流場中圓形養(yǎng)殖網(wǎng)箱動態(tài)響應(yīng)分析

林為付

（湛江經(jīng)緯實業(yè)有限公司，廣東 湛江 524081）

引言

基于計算機現(xiàn)代化信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速發(fā)展，在流場中圓形養(yǎng)殖網(wǎng)箱動態(tài)響應(yīng)分析過程中，加強對數(shù)值模擬方法的應(yīng)用，依托計算機進(jìn)行模擬分析，通過建立網(wǎng)箱網(wǎng)衣數(shù)值模型，更好掌握養(yǎng)殖場網(wǎng)箱的性能情況。因此，相關(guān)研究人員認(rèn)為，有必要深入研究網(wǎng)箱的動態(tài)響應(yīng)情況，切實提高養(yǎng)殖場網(wǎng)箱使用的安全性，保證水產(chǎn)品養(yǎng)殖品質(zhì)，更好滿足人們的需求。

1.養(yǎng)殖網(wǎng)箱平臺設(shè)計

相關(guān)設(shè)計人員在具體設(shè)計養(yǎng)殖網(wǎng)箱平臺過程中，結(jié)合國內(nèi)外養(yǎng)殖平臺設(shè)計經(jīng)驗優(yōu)化設(shè)計，加強對先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合養(yǎng)殖場實際應(yīng)用需求，加強對平臺直徑、總高度、主結(jié)構(gòu)高度等相關(guān)參數(shù)的設(shè)計，為增強平臺功能作用，在平臺設(shè)計中增設(shè)了漁網(wǎng)清洗系統(tǒng)、活魚捕捉系統(tǒng)、自動化保障系統(tǒng)等，安裝一定數(shù)量的傳感器裝置，增設(shè)了水上監(jiān)控設(shè)備，保證了養(yǎng)殖網(wǎng)箱平臺向智能化、自動化功能使用。同時，對養(yǎng)殖場網(wǎng)箱平臺進(jìn)行試驗，通過模擬試驗證實了養(yǎng)殖場平臺設(shè)計的可行性，在海況中的狀態(tài)較好。與傳統(tǒng)的網(wǎng)箱比較，優(yōu)化設(shè)計后的網(wǎng)箱平臺，能夠有效控制網(wǎng)箱網(wǎng)衣變形情況，降低了水流引發(fā)的損失，對海洋養(yǎng)殖產(chǎn)生了積極的影響，促使魚類健康生長，提高了養(yǎng)殖量，對魚體傷害程度低。

為保證養(yǎng)殖網(wǎng)箱平臺的應(yīng)用效果，設(shè)計人員在實際設(shè)計過程中，加強對平臺使用穩(wěn)定性的考量，加強初穩(wěn)性、靜穩(wěn)性及完整穩(wěn)性試驗，反復(fù)校核養(yǎng)殖網(wǎng)箱平臺穩(wěn)定性；使用數(shù)字模擬法計算平臺程序，使用了相關(guān)的軟件輔助計算，確保養(yǎng)殖網(wǎng)箱平臺符合實際使用標(biāo)準(zhǔn)。分析養(yǎng)殖網(wǎng)箱平臺水動力相應(yīng)情況發(fā)現(xiàn)，能夠在海洋水域環(huán)境中快速響應(yīng)，通過試驗驗證，設(shè)計人員逐步優(yōu)化和完善了平臺程序相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，加強水動力計算，為海洋養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)展夯實了堅實的基礎(chǔ)。

2.分析圓形養(yǎng)殖網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)及流場中網(wǎng)片動態(tài)響應(yīng)模擬實驗

2.1 網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)

流場中圓形網(wǎng)箱主要由框架系統(tǒng)、網(wǎng)衣系統(tǒng)、錨泊系統(tǒng)組建而成。

（1）框架系統(tǒng)：包括浮框、扶手管、支架，各個組件主要使用的是HDPE材料；框架系統(tǒng)中的浮框?qū)W(wǎng)衣起到支撐作用，整個圓形網(wǎng)箱依托浮框浮管的作用力漂浮起來；（2）網(wǎng)衣系統(tǒng)：網(wǎng)衣系統(tǒng)作為網(wǎng)箱重要組成部分，在網(wǎng)衣自身作用力下，能夠展開一定的形狀，進(jìn)而為魚類養(yǎng)殖提供生長空間；基于網(wǎng)衣內(nèi)部容積直接影響魚類健康生長情況，若網(wǎng)衣發(fā)生變形，將會影響魚類正常生產(chǎn)，基于此，為防止網(wǎng)衣變形，在網(wǎng)箱底框材料選擇上，主要使用的鋼質(zhì)材料；盡量減小網(wǎng)衣變形，保證網(wǎng)箱最大的養(yǎng)殖容積。（3）錨泊系統(tǒng)：錨泊系統(tǒng)組成部分較多，其中錨鏈的作用是家燒纜繩與海底之間的摩擦力，減少損失，進(jìn)一步提高錨泊系統(tǒng)的穩(wěn)定性；同時，在錨作用下，有效連接了纜繩和浮框，并將浮框固定在一個位置上，確保網(wǎng)箱在惡劣天氣下，仍可保證自身的穩(wěn)定性，降低損失。

2.2 模擬實驗

2.2.1 平面網(wǎng)片

為充分驗證試驗的可行性，對平面網(wǎng)片進(jìn)行計算，網(wǎng)片上的上綱固定在剛性支撐桿上，并將網(wǎng)片的底固定在水下，保持網(wǎng)片自然下垂的狀態(tài)，與來流方向保持一致?；诖?，研究人員根據(jù)水槽實驗和網(wǎng)片實驗，對預(yù)先選定的網(wǎng)片進(jìn)行計算，進(jìn)而獲取到網(wǎng)片的平衡形狀，得到助力計算結(jié)果。主要使用的是非線性有限元素法，確保把控網(wǎng)片計算結(jié)構(gòu)和水槽實驗誤差；整個模擬實驗過程中，使用了數(shù)碼攝像機設(shè)備記錄網(wǎng)片結(jié)構(gòu)平衡狀態(tài)，保證獲取到的圖像辨識度高，借助相應(yīng)的圖像分析軟件進(jìn)行處理，得到了網(wǎng)片結(jié)點的坐標(biāo)。部分研究人員在網(wǎng)片動態(tài)響應(yīng)模擬分析中，同樣采取上述實驗方法，通過更改網(wǎng)片計算數(shù)量確認(rèn)實驗結(jié)果是否一致。

2.2.2 網(wǎng)箱模型

在水流作用下，會引起網(wǎng)箱網(wǎng)衣變形，同時，加大水流助力，難以穩(wěn)定錨泊系數(shù)，正常情況下，當(dāng)水流速度越大，則網(wǎng)衣變形也就越大，并減少了可養(yǎng)殖容積。由于網(wǎng)箱浮框浮力能夠促使網(wǎng)箱框架漂浮在海面上，并在錨泊系統(tǒng)作用下，將其固定起來。因此，有相關(guān)研究人員提出，在研究流場中網(wǎng)箱力學(xué)性能過程中，可以假定網(wǎng)箱的浮框是固定在一定位置上的，且保持固定不動的狀態(tài)。本文基于此種假設(shè)條件下，組建了網(wǎng)箱計算模型，假設(shè)浮框不動，將網(wǎng)衣固定在浮框上，將底綱固定在底框上，并將重物均勻地掛在底框上，此時網(wǎng)衣是自然下垂的狀態(tài)，在具體計算過程中，將浮框和底框作為處理對象，并根據(jù)假設(shè)，忽略掉網(wǎng)衣形狀的變化。在構(gòu)建網(wǎng)衣數(shù)值模型過程中，假設(shè)來流經(jīng)過物體不受影響，那么針對網(wǎng)箱來說，網(wǎng)衣各個部分所處位置的流速是相同的；研究中發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)箱受迎面水流作用后，水流的面積也發(fā)生著一定的變化，當(dāng)流速越大，則流面面積則越小。

3.流場中網(wǎng)箱動態(tài)響應(yīng)模擬研究

3.1 不同流速對網(wǎng)箱變形的影響

網(wǎng)箱目腳元素多，在具體研究網(wǎng)箱動態(tài)響應(yīng)過程中，采取的是3階段計算方法，基于對網(wǎng)箱網(wǎng)衣的網(wǎng)線直徑考慮，在具體計算分析時，根據(jù)表1阻力系數(shù)進(jìn)行計算。

表 1 不同流速狀態(tài)下的阻力系數(shù)分析

（1）當(dāng)網(wǎng)箱未受到水流作用時，網(wǎng)箱上下浮框的直徑保持一致，網(wǎng)衣上的部件與上下浮框進(jìn)行連接，受重物作用影響，網(wǎng)衣呈現(xiàn)的是旋轉(zhuǎn)的曲面形狀。研究發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)衣縮結(jié)系數(shù)增大的情況下，會促使網(wǎng)衣變形，進(jìn)而在形狀上近似于圓柱形；基于此，在網(wǎng)衣裝配過程中，需要密切關(guān)注網(wǎng)箱上綱與浮框內(nèi)圈的距離，進(jìn)而調(diào)整好網(wǎng)衣的裝配高度。

（2）當(dāng)網(wǎng)箱受到0.3m/s的水流作用時，水流流速較小，觀察發(fā)現(xiàn)此時網(wǎng)箱底框位置未發(fā)生顯著的形態(tài)變化。

（3）當(dāng)網(wǎng)箱受到0.5m/s的水流作用時，受水流作用影響，網(wǎng)箱的底框出現(xiàn)后移的現(xiàn)象，迎流方向上的網(wǎng)衣為拉直狀態(tài)，浮框出現(xiàn)一定的傾斜。研究發(fā)現(xiàn)，上述現(xiàn)象與網(wǎng)箱網(wǎng)衣結(jié)點有一定的關(guān)聯(lián)性，結(jié)點可能對總阻力產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而在阻力作用下，網(wǎng)箱會出現(xiàn)變形現(xiàn)象。

（4）當(dāng)網(wǎng)箱受到0.6m/s的水流作用時，此時的水流速度較快，觀察可見，網(wǎng)箱變形更明顯，底框處于上升狀態(tài)，其傾斜角也發(fā)生了相應(yīng)的變化；進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，迎流方向的網(wǎng)衣與浮框位置的水面基本在同一平面上，在水中垂直部分的網(wǎng)衣減少；在流速較大情況下，網(wǎng)箱網(wǎng)衣阻力出現(xiàn)逆時針方向的力矩，受力矩作用影響，造成浮框傾斜現(xiàn)象?；诖?，當(dāng)水流速度在0.6m/時，水流作用力，對網(wǎng)箱變形影響較大，模擬實驗研究發(fā)下，在水流速度增加情況下，助力也隨之增加，最終導(dǎo)致網(wǎng)箱底框發(fā)生移動等變化，在具體計算過程中，需要重點考慮不同流速差異問題；可使用拉伸將浮框恢復(fù)到垂直狀態(tài)。

（5）當(dāng)網(wǎng)箱受到0.8m/s的水流作用時，網(wǎng)箱形狀發(fā)生了顯著的變化，垂直在水中網(wǎng)衣部分少之又少，基本與浮框平行在水面上；觀察發(fā)現(xiàn)在0.8m/s的水流環(huán)境下，提升了網(wǎng)衣的升力，減少了網(wǎng)衣助力，進(jìn)一步增大了浮框底框的傾斜角度，進(jìn)而造成網(wǎng)箱網(wǎng)衣出現(xiàn)顯著的變形現(xiàn)象，網(wǎng)箱浮框呈現(xiàn)出前低后高的傾斜狀態(tài)。為縮小模擬計算與實驗結(jié)果之間的誤差，相關(guān)人員需要重點考慮，網(wǎng)箱浮框尺寸與網(wǎng)箱變形以及浮框傾斜情況，合理選擇浮框的坐標(biāo)點，進(jìn)而保證坐標(biāo)的測量精度；為控制網(wǎng)箱底框變形程度，需要加強底框剛度，最大程度上規(guī)避影響實驗結(jié)果精確度的相關(guān)因素，控制實驗結(jié)果誤差。

3.2 網(wǎng)箱阻力與流速關(guān)系分析

根據(jù)上述實驗研究可得出，網(wǎng)箱阻力受流速影響較大，流速越大，網(wǎng)箱網(wǎng)衣阻力也會隨之增加，網(wǎng)衣作為網(wǎng)箱重要組成部分，經(jīng)由大量實驗證實，網(wǎng)箱阻力與流速度，呈現(xiàn)的是非平方關(guān)系，根據(jù)網(wǎng)箱動態(tài)響應(yīng)模擬研究情況看，網(wǎng)箱阻力與流速之間呈現(xiàn)的是線性關(guān)系。當(dāng)網(wǎng)箱在0.5m/s以上的流速狀態(tài)下時，網(wǎng)箱阻力與流速近似于線性關(guān)系；當(dāng)網(wǎng)箱在0.5m/s以下的流速狀態(tài)下時，網(wǎng)箱阻力與水流速度則呈現(xiàn)的是近似于平方關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)上述情況的原因可能與網(wǎng)箱變形對流速增加響應(yīng)大小有關(guān)，并在流速越大的情況下，網(wǎng)箱變形也更加明顯。

3.3 配重對網(wǎng)箱阻力的影響

實驗發(fā)現(xiàn)，在同一流速情況下，配重增加，網(wǎng)箱阻力也隨之增加，分析二者關(guān)聯(lián)性發(fā)現(xiàn)，當(dāng)增加配重后，網(wǎng)箱不易變形，此時的網(wǎng)箱受流面積大，進(jìn)而增加了網(wǎng)箱的阻力。

（1）假定網(wǎng)箱A的大小為48×10目，此時的配重方式則表示為8×80g，則A網(wǎng)箱在0.5m/s流速狀態(tài)下發(fā)生變形情況（如圖1-a）所示；A網(wǎng)箱在0.8m/s流速狀態(tài)下發(fā)生變形情況（如圖1-b）所示?；诖耍?dāng)水流速度增加情況下，網(wǎng)箱的變形幅度也較大。

圖1 同一配重網(wǎng)箱在不同流速下的變形狀態(tài)

（2）假定B網(wǎng)箱大小為40×14目，對比網(wǎng)箱在不同流速下的變形情況。此時B網(wǎng)箱在0.5m/s流速下，呈現(xiàn)一定的變形狀態(tài)（如圖2-a）所示；當(dāng)B網(wǎng)箱在0.6m/s流速下，網(wǎng)箱后的網(wǎng)衣變形幅度較大（如圖2-b）所示。與（1）實驗結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，變形情況基本相同。

圖2 同一配重網(wǎng)箱在不同流速下的變形狀態(tài)

3.4 網(wǎng)箱動態(tài)響應(yīng)

研究人員試驗研究得出了網(wǎng)箱在不同流速中的變形情況，以及不同配重在不同流速中的變形情況；進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)較大張力的網(wǎng)線分布在迎流方向的網(wǎng)衣上時，此時的網(wǎng)衣呈現(xiàn)的是對稱分布狀態(tài)，越靠近浮框上部的網(wǎng)線張力越大，靠近浮框底框的網(wǎng)線張力相對較小；并在時間增加的基礎(chǔ)上，較大張力網(wǎng)線的張力值則更大，觀察發(fā)下，網(wǎng)箱在平衡狀態(tài)下的張力值未發(fā)生顯著的變化。當(dāng)流速增加，網(wǎng)線張力值也隨之增加。經(jīng)過計算和實驗證實了水流速度容易引起網(wǎng)箱變形，主要表現(xiàn)為網(wǎng)箱出現(xiàn)漂移現(xiàn)象，且網(wǎng)箱底框沿逆時針旋轉(zhuǎn)了一定的角度，網(wǎng)箱的阻力也隨之增加，尤其在水流速度增加的情況下，網(wǎng)箱網(wǎng)衣的變形幅度更大，浮框傾斜角度增加。不同配重在不同流速下的變形情況基本一致，增加配重的網(wǎng)箱變形幅度相對更小，通過模擬網(wǎng)箱動態(tài)響應(yīng)，迎流方向網(wǎng)衣網(wǎng)線張力增加，較大張力的網(wǎng)線則呈現(xiàn)對稱分布狀態(tài)，通過實驗分析，更好掌握了流場中圓形網(wǎng)箱變形情況和阻力變化情況。

4.結(jié)論

綜上所述，海洋漁業(yè)可帶動海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展，基于世界范圍內(nèi)漁業(yè)資源匱乏，逐漸轉(zhuǎn)變了漁業(yè)產(chǎn)業(yè)模式形態(tài)，驅(qū)動海水養(yǎng)殖業(yè)迅猛發(fā)展，當(dāng)前，海水網(wǎng)箱養(yǎng)殖為海洋產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了全新發(fā)展思路。海水網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)作為現(xiàn)代化的海水養(yǎng)殖方式，展現(xiàn)了產(chǎn)量高、經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)勢，為促進(jìn)海水網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)健康長遠(yuǎn)發(fā)展，加強對流場中圓形養(yǎng)殖網(wǎng)箱動態(tài)響應(yīng)相關(guān)內(nèi)容的分析，進(jìn)一步為網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展夯實了基礎(chǔ)，為海洋產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供助力。