水流作用下自升降式張力腿網(wǎng)箱水動(dòng)力學(xué)特性試驗(yàn)研究

黃六一，楊 正，李玉巖，鄔騫力，王 剛，程 暉

(中國(guó)海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，山東 青島 266003)

隨著近岸養(yǎng)殖空間的壓縮以及養(yǎng)殖環(huán)境的惡化，深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱養(yǎng)殖已經(jīng)成為中國(guó)乃至世界海水魚類養(yǎng)殖的一個(gè)重要的發(fā)展方向[1-5]。深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱大多布設(shè)在開放海域中，對(duì)網(wǎng)箱的抗風(fēng)浪和耐流性能提出了更高的要求。深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱有多種形式，其中自升降式張力腿網(wǎng)箱(Tension Leg Cages，簡(jiǎn)稱TLC型網(wǎng)箱)是挪威近年來(lái)研發(fā)的一種先進(jìn)的深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱。該類型網(wǎng)箱在正常海況條件下，網(wǎng)箱頂部漂浮于海面，方便生產(chǎn)管理，在大風(fēng)浪條件下，海域近海面水層會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的風(fēng)生流，依靠水流作用，網(wǎng)箱順流偏移，頂部自動(dòng)下沉到水面以下，從而減小波浪對(duì)網(wǎng)箱系統(tǒng)的沖擊，確保網(wǎng)箱系統(tǒng)安全[6-7]。另一方面，張力腿網(wǎng)箱占海面積與網(wǎng)箱箱體水平截面面積相當(dāng)，能夠大幅降低網(wǎng)箱系統(tǒng)占海面積，從而提高養(yǎng)殖海域的利用率。因此開展張力腿網(wǎng)箱水動(dòng)力學(xué)特性研究，為開發(fā)適合滿足中國(guó)深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱養(yǎng)殖裝備提供理論和技術(shù)參考，具有重要的意義。網(wǎng)箱的不同部件、錨泊方式、網(wǎng)箱類型等都會(huì)對(duì)網(wǎng)箱性能產(chǎn)生影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算等方法已開展了較多研究[8-21]，這些研究主要集中在重力式類型網(wǎng)箱上，而對(duì)于張力腿網(wǎng)箱的研究還較少。

通過(guò)物理模型試驗(yàn)，研究水流作用下張力腿網(wǎng)箱纜繩張力、網(wǎng)箱下潛深度以及容積損失率與流速的關(guān)系，以期為張力腿網(wǎng)箱的設(shè)計(jì)和變形應(yīng)用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 模型網(wǎng)箱

張力腿網(wǎng)箱系統(tǒng)主要由浮框、壇子型箱體、張力腿和錨碇四部分組成。本試驗(yàn)選取擬投放于海域水深30 m的實(shí)物張力腿網(wǎng)箱為研究對(duì)象。網(wǎng)箱主要參數(shù)為壇子型箱體頂部周長(zhǎng)30 m，肩頸部位網(wǎng)高6 m，主體周長(zhǎng)60 m，網(wǎng)高10 m，網(wǎng)目大小37.5 mm，網(wǎng)線直徑3 mm；頂部浮管直徑200 mm，壁厚11.9 mm。試驗(yàn)采用田內(nèi)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)制作網(wǎng)箱模型，根據(jù)試驗(yàn)水槽的尺寸和實(shí)際材料的規(guī)格，選取大比例尺30∶1，小比例尺3∶1(圖1)。模型網(wǎng)箱參數(shù)見表1。按照試驗(yàn)準(zhǔn)則換算的該尺寸的高密度聚乙烯(HDPE)管難以制作成模型網(wǎng)箱所需規(guī)格浮框，故選用鋁塑管作為模型網(wǎng)箱的浮管材料，浮力不足部分采用泡沫填充于雙浮管之間。錨泊纜繩系統(tǒng)底部通過(guò)配置0.25 m長(zhǎng)度鐵鏈，作為底部配重以及控制纜繩的伸長(zhǎng)。

圖1 模型網(wǎng)箱實(shí)物圖

表1 模型網(wǎng)箱參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在中國(guó)海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院增殖養(yǎng)殖工程水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室循環(huán)水槽中進(jìn)行，循環(huán)水槽的試驗(yàn)段尺寸為4.0 m×1.2 m×1.0 m，穩(wěn)定的流速范圍為0.1～0.8 m/s；試驗(yàn)中使用拉力計(jì)(定制，量程0～10 kg，精度±0.69‰ )測(cè)量纜繩拉力，使用小威龍Vectrino點(diǎn)式流速儀(量程0～2 m/s，精度±0.5%)測(cè)量水流速度。

1.3 試驗(yàn)網(wǎng)箱布設(shè)

試驗(yàn)布設(shè)如圖2所示。網(wǎng)箱主體為壇子形網(wǎng)袋，網(wǎng)箱頂部為圓形雙管浮架，網(wǎng)袋底部形狀為正六邊形，網(wǎng)袋底部設(shè)置一個(gè)加強(qiáng)環(huán)防止網(wǎng)衣變形，通過(guò)6根纜繩連接底部正六邊形錨碇連接固定，纜繩與錨錠之間連接一段鐵鏈，用于控制網(wǎng)箱的上浮和下潛。

網(wǎng)箱錨泊系統(tǒng)與來(lái)流方向采用左右對(duì)稱布設(shè)，拉力計(jì)采用單側(cè)布設(shè)。如圖2所示，在一側(cè)的3根纜繩上放置1#、2#、3#共3個(gè)拉力計(jì)，另外3根纜繩受力與之對(duì)應(yīng)相等。在網(wǎng)箱前端設(shè)置一個(gè)流速儀，用以測(cè)量實(shí)際試驗(yàn)流速。并在網(wǎng)箱上選取了9個(gè)特征點(diǎn)，記錄特征點(diǎn)在水平方向(X軸)與豎直方向(Z軸)的位移量。

圖2 試驗(yàn)布設(shè)圖

1.4 數(shù)據(jù)測(cè)量與處理方法

1.4.1數(shù)據(jù)換算

本試驗(yàn)采用田內(nèi)準(zhǔn)則計(jì)算水流作用下網(wǎng)箱阻力與變形，田內(nèi)準(zhǔn)則的比例關(guān)系如下[22-23]：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：下標(biāo)p代表原型，下標(biāo)m代表模型；λ—大尺度比；λ'—小尺度比；l—主尺度，m；a—網(wǎng)目目腳長(zhǎng)度，m；d—網(wǎng)線直徑，m；v—水流速度，m/s；φ—浮管直徑，m。

根據(jù)田內(nèi)準(zhǔn)則對(duì)進(jìn)行換算，獲得出實(shí)際網(wǎng)箱的阻力和位移。

Fp=Fm×λ2×λ'

(5)

Xp=Xm×λ

(6)

式中：F—纜繩張力，N；X—網(wǎng)箱位移，m。

1.4.2 位移測(cè)量

純流作用下的張力腿網(wǎng)箱運(yùn)動(dòng)特性主要體現(xiàn)在網(wǎng)衣的變形、網(wǎng)箱的漂移和沉降等。試驗(yàn)主要通過(guò)自主設(shè)計(jì)的激光測(cè)距儀來(lái)測(cè)量網(wǎng)箱特征點(diǎn)位的水平和垂直位移，用于測(cè)算網(wǎng)箱的容積損失和網(wǎng)箱的下潛深度。其中網(wǎng)箱的下潛深度以浮框上側(cè)面2號(hào)特征點(diǎn)的垂直位移測(cè)算。選取2號(hào)特征點(diǎn)的依據(jù)為考慮框架在水流作用時(shí)傾斜不大，且與來(lái)流方向左右對(duì)稱。

1.4.3 容積損失計(jì)算

網(wǎng)箱的容積損失是評(píng)估網(wǎng)箱養(yǎng)殖空間的重要方法，而網(wǎng)衣作為一種柔性的材料，在水流作用下形變十分復(fù)雜，增加了網(wǎng)箱的容積損失的計(jì)算難度。唐宏結(jié)[24]曾在模型試驗(yàn)中采用投影面積的方法估算網(wǎng)衣的容積損失，毛雨嬋[25]通過(guò)比較投影面積法和數(shù)值計(jì)算網(wǎng)衣的空間坐標(biāo)來(lái)計(jì)算容積損失，發(fā)現(xiàn)兩者差異不超過(guò)8%。本試驗(yàn)采用投影面積法進(jìn)行估算網(wǎng)箱容積損失，將網(wǎng)箱側(cè)面投影簡(jiǎn)化為8個(gè)三角形，通過(guò)將三角形的面積累加計(jì)算投影面積變化，從而得出網(wǎng)箱容積損失率。

1.5 試驗(yàn)網(wǎng)箱配置

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)的參考文獻(xiàn)，網(wǎng)箱的受力、容積損失和升降性能與網(wǎng)箱的配重大小、浮沉比例、網(wǎng)袋形狀、錨泊形式等有關(guān)系[26-31]。本試驗(yàn)通過(guò)改變鐵鏈規(guī)格、浮架浮力，研究浮沉比對(duì)網(wǎng)箱纜繩張力、網(wǎng)箱下潛深度、容積損失的影響，不同網(wǎng)箱的配置方案如下：

cage 1，配重2 mm鐵鏈(約43 g×6，對(duì)應(yīng)原型配重116.1 kg×6)；cage 2，配重3mm鐵鏈(約83 g×6，對(duì)應(yīng)原型配重224.1 kg×6)；cage 3，配重4mm鐵鏈(約148 g×6，對(duì)應(yīng)原型配重339.6 kg×6)；cage 4，配重2 mm鐵鏈，浮架增加12個(gè)浮球(對(duì)應(yīng)增加原型浮力486.0 kg)；cage 5，配重3 mm鐵鏈，浮架增加12個(gè)浮球；cage 6，配重4 mm鐵鏈，浮架增加12個(gè)浮球。

1.6 試驗(yàn)工況

根據(jù)網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)流速以及循環(huán)水槽的試驗(yàn)流速范圍，選取原型流速分別為：0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 m/s根據(jù)田內(nèi)準(zhǔn)則換算的試驗(yàn)流速對(duì)應(yīng)為：0.231、0.289、0.346、0.404、0.462 m/s。

2 結(jié)果

2.1 纜繩張力

圖3、圖4、圖5和圖6為cage1、cage3、cage4和cage6各纜繩張力與流速關(guān)系曲線。4種網(wǎng)箱配置均為迎流面的1號(hào)纜繩受力最大，但各纜繩的受力分布會(huì)受到配重和浮力的影響。由圖3(cage1)和圖4(cage3)可知，低配重條件下，主要由1號(hào)纜繩受力(最大張力與流速呈線性關(guān)系)，側(cè)面纜繩受力較??；高配重條件下，2號(hào)纜繩受力明顯增加，但隨著流速的增加變化不大，從而降低了1號(hào)纜繩的受力，這樣使得網(wǎng)箱的各纜繩受力相對(duì)均衡；由圖3(cage1)和圖5(cage4)可知，增加浮架浮力，對(duì)纜繩的張力分布影響不大，而1號(hào)纜繩的最大張力有明顯增加；由圖4(cage3)和圖6(cage6)可知，增加浮架浮力，側(cè)面纜繩張力會(huì)隨著流速增加而增加，導(dǎo)致cage6的1號(hào)纜繩的最大張力小于cage3，說(shuō)明網(wǎng)箱的纜繩受力更加均衡。

圖3 cage1纜繩張力與流速關(guān)系

圖4 cage3纜繩張力與流速關(guān)系

圖5 cage4纜繩張力與流速關(guān)系

圖6 cage6纜繩張力與流速關(guān)系

圖7、圖8是流速為0.4 m/s和0.8 m/s時(shí)纜繩張力與網(wǎng)箱配置的關(guān)系。可以發(fā)現(xiàn)，增加浮架的浮力和配重改變各纜繩的張力分布，配重增加到一定程度時(shí)，能夠使網(wǎng)箱各纜繩受力更為均衡。在實(shí)際流速0.8 m/s時(shí)增加浮架浮力的cage 4、5、6的最大纜繩張力比cage1、2、3分別增加了34.4%、34.2%、-0.2%。纜繩張力最大的網(wǎng)箱是纜繩配重224 kg的cage5，最大纜繩張力可達(dá)30 kN。

圖7 流速為0.4 m/s時(shí)纜繩張力與網(wǎng)箱配置的關(guān)系

圖8 流速0.8 m/s時(shí)纜繩張力與網(wǎng)箱配置的關(guān)系

2.2 網(wǎng)箱下潛深度

網(wǎng)箱下潛深度是決定網(wǎng)箱抗風(fēng)浪能力的重要因素之一，各網(wǎng)箱垂直位移與流速關(guān)系如圖9所示。由圖9可知，各配置網(wǎng)箱的下潛深度與流速基本呈線性關(guān)系，流速小于0.4 m/s時(shí)均未下潛，流速0.5 m/s時(shí)，各網(wǎng)箱下潛深度差異并不明顯，均值在2.5 m左右。整體上cage1下潛深度最大，其次為cage2，cage6下潛最淺。流速0.8 m/s時(shí)，cage6下潛深度最小達(dá)11.91 m，cage1下潛深度最高達(dá)17.79 m；未增加浮架浮力的cage1、2、3分別比增加浮球的cage4、5、6下潛深度分別增加16.8%、30.6%、20.4%。

圖9 各網(wǎng)箱垂直位移與流速關(guān)系

2.3 網(wǎng)箱容積損失

本研究的網(wǎng)箱容積損失率采用網(wǎng)箱側(cè)向投影面積的損失率得出。圖10為各網(wǎng)箱容積損失率與流速的關(guān)系。各網(wǎng)箱的容積損失率隨著流速的增加逐漸增大。各網(wǎng)箱在低流速下差異并不明顯，而在高流速下差異較大，當(dāng)流速為0.8 m/s時(shí)，cage1容積損失率為32.5%， cage6容積損失率最小為9.8%。由圖10可知，在高流速下網(wǎng)箱容積損失率由于浮架浮力增加和配重的增加均會(huì)產(chǎn)生影響。在0.8 m/s的流速下，浮架增加浮力的cage4、5、6的容積損失率比沒有增加浮力的cage1、2、3容積分別減小9.3%、11.1%、10.0%，增加配重的cage3、cage6的容積損失率比未增加配重的cage1、cage4分別減小12.7%、13.3%。

圖10 不同網(wǎng)箱容積損失率與流速關(guān)系

3 討論

3.1 張力腿網(wǎng)箱纜繩張力

纜繩張力是設(shè)計(jì)網(wǎng)箱系泊的重要參數(shù)，纜繩的最大張力決定了網(wǎng)箱所用纜繩的尺寸、強(qiáng)度[27]。通過(guò)模型試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，各纜繩受力不均衡，最大纜繩受力出現(xiàn)在迎流面上，纜繩最大張力隨著流速的增加而增加，當(dāng)配重增加到一定程度時(shí)，纜繩張力相對(duì)均衡。從試驗(yàn)時(shí)網(wǎng)箱形態(tài)分析，各配置網(wǎng)箱在低配重條件時(shí)迎流面纜繩處于拉緊狀態(tài)，其他纜繩相對(duì)松弛，當(dāng)配重增加到一定程度時(shí)，側(cè)面纜繩由相對(duì)松弛變?yōu)槔o狀態(tài)，從而導(dǎo)致纜繩張力更加均衡。在純流條件下，網(wǎng)箱阻力主要取決于網(wǎng)衣在水流方向投影，在張力腿網(wǎng)箱中，因不同流速下網(wǎng)箱位移和網(wǎng)衣形變?cè)斐傻木W(wǎng)片沖角變化是影響網(wǎng)箱阻力的主要因素。增加浮架的浮力，可以使網(wǎng)箱在高流速下潛入水中后能更好地保持箱體形狀，增加了網(wǎng)衣在水流方向投影，導(dǎo)致網(wǎng)箱阻力增大，從而增加了整體纜繩的張力，這與重力式網(wǎng)箱增加沉力的研究結(jié)果基本一致[9]。在高流速下(0.8 m/s)，處于迎流側(cè)的纜繩張力最高可達(dá)30 kN，對(duì)系泊纜繩安全性提出了較高要求，因此可以適當(dāng)增加纜繩配重，使纜繩受力更加均衡。根據(jù)風(fēng)生流理論，水流速度隨深度增加減少，張力腿網(wǎng)箱下潛后受到的來(lái)流速度應(yīng)小于表層流速，因此實(shí)際受下沉深度、流速共同作用，纜繩張力應(yīng)小于實(shí)驗(yàn)值，但流速變化隨水深等具體變化數(shù)值較為復(fù)雜，有待進(jìn)一步研究。

3.2 網(wǎng)箱的下潛深度

張力腿網(wǎng)箱與常規(guī)的浮式網(wǎng)箱比較是可以在惡劣海況條件下，依靠水流作用，網(wǎng)箱沉入水中，根據(jù)波浪與風(fēng)生流理論可知，波浪能量與風(fēng)生流的水流速度隨水深增加逐漸減小，可以使張力腿網(wǎng)箱避免風(fēng)浪的沖擊，降低網(wǎng)箱系統(tǒng)被破壞的概率以及提高箱體在水中的穩(wěn)定性。因此，下潛深度是影響張力腿網(wǎng)箱抗風(fēng)浪性能的重要因素。根據(jù)鄭琦[10]的研究，網(wǎng)箱浮架下潛至水深的1/3處，錨繩受力和網(wǎng)箱浮架運(yùn)動(dòng)衰減較快，可有效避開海面風(fēng)浪的沖擊。在流速0.8 m/s時(shí)，本試驗(yàn)中網(wǎng)箱在30 m水深條件下，可以下潛11.91～17.79 m，能夠滿足上述要求，達(dá)到抗風(fēng)浪目的。另外浮架的浮力對(duì)下潛深度有明顯控制作用，浮力的增加可使網(wǎng)箱下潛深度變小。因此可根據(jù)海區(qū)浪流特點(diǎn)、作業(yè)需要調(diào)整浮力，使網(wǎng)箱頂部沉降深度達(dá)到一個(gè)合理的風(fēng)浪作用較小的水層。

3.3 容積損失率

試驗(yàn)結(jié)果表明，各網(wǎng)箱隨著流速的增加投影面積逐漸減小，在低流速條件下各網(wǎng)箱投影面積沒有減少反而增大，這是由于在網(wǎng)衣制作過(guò)程中網(wǎng)片縫合工藝以及網(wǎng)箱肩頸部網(wǎng)衣在漂浮時(shí)被擠壓，導(dǎo)致網(wǎng)箱在低流速下拉伸肩頸部網(wǎng)衣導(dǎo)致網(wǎng)箱投影面積出現(xiàn)增大，這與桂福坤等[9]研究結(jié)果一致。低流速下容積損失差異較小，在高流速下增加浮架浮力和配重對(duì)容積損失率均可產(chǎn)生明顯的影響。由此可知，網(wǎng)箱的容積損失由網(wǎng)箱配重和浮架浮力共同作用。根據(jù)黃小華等[26]的研究，圓形網(wǎng)衣在配重400 kg、流速0.75 m/s時(shí)，網(wǎng)衣容積損失率達(dá)到50%以上。而本試驗(yàn)中各類網(wǎng)箱在流速0.8 m/s時(shí)容積損失率，最大為32.5%，可以發(fā)現(xiàn)在較高流速時(shí)張力腿網(wǎng)箱的容積損失率小于其他重力式網(wǎng)箱。

4 結(jié)論

通過(guò)水槽模型試驗(yàn)從纜繩張力、下潛深度和容積損失率3個(gè)角度分析了張力腿網(wǎng)箱在純流作用的水動(dòng)力特性。張力腿網(wǎng)箱纜繩最大張力出現(xiàn)在迎流面纜繩上，且隨流速增加而增大。在低配重條件下，纜繩最大張力與流速呈線性關(guān)系，在高配重條件下側(cè)面纜繩張力明顯增加，使網(wǎng)箱纜繩受力更加均衡。浮架浮力和配重的增加，使得網(wǎng)箱最大纜繩張力有所增加。張力腿網(wǎng)箱可以在水流作用下下潛至適宜的深度，從而達(dá)到抗風(fēng)浪的目的。在低流速下張力腿網(wǎng)箱容積損失率較小，在高流速下增加浮架浮力和配重會(huì)使容積損失率有一定的增加。

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