靜水和純流下可沉浮式網(wǎng)箱升降運(yùn)動(dòng)特性研究

王非，畢春偉，趙云鵬

(大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

近年來，由于過度捕撈及海洋環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，近海水產(chǎn)品日漸枯竭，近海捕撈量逐年下降。中國要發(fā)展高質(zhì)量、高效率的養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)，推廣深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖勢在必行。

目前，世界深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖已經(jīng)經(jīng)歷了40余年的發(fā)展，美國、挪威、日本、瑞典等國家走在了大型深水網(wǎng)箱發(fā)展前列。美國的碟形網(wǎng)箱和錨張式網(wǎng)箱具有較強(qiáng)的抗風(fēng)浪性能，在大風(fēng)浪、強(qiáng)流條件下，網(wǎng)箱容積損失率低，但是造價(jià)高昂，操作不便；挪威的圓形重力式網(wǎng)箱和張力腿網(wǎng)箱，抗風(fēng)浪能力強(qiáng)，在遭遇極端天氣時(shí)，網(wǎng)箱可以自動(dòng)地沉降到水面以下以降低風(fēng)浪對其的破壞，且結(jié)構(gòu)相對簡單，運(yùn)行管理方便，設(shè)備成本低廉；日本的浮繩式網(wǎng)箱是一種全柔性結(jié)構(gòu)，網(wǎng)箱體積大，但抗流性能差；瑞典的強(qiáng)力式網(wǎng)箱，由箱架、網(wǎng)箱和餌料艙3部分組成，養(yǎng)殖體積相對較大，容積損失率較小，養(yǎng)殖自動(dòng)化程度較高[1-4]。中國于1998年從挪威引進(jìn)圓形雙浮管重力式網(wǎng)箱，并開始研究抗風(fēng)浪網(wǎng)箱國產(chǎn)化技術(shù)，研發(fā)出適用于中國的HDPE重力式網(wǎng)箱(浮式和可沉浮式)。由于可沉浮式網(wǎng)箱養(yǎng)殖空間大，空間層次多樣，具有在臺風(fēng)來臨時(shí)沉入海中而當(dāng)臺風(fēng)過后上浮到水面的升降功能，可有效避免風(fēng)浪沖擊而造成的損壞，所以，可沉浮式網(wǎng)箱逐漸成為目前網(wǎng)箱發(fā)展的趨勢[5-7]。

可沉浮式網(wǎng)箱四周布置有浮體，當(dāng)遭遇極端天氣時(shí)，浮體進(jìn)水，使網(wǎng)箱重力大于浮力而下沉。極端天氣過后，若使網(wǎng)箱上浮，就要對網(wǎng)箱的進(jìn)水浮體充入壓縮空氣將浮體內(nèi)的水排出，使網(wǎng)箱受到的浮力大于重力，達(dá)到升降目的[8](圖1)。

網(wǎng)箱升降控制作為可沉浮式網(wǎng)箱升降的關(guān)鍵技術(shù)，其研究尚不成熟，這嚴(yán)重制約了中國可沉浮式網(wǎng)箱的發(fā)展。郭根喜等[9]利用幾何分析法得到網(wǎng)箱半徑、升降幅度、平臺寬度的關(guān)系；黃六一等[10]采用模型試驗(yàn)和幾何分析法對HDPE圓形升降式網(wǎng)箱在靜水中下沉?xí)r最大傾角做了研究，找出了網(wǎng)箱沉降最大傾角與網(wǎng)箱系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系；趙云鵬[11]運(yùn)用數(shù)值模擬研究了純流作用下網(wǎng)箱下潛后的運(yùn)動(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)了網(wǎng)箱變形、浮架傾角和流速的關(guān)系；黃濱等[12]通過大量海上網(wǎng)箱沉浮試驗(yàn)分析，得出影響網(wǎng)箱沉降性能的外在和內(nèi)在因素，并提出解決方案；劉永利等[13]提出一種升降式網(wǎng)箱，并通過海上試驗(yàn)，檢驗(yàn)了其升降穩(wěn)定性；陳昌平等[14]采用物理模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬的方法，對雙體組合式網(wǎng)箱在漂浮狀態(tài)下的浮架傾角和浮架中心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)幅度進(jìn)行了研究，得到了二者與水流流速、波浪高度、波浪周期的關(guān)系。Kim等[15]開發(fā)了一種氣控半剛性網(wǎng)箱自動(dòng)沉浮系統(tǒng)，并通過試驗(yàn)測試了其升降性能與數(shù)值模擬結(jié)果對比；Kitazawa等[16]提出了一種使用柔性軟管的可沉浮式網(wǎng)箱，檢驗(yàn)了其在水流條件下的沉浮穩(wěn)定性。

目前國內(nèi)外關(guān)于可沉浮式網(wǎng)箱升降控制的研究主要集中在雙浮管升降式網(wǎng)箱和剛性沉浮式網(wǎng)箱。前者沉浮性能不佳、操作煩瑣，后者工藝復(fù)雜、造價(jià)高昂。為此，本研究中構(gòu)建了一種帶螺旋浮管結(jié)構(gòu)的浮架，設(shè)計(jì)出一種可沉浮式網(wǎng)箱的升降控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)箱在靜水和純流中穩(wěn)定地沉浮。當(dāng)水體通過注水閥進(jìn)入浮管，網(wǎng)箱重力大于浮力，網(wǎng)箱下沉；當(dāng)壓縮空氣通過充氣閥進(jìn)入浮管，排出管內(nèi)水體，網(wǎng)箱浮力大于重力，網(wǎng)箱上升。該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是，網(wǎng)箱沉浮時(shí)浮架受力均勻，可以有效地抑制網(wǎng)箱的傾斜和變形。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的波流水槽中進(jìn)行，水槽長為69 m，寬為2 m，深為1.8 m，配有吸收式不規(guī)則波造波機(jī)、微機(jī)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及兩臺0.8 m3/s軸流泵的雙向造流系統(tǒng)，其他設(shè)備包括ADV流速儀、流量計(jì)、CCD相機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、空氣壓縮機(jī)、計(jì)算機(jī)等。

1.2 浮架與底圈系統(tǒng)

原型網(wǎng)箱的浮架由兩根高密度聚乙烯浮管、骨架和連接件等組成，兩浮管繞圓周方向螺旋對稱排列(圖2、圖3)，浮架與底圈具體尺寸見表1。

綜合考慮物理模型的幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和重力相似定律[17]，最終確定網(wǎng)箱模型的主比尺為λ=40。

表1 網(wǎng)箱模型參數(shù)

1.3 網(wǎng)衣系統(tǒng)

網(wǎng)衣是一種由網(wǎng)線構(gòu)成的柔性結(jié)構(gòu)物，由于網(wǎng)目尺寸和網(wǎng)線直徑很小，若完全按照主比尺制作網(wǎng)衣模型十分困難，而且會給網(wǎng)衣水動(dòng)力模擬造成較大誤差?？紤]到網(wǎng)衣受力主要為水流阻力，本試驗(yàn)中采用等效網(wǎng)衣的方法[18]進(jìn)行網(wǎng)衣的模擬。原型網(wǎng)衣和模型網(wǎng)衣的幾何參數(shù)如表1所示，網(wǎng)箱模型實(shí)物圖如圖4所示。

1.4 系泊系統(tǒng)

網(wǎng)箱模型系泊型式，采用八點(diǎn)錨碇，錨固錨繩長147 cm,連接錨繩長51 cm,網(wǎng)格錨繩長100 cm，網(wǎng)格錨繩位于水下10 cm處，網(wǎng)箱沉浮深度為20 cm(圖5-A)。由于試驗(yàn)場地限制，模型試驗(yàn)中，系泊系統(tǒng)中錨固錨繩的布置采用截?cái)嘈问?圖5-B、5-C)，截?cái)噱^繩的長度為52 cm。

1.5 試驗(yàn)工況

本試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了5種流速，試驗(yàn)水深為0.5 m，試驗(yàn)工況見表2。為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)箱模型的下沉，需通過注水閥將水體同時(shí)注入浮管1和浮管2，排出兩管中氣體，當(dāng)網(wǎng)箱重力大于浮力，網(wǎng)箱下沉。要使網(wǎng)箱上浮，只需向浮管1和浮管2充氣，排空兩管中液體，當(dāng)網(wǎng)箱浮力大于重力，網(wǎng)箱上浮。兩支浮管注水、充氣閥均通過柔性軟管與流量計(jì)、空氣壓縮機(jī)相連，注水、充氣速率通過流量計(jì)控制，注水流量為0.08 L/min，充氣流量為0.16 L/min。

表2 網(wǎng)箱模型計(jì)算工況表Tab.2 Velocity conditions in calculation

1.6 運(yùn)動(dòng)特性求解方法

試驗(yàn)時(shí)CCD相機(jī)鏡頭與浮繩框處于同一水平面，并保持恒定的距離和視角，通過CCD相機(jī)記錄網(wǎng)箱運(yùn)動(dòng)過程，獲得連續(xù)圖像，利用大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自行研發(fā)的圖像分析程序?qū)D像后處理[19]，得到跟蹤點(diǎn)即網(wǎng)箱浮架的運(yùn)動(dòng)軌跡及浮架中心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的位移、速度、加速度及傾角等。其中傾角為兩跟蹤點(diǎn)所在直線與水面的夾角，取順時(shí)針夾角為正，逆時(shí)針夾角為負(fù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 浮架沉浮時(shí)傾角和速度

本試驗(yàn)中，通過分析網(wǎng)箱浮架在0、4、7、10、13 cm/s 5種流速下，網(wǎng)箱沉浮時(shí)浮架傾角，以及浮架中心運(yùn)動(dòng)的位移，來定量地說明該可沉浮網(wǎng)箱設(shè)計(jì)的合理性。

分析浮架下沉階段傾角(圖6)可知，當(dāng)流速為0 cm/s時(shí)，浮架在靜水中下沉?xí)r的最大傾角為2.38°，當(dāng)流速為4、7、10、13 cm/s時(shí)，網(wǎng)箱下沉階段浮架對應(yīng)的最大傾角分別為-6.41°、-10.04°、-13.84°、-15.68°，這表明，網(wǎng)箱下沉階段浮架最大傾角隨著流速的增大而增大。

分析浮架上浮階段傾角(圖7)可知，當(dāng)流速為0 cm/s時(shí)，浮架在靜水中上浮時(shí)的最大傾角為1.91°，當(dāng)流速為4、7、10、13 cm/s時(shí)，網(wǎng)箱上浮階段浮架對應(yīng)的最大傾角分別為-4.82°、-10.14°、-12.24°、-13.98°，這表明，網(wǎng)箱上浮階段浮架最大傾角隨著流速的增大而增大。

通過分析網(wǎng)箱浮架自開始注水(或充氣)到下沉(或上浮)20 cm的時(shí)間，來表示網(wǎng)箱浮架沉浮速度。由圖8可知，當(dāng)流速為0、4、7、10、13 cm/s時(shí)，網(wǎng)箱下沉所需時(shí)間分別為49、66.5、69、72、76 s，這表明，網(wǎng)箱下沉階段耗費(fèi)時(shí)間隨著流速增大而增加，即網(wǎng)箱浮架下沉速度隨著流速增大而減小。

由圖9可知，當(dāng)流速為0、4、7、10、13 cm/s時(shí)，網(wǎng)箱上浮所需時(shí)間分別為30、32、34、36.5、38 s，這表明，網(wǎng)箱上浮階段耗費(fèi)時(shí)間隨著流速增大而增加，即網(wǎng)箱浮架上浮速度隨著流速增大而減小。

綜上可知，與靜水相比，在水流作用下，網(wǎng)箱模型沉浮時(shí)浮架產(chǎn)生的最大傾角明顯增加，且隨著流速的增大浮架沉浮時(shí)最大傾角增大，此外，網(wǎng)箱下沉和上浮速度隨著流速增大而減小。

2.2 浮架的勻速運(yùn)動(dòng)

網(wǎng)箱下沉和上浮運(yùn)動(dòng)過程中均存在勻速運(yùn)動(dòng)階段。對于網(wǎng)箱下沉階段，取流速為0、4、7 cm/s時(shí)網(wǎng)箱浮架中心點(diǎn)豎直向位移進(jìn)行分析，對浮架的勻速運(yùn)動(dòng)階段各點(diǎn)采用最小二乘法進(jìn)行直線擬合(圖10)，得到下沉勻速運(yùn)動(dòng)階段速度分別為2.34、1.34、0.90 cm/s，對應(yīng)的勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)間分別為7.0、8.5、12.5 s；對于網(wǎng)箱上浮階段，取流速為0、4、7、10、13 cm/s時(shí)網(wǎng)箱浮架中心點(diǎn)豎直向位移進(jìn)行分析，對浮架的勻速運(yùn)動(dòng)階段各點(diǎn)采用最小二乘法進(jìn)行直線擬合(圖11)，得到上浮勻速運(yùn)動(dòng)階段速度分別為3.57、2.97、2.39、1.97、1.45 cm/s，對應(yīng)的勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)間分別為4.5、5.0、5.5、6.5、9.0 s。

綜上可知，在網(wǎng)箱下沉和上浮的勻速運(yùn)動(dòng)階段，其勻速運(yùn)動(dòng)的速度隨流速增大而減小，網(wǎng)箱做勻速運(yùn)動(dòng)的時(shí)間隨著流速增大而增加。

3 討論

本研究中采用物理模型試驗(yàn)方法，研究了可沉浮式網(wǎng)箱在靜水和純流下的升降運(yùn)動(dòng)特性。結(jié)果表明，與靜水相比，在水流作用下，網(wǎng)箱模型沉浮時(shí)浮架產(chǎn)生的最大傾角明顯增加，且浮架沉浮時(shí)最大傾角隨著流速增大而增大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是在水流作用下，網(wǎng)箱受到逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)力矩作用處于傾斜狀態(tài)。當(dāng)網(wǎng)箱開始下沉?xí)r，在轉(zhuǎn)動(dòng)力矩作用下網(wǎng)箱迎流側(cè)先下沉，隨著網(wǎng)箱迎流側(cè)的下沉，網(wǎng)箱背流側(cè)也開始下沉，當(dāng)迎流側(cè)連接錨繩開始張緊時(shí)，網(wǎng)箱迎流側(cè)下沉速度減慢，在網(wǎng)箱兩側(cè)下沉速度一致時(shí)，網(wǎng)箱達(dá)到最大傾角；當(dāng)網(wǎng)箱開始上浮時(shí)，在轉(zhuǎn)動(dòng)力矩作用下網(wǎng)箱背流側(cè)先上浮，隨著網(wǎng)箱背流側(cè)的上浮，網(wǎng)箱迎流側(cè)也開始上浮，當(dāng)背流側(cè)連接錨繩開始張緊時(shí)，網(wǎng)箱背流側(cè)下沉速度減慢，在網(wǎng)箱兩側(cè)下沉速度一致時(shí)，網(wǎng)箱達(dá)到最大傾角。隨著流速的增大，轉(zhuǎn)動(dòng)力矩也增大，故網(wǎng)箱在沉浮過程中產(chǎn)生的最大傾角隨之增大。

在水流作用下，網(wǎng)箱下沉和上浮時(shí)浮架最大傾角出現(xiàn)在網(wǎng)箱勻速運(yùn)動(dòng)階段，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是網(wǎng)箱在加速運(yùn)動(dòng)階段受到了較大的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。建議網(wǎng)箱在純流效應(yīng)下升降時(shí)，適當(dāng)增加網(wǎng)箱下游側(cè)浮架或沉子的配重以抵消轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，從而網(wǎng)箱獲得更穩(wěn)定的升降性能。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)中構(gòu)建了一種可沉浮式網(wǎng)箱模型，其主要特點(diǎn)是網(wǎng)箱浮架具有雙螺旋分艙結(jié)構(gòu)。經(jīng)過對該網(wǎng)箱模型進(jìn)行試驗(yàn)測試，完成了網(wǎng)箱沉浮的升降運(yùn)動(dòng)特性分析，得出如下結(jié)論。

(1) 靜水和純流下，網(wǎng)箱表現(xiàn)出優(yōu)良的沉浮穩(wěn)定性。

(2) 與靜水相比，在水流作用下，網(wǎng)箱沉浮時(shí)浮架產(chǎn)生的最大傾角明顯增加，且隨著流速增大，浮架最大傾角增大。

(3) 網(wǎng)箱下沉和上浮階段耗費(fèi)的時(shí)間隨著流速增大而增加，網(wǎng)箱下沉和上浮速度隨著流速增大而減小。

(4) 在網(wǎng)箱下沉和上浮的勻速運(yùn)動(dòng)階段，其勻速運(yùn)動(dòng)的速度隨流速增大而減小，網(wǎng)箱做勻速運(yùn)動(dòng)的時(shí)間隨著流速增大而增加。