲养船（Feed Barges）、工作船（WorkBoats）、摄像系统（Camera Systems）、水下照明装置（Underwater Lights）、环境探测装置（Environmental Sensors）、水下灯源（Underwater Lights）和渔网清洗（Net Cleaning）等部分组成。未来将会实现整个渔场的日常运营由控制台的软件自动进行，只有少数工作人员留在海上。作为整个渔场的主要部分，其在深海海洋环境的水动力性能直接关系到经济收益和养殖物的安全。因此，本文也将对重力式网箱的水动力性能进行重点研究。

网箱,碟形

在网箱内部由一根中空的锌铁合金支柱支撑，周边用十二根锌铁材料的空管组成型圈，其作用类似于自行车的轮毂，如图1-3所示。中央的支撑圆柱可以充气或灌水，用于调节网箱的升降，这种网箱的优势在于可以用在开放型海域进行养殖生产，在有大风或者风暴潮来临时，可以将网箱全浸没到水中，用于规避海面的强风浪，待大风或者紧流过后，网箱还可浮出水面。但是它也存在于以下两个缺点：1.碟形网箱的安装和日常维护例如来投放饲料以及网衣清洁通常需要潜水员潜到水下，使得其设计较浮式网箱更为复杂，同时对于网箱的日常维护则需要更多的附属设备以及管理人员；2.养殖的体积不如重力式网箱大，最大有效养殖体积只为重力式网箱的三分之一，所以产生的经济效

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