深水抗风浪网箱水动力学特性研究

深水网箱养殖对海域水质及底质环境的影响研究进展葛伟宏1，王兴强1*，苏家齐21.江苏海洋大学海洋科学与水产学院，江苏连云港 222005；2.中国水产科学研究院南海水产研究所，广州 510300摘要近年来，中国对深水网箱养殖技术的研发和实践呈逐年上升趋势，各种类型的深水网箱为水产养殖产业注入了新的活力。

本文通过深水网箱养殖与近岸网箱养殖相比较，阐明了深水网箱养殖对水环境及表层沉积环境的影响远小于近岸网箱养殖，深水网箱养殖利用远海强大的水动力，以及更强的自净化能力，降低养殖活动对环境的污染。

深水网箱不但养殖效率更高，成鱼质量更好，是国内外未来海水养殖的发展方向。

关键词深水网箱养殖；水环境；表层沉积环境；成鱼质量中国的水产养殖产量约占全球70%，而在新冠疫情、蝗灾等严峻形势下，水产养殖更是发挥了重要作用，尤其是在提供优质蛋白质这一方面，起到了至关重要的作用[1]。

网箱养殖是目前应用最为广泛的海洋养殖方式之一，通过输入外源物质和能量而获得高效率的产出。

网箱可以分为近岸浅海区域的传统小型木质网箱和深水抗风浪网箱2种。

传统小型木质网箱受材质、结构的限制，抗风浪性能差，只能在风浪较小的近岸浅水区域或内湾养殖，这些区域水体浅，水动力弱，水体自身净化能力低，养殖所产生的自身污染容易导致环境恶化，不仅导致病害频发，养殖经济效益低，而且引起近岸养殖海域环境质量下降[2]。

目前浅海开发基本饱和，尤其是在国家生态环保政策要求逐年提高的大背景之下，近岸海域已经没有开发的潜力，必须向外海深海寻求新的发展空间，于是深水网箱养殖应运而生。

深水网箱是指在海水深度大于20 m的开阔性海域使用的养殖网箱，相较传统近海网箱具有环保、耐用、抗风浪等显著优势。

深水网箱主要用于在水动力和自净化能力更强的深水区域养殖，养殖所产生的残饵和粪便等污染物可以更快地被稀释和扩散，对养殖区水环境及底质环境的影响较小，因此具有更广阔的发展空间。

近年，国家相关部门制定了限制近海网箱养殖、扶持深海网箱养殖的政策，鼓励拓展养殖海域、减轻环境压力、调节海洋养殖品种结构。

2023年 第10期海洋开发与管理12917级台风工况下玄武岩纤维大型海洋网箱的水动力特性研究郑思宇1,张宇萱1,魏名山1,杨中甲2(1.北京理工大学机械与车辆学院 北京 100081;2.北京航空航天大学材料科学与工程学院 北京 100191)收稿日期:2023-02-18;修订日期:2023-10-05基金项目:北京理工大学教育基金会项目 玄武岩纤维海洋网箱水动力学特性研究 .作者简介:郑思宇,讲师,博士研究生,研究方向为流体机械摘要:网箱浮架是我国深水养殖的重要设施装备,其水动力特性直接关系其工作稳定性㊂文章针对3层桁架式海洋网箱浮架建立有限元模型,采用流固耦合方法对17级台风正面来流条件下的网箱浮架水动力特性展开模拟计算,并对比分析有无网衣时网箱浮架水动力特性的变化规律㊂结果表明:在台风正面来流的情况下,网箱浮架的饵料舱侧向支撑点㊁上层步道板连接管迎浪侧和中层承力结构交叉点是应力集中的主要区域;当浮架悬挂网衣结构时,其垂荡距离减小,但纵摇程度加剧,即网衣结构有利于浮架结构在垂直方向上的稳定,但增加其纵摇运动强度;当悬挂网衣结构时,由于浮架在垂直方向上更为稳定,其饵料舱侧向支撑点㊁上层步道板连接管迎浪侧的最大应力分别降低5.1%和3.2%,中层承力结构交叉点的最大应力变化不明显,而迎浪侧中下层连接管的最大应力降低8.7%㊂关键词:玄武岩纤维;海洋网箱;水动力特性;流固耦合;数值模拟中图分类号:S 967.1;P 75 文献标志码:A 文章编号:1005-9857(2023)10-0129-08H y d r o d y n a m i cC h a r a c t e r i s t i c s o f aB a s a l t F i b e rL a r ge -s c a l e M a r i n eN e t C a g eU n d e rT y ph o o nC o n d i t i o n s o fL e v e l 17Z H E N GS i y u 1,Z H A N G Y u x u a n 1,W E IM i n g s h a n 1,Y A N GZ h o n g ji a 2(1.S c h o o l o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,B e i j i n g I n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y ,B e i j i n g 100081,C h i n a ;2.S c h o o l o fM a t e r i a l sS c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g ,B e i h a n g U n i v e r s i t y ,B e i j i n g 100191,C h i n a )A b s t r a c t :T h em a r i n e n e t c a g e i s a n e s s e n t i a l f a c i l i t y a n d e q u i p m e n t f o r d e e p -w a t e r a qu a c u l t u r e i nC h i -n a ,a n d i t s h y d r o d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s a r e d i r e c t l y r e l a t e d t o i t s o p e r a t i o n a l s t a b i l i t y .T h i s p a pe r e s -t a b l i s h e d af i n i t e e l e m e n tm o d e l f o r am a r i n en e t c ag ew i th t h r e e -l a y e r a n d e m p l o y e d a f l ui d -s t r u c t u r e i n t e r a c t i o nm e t h o d t o s i m u l a t e t h e h y d r o d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e n e t c a geu n d e r t h e f r o n t a l f l o w c o n d i t i o n s o f a l e v e l 17t y p h o o n .F u r t h e r m o r e ,a c o m p a r a t i v e a n a l y s i s o f t h e v a r i a t i o n p a t t e r n s i n t h e h y d r o d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e n e t c a g ew i t ha n dw i t h o u t an e t t i n g s t r u c t u r ew a s c o n d u c t e d .T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t u n d e r t h e f r o n t a l f l o wo f t h e t y p h o o n ,t h em a i n a r e a s o f s t r e s s c o n c e n t r a t i o n i n t h e n e t c a g ew e r e t h e l a t e r a l s u p p o r t p o i n t so f t h eb a i t c h a m b e r ,t h eu p m o s tw a l k w a y b o a r dc o n n e c t i n gp i p e s o n t h ew i n d w a r d s i d e ,a n d t h e c r o s s -p o i n t s o f t h em i d -l e v e l l o a d -b e a r i n g st r u c t u r e .W h e n t h e n e t c a g ew a s e q u i p p e dw i t h a n e t t i n g s t r u c t u r e ,t h e p e n d u l u md i s t a n c e d e c r e a s e d ,b u t t h e y a w i n g mo t i o n130海洋开发与管理2023年i n t e n s i f i e d.I n o t h e rw o r d s,t h e n e t t i n g s t r u c t u r e c o n t r i b u t e d t o t h e v e r t i c a l s t a b i l i t y o f t h e n e t c a g e b u t i n c r e a s e d i t s y a w i n g m o t i o n i n t e n s i t y.W i t h t h e i n c l u s i o n o f t h e n e t t i n g s t r u c t u r e,d u e t o t h e i m p r o v e d v e r t i c a l s t a b i l i t y o f t h e f r a m e,t h em a x i m u ms t r e s s a t t h e l a t e r a l s u p p o r t p o i n t s o f t h eb a i t c h a m b e r, t h e u p m o s tw a l k w a y b o a r d c o n n e c t i n gp i p e s o n t h ew i n d w a r d s i d e,d e c r e a s e db y5.1%a n d3.2%r e-s p e c t i v e l y,w h i l e t h em a x i m u ms t r e s s a t t h e c r o s s-p o i n t s o f t h em i d-l e v e l l o a d-b e a r i n g s t r u c t u r e e x h i b i-t e dl i t t l ec h a n g e.H o w e v e r,t h e m a x i m u m s t r e s so nt h e w i n d w a r ds i d eo ft h e m i d-l o w e rl e v e l c o n n e c t i n g p i p e s d e c r e a s e db y8.7%.K e y w o r d s:B a s a l t f i b e r s,M a r i n e n e t c a g e,H y d r o d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s,F l u i d-s t r u c t u r e c o u p l i n g,N u m e r i c a l s i m u l a t i o n1研究背景及意义当前我国临海重工业㊁滨海旅游业发展迅速,部分近岸海域污染严重,近海养殖业的发展空间被进一步压缩,海水养殖向离岸深水发展已成为业界共识㊂深水网箱通常设置于较深海域,具有养殖水产品品质好㊁产量高㊁效益大等优势,已成为我国拓展深水养殖空间的重要设施装备[1]㊂玄武岩纤维是新型无机环保绿色高性能纤维材料,由二氧化硅㊁氧化铝㊁氧化钙㊁氧化镁㊁氧化铁和二氧化钛等氧化物组成㊂玄武岩纤维不仅强度高,而且具有电绝缘㊁耐腐蚀㊁耐高温㊁可降解等多种优异性能[2-3],已在造船材料㊁隔热材料㊁汽车工业以及防护设备等领域得到广泛的应用㊂玄武岩纤维及其树脂基复合材料具有抗海水腐蚀㊁绿色环保的特性,可解决海洋牧场采用金属网箱的诸多弊病,因此成为目前海洋网箱结构材料的热门选择[4]㊂近年来,随着海洋网箱大型化的发展,浮架形变问题不容忽视,过大的形变甚至会导致浮架失效或破坏,从而造成重大经济损失㊂因此,学者们针对不同环境下各种形式的大型海洋网箱水动力特性开展大量的实验及仿真研究㊂物理等效模型试验是常见的研究手段[5-6],但小比例网箱模型在满足几何相似的条件下无法满足刚度相似的条件,等效试验难以准确观测浮架的形变特征,因此数值模拟成为当前研究大型深海网箱水动力特性的主要方式㊂H u a n g等[7]基于有限元法模拟研究高密度聚乙烯材料网箱浮架的水动力特性,提出浮架在波浪流的冲击下具有明显的形变,且越大的深水网箱的形变越大;崔勇等[8]研究2.4~12.0m波高的海浪作用下半潜式养殖网箱的水动力特性,结论表明当波高一定时,网箱锚绳受力与波浪周期改变无明显关联,而网箱的垂荡㊁纵荡及纵摇均与波高呈正相关;崔勇等[9]针对双层网底鲆鲽网箱的水动力特性开展数值模拟研究,结论表明双层网底网箱下层网底的最大位移小于单层网底网箱,而最大倾角大于单层网底网箱;黄小华等[10]针对高密度聚乙烯深水网箱浮架的形变特性展开对比分析,在不同波流组合工况下发现,浮架形变随波高或流速的增加而增大,但受波浪周期的影响很小;曹宇等[11]采用应用质量集中法及M o r i s o n方程,研究重力式海洋网箱系统的受力分布及形变,结果表明工作海况下网衣受力最大的区域出现在靠近系泊缆部位,且迎浪流方向的网绳受力较大㊂从上述文献中可以看出,在恶劣海洋环境载荷作用下,深海网箱产生的摇荡和漂移运动直接影响网箱浮架的受力特征,也直接关系到深海网箱的工作稳定性,因此对深海网箱开展水动力特性分析具有重要意义㊂本研究以3层桁架式海洋网箱为研究对象,网箱主体结构以玄武岩纤维制作,采用多物理场流固耦合分析方法,模拟分析恶劣海洋环境工况即大波浪㊁强风速㊁强流速下海洋网箱浮架结构的受力情况,获得该网箱浮架随波浪传播的运动规律,明确网箱所受风浪的载荷压力以及网箱主体结构的应力分布特征,对玄武岩纤维海洋网箱的应用具有一定的理论与工程指导意义㊂2研究方法2.1海洋网箱浮架模型及计算模型3层桁架式海洋网箱采用玄武岩纤维复合材料,第10期郑思宇,等:17级台风工况下玄武岩纤维大型海洋网箱的水动力特性研究131网箱整体最大质量可达85t ,其中包括网箱主体结构质量54t ㊁最大网衣质量16t ㊁最大饵料装载量5t ㊁饵料舱质量10t ㊂网箱主体结构尺寸为36mˑ36m ,分为上㊁中㊁下3层,每层间距约为1.45m ,其中上层为步道板连接管㊁中层为主承力结构浮管㊁下层为增稳浮管㊂桁架上设置饵料舱㊁投饵设备和步道板㊂考虑硬件资源和计算效率,对网箱几何模型进行简化处理㊂将中㊁下层连接件厚度与主浮管厚度一致设为10mm ,将上层管件及连接杆件厚度设为5mm ㊂由于外部风浪直接作用于饵料舱外部壳体,饵料舱内部设备等不受外部风浪载荷影响,可简化舱内结构,只保留饵料舱外部壳体,并对外部壳体封底㊂此外,在模型简化中去掉螺栓法兰,将上㊁中㊁下层的浮管㊁支撑杆㊁连接头㊁步道板和饵料舱等部件组合成整体㊂网箱的原始和简化结构如图1所示㊂图1 3层桁架式海洋网箱结构F i g .1G e o m e t r i c s t r u c t u r e o f t h em a r i n en e t c a ge 整体计算流体域总长为280m ,水域及空气域总高度为65m ,Y 方向宽度为120m ㊂波浪和浮架的流固耦合分析分为2个部分:①外部波浪场建模,忽略浮架固体域,用外壁面等效为浮架整体,作为六自由度刚体在波浪中运动,同时监测浮架所受流体载荷力;②对固体域进行流固耦合分析,得到浮架所受应力情况㊂同时,为降低计算成本,将计算模型进行对称处理,在Y 方向上取网箱几何模型的50%,在仿真计算时将中间平面设为对称面,计算流体域如图2所示㊂图2 对称处理的计算流体域F i g .2 C o m pu t a t i o n a l f l u i dd o m a i n 2.2 网格划分及边界条件在商业软件S t a r -C C M+中进行网格划分,对浮架固体域和流体域分别使用四面体网格和切割体网格㊂为兼顾流体域网格质量和计算成本,流体域四周远场的网格尺寸设置较大,并在水面波浪处和浮架附近设置网格加密;网格尺寸最大为10m ㊁最小为0.06m ,网格总数约1200万个;使用重叠网格,避免浮架随波浪传播运动造成的网格重构,节省计算时间㊂固体域整体为非结构网格,网箱管壁结构保证至少3层网格,网格尺寸最大为0.1m ㊁最小为0.015m ,网格总数约625万个㊂计算域网格如图3所示㊂图3 计算域网格F i g .3 C o m p u t a t i o n a l gr i do f t h e f l u i dd o m a i n132 海洋开发与管理2023年网箱外部流体域的流动方向为-X 方向到+X 方向,在远场设置速度入口和压力出口的边界条件,将四周设为壁面条件㊂波浪参数参考‘热带气旋等级“(G B /T19201-2006),选择17级台风对应的海洋环境工况参数为本模型计算海况,其中流速为1.5m /s ㊁风速为60m /s ㊁波高为8.5m ㊁周期为8s ㊂计算域入口设置为速度入口,风速为60m /s ㊁流速为1.5m /s ;计算域出口设置为压力出口,相对压力为0P a㊂2.3 数值计算方法对瞬态海洋波浪以及空气运动的模拟采用雷诺平均方法(R A N S ),以标准k -e 方程作为湍流模型,并采用隐式非稳态方法求解㊂由于海洋网箱漂浮于空气与海水的交界区域,自由界面为气液共存状态,可采用V O F 波模型进行模拟㊂在实际应用中,网箱铺设地水深为30m ,因此在计算浮架吃水线位置时只考虑浮架㊁饵料舱及饵料装载质量,暂不考虑网衣质量㊂下浮管中心位置坐标为(0,0,0),水面位置在X -Y 平面下方265mm 处,因此水面位置取-0.265m ㊂此外,真实情况下的海洋网箱设有16条粗4mm 的聚丙烯锚绳(图4),仿真时根据真实情况设置锚绳,下层浮管的锚绳固定于海底㊂为模拟浮架在波浪中的真实运动情况,选用D F B I 模型并设置其能够在波浪作用下垂荡(沿Z 轴平移)和纵摇(绕Y 轴转动)㊂图4 海洋网箱的锚绳布置F i g .4 A n c h o r r o p e a r r a n g e m e n t f o rm a r i n en e t c a ge 本研究的求解计算分为2个步骤:①将网箱结构设为刚体,模拟波浪以及网箱在风浪中的运动,并计算海浪运动对网箱刚体施加的流体载荷;②在流体仿真结束后,将记录的每个时间步流体载荷按求解时间步施加到网箱固体外表面(载荷数据从流体边界映射到固体边界),开始求解固体域,并得到固体域所受应力情况㊂3 结果与分析3.1 正面来流下网箱浮架的水动力特性初始波浪场在没有强风速作用时的波高最大,作用载荷也最大㊂随着波浪向前传播,60m /s 的风速会对波浪产生影响,使得波形和海面流速发生变化,因此在波浪达到稳定传播状态时展开分析㊂第8个周期(T =57~64s )内不同时刻的流场分布如图5所示㊂图5 正面来流下浮架随波浪运动的运动规律F i g .5 T h e f l o w p a t t e r no f t h em a r i n en e t c a g em o v i n gw i t h t h ew a v e s i n t h e f r o n t a l f l o w 由图5可以看出,波峰处的流体速度远高于波谷处,波峰到波谷的变化可视为由深到浅的水深变化;这是由于海底具有摩擦作用,且浅水处的海底摩擦作用比深水处明显㊂在此周期内,网箱浮架的垂荡和纵摇运动曲线如图6所示㊂其中,垂荡运动向上最大距离为1.75m ㊁向下最大距离为4.25m ,纵摇运动顺时针旋转最大角度为10.1ʎ㊁逆时针旋转最大角度为8.6ʎ㊂在此周期内,不同时刻浮架所受流体载荷分布如图7所示㊂第10期郑思宇,等:17级台风工况下玄武岩纤维大型海洋网箱的水动力特性研究133图6 正面来流下浮架的垂荡和纵摇运动曲线F i g .6 M o t i o n c u r v e o f h e a v e a m p l i t u d e a n d p i t c ha m pl i t u d e o f t h em a r i n en e t c a ge i n t h e c a s e of f r o n t a l f l ow 图7 不同时刻浮架所受流体载荷分布F i g.7 D i s t r i b u t i o no f f l u i d l o a d s o n t h em a r i n e n e t c a ge a t d if f e r e n t t i m e s 由图7可以看出,3层浮架中下层表面的流体载荷大于上层,这是由于中下层是主要承力结构,其中下浮管所受流体载荷最大㊂因此,流体总载荷中的水流载荷占比高于风力载荷㊂选取浮架所受流体载荷最大的T =56s 时刻,分析浮架所受应力情况(图8)㊂图8 T =56s 时刻的网箱浮架结构应力F i g .8 S t r u c t u r a l s t r e s s o f t h em a r i n en e t c a ge a t T =56s 由图8(a)可以看出,浮架结构迎浪侧的整体结构应力远高于其他区域,其中上层结构应力最为集中;其原因是波浪拍打至浮架时的流体载荷最大,由于上层结构管径是3层结构中最细的,其结构应力最明显并远高于中层和下层,且中下层管路受到海水剪切力的作用,其连接支撑结构处的应力也较明显㊂由图8(b )可以看出,饵料舱支撑点处的应力集中,饵料舱两侧撑脚连接处也出现应力集中现象;其原因是饵料舱主要依靠4个方向上的8根支撑管加固连接,当浮架结构随波浪浮动时,饵料舱同时受风力载荷和自身重力的影响,其舱体连接处必然应力集中;此外,由于饵料舱在沿波浪方向上存在倾覆的趋势,两侧管路对舱体具有拉紧作用,在沿来流方向的两侧撑脚连接处也存在应力集中㊂由图8(c )可以看出,浮架尾部远离波峰,所受流体载荷最小,因此浮架尾部的整体结构应力集中现象不明显;然而由于力的传递作用,中层承力结构的十字交叉结构处存在一定的应力集中㊂综上所述,根据最大应力由大到小排序,网箱浮架结构应力集中区域依次为饵料舱侧向支撑点㊁上层步道板连接管迎浪侧㊁中层承力结构交叉点㊁步道板连接管与饵料舱撑脚以及迎浪侧中下层连134海洋开发与管理2023年接管(表1)㊂表1正面来流下浮架各区域的应力范围及最大值T a b l e1S t r e s s d i s t r i b u t i o n r a n g e a n dm a x i m u mv a l u e o fe a c ha r e a of t h em a r i n e n e t c ag e i n th e f r o n t a l f l o wM P a 应力集中区域应力范围最大应力饵料舱侧向支撑点590~620630上层步道板连接管迎浪侧280~300310中层承力结构交叉点160~190240步道板连接管与饵料舱撑脚150~180230迎浪侧中下层连接管150~1802303.2正面来流下网衣对网箱浮架水动力特性的影响网衣质量为16t,在海洋生物附着的情况下其质量占比可达网箱整体的25%,因此有必要考虑悬挂网衣对网箱浮架水动力特性的影响㊂在几何结构处理时,将网衣与中层结构连结成一体并垂直于固定的桁架结构上㊂由于网衣位于水下,海洋生物附着会堵塞网衣的孔眼,当海水冲击网衣时会产生明显的表面载荷㊂为兼顾计算准确性及成本,本研究不将网衣视为多孔介质,而将网衣视为1块薄板,其长㊁宽㊁高与真实网衣保持一致,分别为15m㊁15m和13m,薄板的厚度参考真实网衣钢绳直径取12mm,其简化模型如图9所示㊂此外,由于网衣底部受海水作用力不明显,薄板底部不进行封闭处理,这样既可模拟海水冲击网衣对浮架结构应力的影响,也能模拟海水完全浸没网衣的真实效果㊂当浮架连接网衣后,垂荡运动向上最大距离为0.82m㊁向下最大距离为4.53m,与不带网衣的浮架结构相比分别减少0.93m和增加0.28m,可见当浮架挂载网衣时受波浪冲击的垂荡运动更为平稳,网衣结构有利于浮架结构在垂直方向上的稳定㊂当浮架连接网衣后,纵摇运动顺时针旋转最大角度为9.1ʎ㊁逆时针旋转最大角度为11.0ʎ,与不带网衣的浮架结构相比分别减少1.0ʎ和增加2.4ʎ,可见当浮架挂载网衣时受波浪冲击的纵摇幅度有所增加(图10)㊂将稳定后57~64s的3层浮架流体载荷数据图9等效网衣示意F i g.9 S c h e m a t i c o f e q u i v a l e n t f i s h i n g n et图10带网衣结构的网箱浮架垂荡和纵摇运动曲线F i g.10 M o t i o n c u r v e o f h e a v e a m p l i t u d e a n d p i t c h a m p l i t u d e o f t h em a r i n en e t c a g ew i t h f i s h i n g n e t作为固体域的边界条件,施加于浮架结构的固体域外表面,从而求解网箱浮架在17级台风工况下所受应力㊂需要说明的是,由于网衣受到流体载荷时的结构应力仍反映在主体浮架结构上,在结构应力分析中仅赋予浮架结构的外部载荷,并不赋予简化网第10期郑思宇,等:17级台风工况下玄武岩纤维大型海洋网箱的水动力特性研究135衣所受载荷㊂T=56s时刻网箱浮架的运动状态及其在海浪中的位置如图11所示㊂图11考虑网衣影响时浮架的结构应力分布特征F i g.11 S t r u c t u r a l s t r e s s d i s t r i b u t i o no f t h em a r i n en e t c a g ew i t h f i s h i n g n e t由图11可以看出,浮架结构迎浪侧整体的结构应力依然远高于其他区域,其中上层结构应力最为集中;饵料舱支撑点以及两侧撑脚连接处也出现应力集中现象;浮架尾部远离波峰,所受流体载荷最小,因此浮架尾部整体的应力集中现象不明显㊂然而由于力的传递作用,中层承力结构的十字交叉结构处仍存在一定的应力集中㊂考虑网衣影响时浮架各区域的最大应力如表2所示㊂表2考虑网衣影响时浮架各区域的最大应力T a b l e2T h em a x i m u ms t r e s s f o r e a c ha r e a o f t h em a r i n en e t c a g ew i t h f i s h i n g n e tM P a 应力集中区域最大应力应力相对变化饵料舱侧向支撑点598-32上层步道板连接管迎浪侧300-10中层承力结构交叉点2400步道板连接管与饵料舱撑脚225-5迎浪侧中下层连接管210-20由表2可以看出,通过与不考虑网衣影响时的最大应力进行对比,除中层承力结构交叉点的最大应力变化不明显外,其他应力集中区域的最大应力均有不同程度的降低㊂因此,在海浪波峰拍打浮架时,网衣的存在不仅减弱浮架结构的垂荡运动,还使浮架结构沿波浪方向所受载荷减小以及流体剪切力降低㊂4结论本研究利用有限元方法,对玄武岩纤维材料制作的3层深远海网箱建立数值模型,分析正面来流条件下网箱浮架的水动力特性,并对比分析有无网衣时网箱浮架的运动及所受应力情况,得到网衣结构对网箱浮架水动力特性的影响效果㊂(1)在正面来流条件下,根据最大应力由大到小排序,网箱浮架结构应力集中区域依次为饵料舱侧向支撑点㊁上层步道板连接管迎浪侧㊁中层承力结构交叉点㊁步道板连接管与饵料舱撑脚以及迎浪侧中下层连接管㊂在后续的结构优化研究中,须对饵料舱侧向支撑点及上层连接管路进行加固处理㊂(2)当网箱浮架悬挂网衣结构时,网衣结构有利于浮架结构在垂直方向上的稳定,但增加其纵摇运动强度㊂(3)在网衣结构的影响下,由于网箱浮架垂荡距离减少,饵料舱侧向支撑点㊁上层步道板连接管迎浪侧的最大应力分别降低5.1%和3.2%,中层承力结构交叉点的最大应力变化不明显,迎浪侧中下层连接管的最大应力降低8.7%㊂参考文献(R e f e r e n c e s):[1]鲍旭腾,谌志新,崔铭超,等.中国深远海养殖装备发展探议及思考[J].渔业现代化,2022,49(5):8-14.B A O X u t e n g,C H E N Z h i x i n,C U I M i n g c h a o,e ta l.D i s c u s s i o na n d c o n s i d e r a t i o no nt h ed e v e l o p m e n to f d e e p-s e aa q u a c u l t u r ee q u i p m e n t i nC h i n a[J].F i s h e r y M o d e r n i z a t i o n,2022,49(5):8-14.[2]高琪.玄武岩纤维复合材料性能特征及其在人工鱼礁中的应用[D].大连:大连理工大学,2020.G A O Q i.P r o p e r t i e s o f b a s a l t f i b e r c o m p o s i t e a n d i t s a p p l i c a t i o ni n a r t i f i c i a l r e e f[D].D a l i a n:D a l i a n U n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y,2020.[3]陈菁,顾轶卓,杨中甲,等.高温处理对几种玄武岩纤维成分和拉伸性能的影响[J].材料工程,2017,45(6):61-66.C H E NJ i n g,G U Y i z h u o,Y A N GZ h o n g j i a,e t a l.E f f e c t so f e l e-v a t e d t e m p e r a t u r e t r e a t m e n t o n c o m p o s i t i o n s a n d t e n s i l e p r o p-e r t i e s of s e v e r a l k i n d s o f b a s a l t f i b e r s[J].J o u r n a l o fM a t e r i a l s136海洋开发与管理2023年E n g i n e e r i n g,2017,45(6):61-66.[4]宋平,高欢,汪灵,等.玄武岩纤维基本特征及应用前景分析[J].矿产保护与利用,2022,42(4):173-178.S O N GP i n g,G A O H u a n,W A N G L i n g,e t a l.B a s i c c h a r a c t e r i s t i c sa n d a p p l i c a t i o n p r o s p e c ta n a l y s i so fb a s a l t f i b e r[J].C o n s e r v a t i o na n dU t i l i z a t i o n o fM i n e r a 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g t a o,Q I N S h e n g j i e,e ta l.H y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s o f a s e m i s u b m e r s i b l e a q u a c u l t u r e c a g eu nde rw a v e s[J].P r o g r e s s i nF i s h e r y S c i e n c e s,2021,43(6):11-17. 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试析抗风浪深海网箱养鱼技术的发展前景第一篇：试析抗风浪深海网箱养鱼技术的发展前景试析抗风浪深海网箱养鱼技术的发展前景（全国水产技术推广总站王玉堂）抗风浪深海网箱是指在相对较深的海域，即通常在水深２０米以上的海域设置和进行水产养殖活动的网箱。

这里的“深海”是相对于近海沿岸而言的，并非是海洋学或地理学上的概念。

国外应用深海网箱养鱼己有１０多年的历史，一般称作“离岸网养殖”或“离岸网箱养殖”。

通常在深海网箱养殖的种类为游动性或游泳能力较强的海洋鱼类。

其中养殖设备较好，性能较稳定和养殖技术水平较高的有挪威的三文鱼深海网箱养殖、日本的深海网箱养殖紫？及美国的深海网箱养殖鲑鳟鱼类等。

深海网箱养鱼技术传入我国的时间不长，只有３－４年，可以说，我国的深海网箱养鱼技术还处于试验应用阶段。

一、深海网箱的种类深海网箱的种类因分类的不同有不同的称谓。

１、根据网箱的设置和抗风浪状态可分为浮式和沉式（升降式）两种。

浮式网箱常年漂浮在水面上，不作沉浮运动；可以设置于水质较好半开放性水域，抗风浪性能较好，一般可抵御６－８级风浪；其优点是便于日常的管理维护和养殖操作。

缺点是对网箱框架的材质及整体性能要求较高，要求坚固耐用，这种网箱是目前世界上使用最多、最普遍的一种深海网箱养殖设备。

“沉浮式”或“升降式”深海网箱与浮式网箱有所不同，在风平浪静时浮于水面，而当台风来临时则沉到水下６－８米处，以避免风浪的冲击，一般可抵御１０－１２级风浪。

这种网箱又可以分为“自沉式”和“助沉式”两种。

自沉式网箱上设有风浪监测和自动沉降系统，当风浪达到一定强度和网箱感受到一定的压力时，便自动而迅速沉入水下，不需要人工辅助下沉；而助沉式网箱则需要根据天气情况而人工辅助下沉。

这类网箱的优点是抗风浪能力很强，可以设置于较开放的水域；缺点是对设备性能要求高于浮性网箱，使其造价很高，通常高于浮性网箱５０％左右。

２、根据网箱的材质又可分为金属网箱和塑料网箱两类。

金属网箱又有铝合金质网箱和不锈钢网箱两种。

第50卷第1期2021年2月船海工程SHIP&OCEAN ENGINEERINGVol.50No.1Feb.2021DOI：10.3963/j.issn.1671-953.2021.01.021重力式深水网箱的抗台设计与水动力性能分析郭帅，郭建廷,卞向前(江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江212003)摘要:针对重力式深水网箱抗台风能力较弱，容易出现浮架损坏、锚绳断裂和网衣严重变形等问题，以一典型重力式深水网箱为研究对象，结合传统网格式系泊，提出在底部附加系泊缆的新型抗台设计方案，基于势流理论和非线性有限元方法，建立网箱数值模型，在不同入射角和波高下，对比分析传统网格式和新型抗台式系泊的网箱系泊缆张力、浮架运动和网箱变形。

数值计算结果表明:与传统网格式系泊相比,新型抗台式系泊的网箱水平偏移平均减小7.81%，垂直下沉增加59.71%，系泊缆最大张力降低26.61%，网箱体积剩余系数增加超过70%，明显高于网箱容积的破坏阈值$关键词:重力式深水网箱;抗台设计;数值模拟;水动力性能中图分类号:U662文献标志码:A文章编号：1671-953(2021)01-086-5重力式深水网箱的结构形式简易、成本低廉、养殖容积大,操作使用方便，应用广泛，但因其较传统养殖网箱所在区域水更深，离岸更远，故容易受到台风灾害的破坏。

在台风作用下，重力式网箱常见破坏形式主要为浮架的损坏、网衣变形导致的容积严重损失及系泊缆的破断或走锚［1］$针对深水重力式网箱抗台风能力的研究,在规则与不规则波浪中进行网箱试验和数值模拟，开发网箱生存条件的数值计算工具［2］$针对南海台风下的恶劣海况，在重力式网箱的浮架上外接三角形框架，提出六三型单点系泊的网箱［3］；针对网箱升降过程中易发生倾斜和变形的问题，利用圆周螺旋型浮管设计网箱升降系统，通过注水充气实现网箱下沉与上浮，使升降过程中浮管沿圆周方向受力均匀对称⑷。

关于网箱的水动力性能有基于有限元方法，结合网箱试验与数值计算，提出网箱系统动力响应分析方法［5］；采用集中质量法和刚体运动学原理，研究波流逆向和同向作用下重力式网箱的水动力响应［6］；采用数值模拟方法探究了3种系泊系统下锚绳张力变化规律,并设计制作1种传感器，完成了在台风天气下实地测量网箱锚绳张力的试验目前针对提升重力式网箱抗台能力的新型系泊设计研究有限,收稿日期：2020-04-01修回日期：2020-05-26第一作者:郭帅(1994*)，男，硕士生研究方向：船舶与海洋结构物水动力分析为此,考虑以一典型重力式深水网箱为研究对象,结合统系泊，出附系泊缆的型抗台 方案，基于论和元方法,建立网箱数值模型,并对比分析在不同台风工况下统和型抗台系泊的系泊缆张力、运动和$1水动力学相关理论1.1网箱及系泊系统耦合运动控制方程采用全耦合时域分析法分析网箱及系泊系统的运动，其非线性运动控制方程［8］的时域形式为("S+"1)a($+(#+c H)a(t)++(r($)_$E(r($,r($)(1)式中:r为结构位移矢量;为结构质量矩阵;为水动力质量矩阵;#为结构阻尼矩阵;C H为水动力阻尼矩阵，+为结构刚度矩阵;$E为外力矢量。

波浪作用下潜降式网箱及锚泊系统水动力特性研究
吴锦涛;崔勇;关长涛;秦升杰
【期刊名称】《浙江海洋大学学报:自然科学版》
【年(卷),期】2022(41)4
【摘要】通过物理模型试验研究了周长40 m、网高7 m的HDPE圆形潜降式网箱在波浪作用下的锚绳受力与运动特性,探究浮绳框深度和浮球体积对网箱水动力特性的影响。

试验采用双尺度模型相似准则,网箱采用水下网格式锚泊系统。

波浪周期范围1.0~1.8 s,波高范围6~18 cm。

结果表明:增大浮绳框深度或浮球体积,锚绳受力的总体趋势都随之增大。

漂浮状态下,当浮绳框深度增大时,网箱垂荡值减小,网箱纵荡值增大而网箱纵摇值变化较小;当浮球体积增大时,网箱垂荡运动和纵摇运动无明显变化,网箱纵荡值增大。

下潜状态下,当浮绳框深度增大时,网箱垂荡运动无明显变化,网箱纵荡值减小而网箱纵摇值增大;增大浮球体积对网箱垂荡运动无明显影响,但网箱纵荡和纵摇运动值增大。

研究结果可为潜降式网箱锚泊系统研发提供理论参考。

【总页数】7页(P337-343)
【作者】吴锦涛;崔勇;关长涛;秦升杰
【作者单位】浙江海洋大学国家海洋设施养殖工程技术研究中心;中国水产科学研究院黄海水产研究所
【正文语种】中文
【中图分类】O353.2
【相关文献】
1.台风作用下锚泊定位半潜式钻井平台动力特性研究
2.波浪作用下单体与双体深水网箱水动力特性研究
3.波浪作用下可升降式筏式养殖设施水动力特性数值模拟研究
4.极限波浪作用下半潜式平台水动力特性
5.波浪作用下双层网底鲆鲽网箱水动力特性的数值模拟
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深水重力式网箱水动力特性数值模拟研究由于近海海洋环境破坏严重，养殖区环境污染和病害问题日趋突出，导致养殖鱼类品质下降，死亡率不断增高。

为此，将网箱养殖业从内湾、近海向外海或深海发展已成为一种必然选择。

然而外海水域的海况复杂，深水区浪高、流急，网箱系统必须有抵抗大浪、强流的能力。

这也使深海网箱抗风浪和耐流技术的解决成为制约深水网箱养殖的主要技术瓶颈，而深水网箱水动力特性研究是解决这一技术瓶颈所必需的基础性研究。

本文采用集中质量方法和刚体运动学原理来建立数学模型，利用数值模拟的方法对重力式网箱在波浪、水流以及波流联合作用下的水动力特性进行系统研究。

以期依据计算机模拟结果，在一定程度上代替传统的模型试验和海上实际观测，以达到节省网箱设计费用，缩短设计周期的目的，从而为解决制约网箱发展的主要技术瓶颈提供工程理论和技术方法。

本文研究工作依托于国家自然科学基金项目和863计划合作项目。

研究论文共包含七部分：第一部分为绪论，主要介绍深水网箱养殖产业及相关学科研究的现状和进展。

第二部分为基本理论与数学模型的介绍，着重分析了重力式网箱主要组成部件数学模型的建立和整体网箱模拟计算流程，此部分是后面模拟工作的基础。

第三部对平面网衣系统在波浪、水流作用下的水动力特性进行了数值模拟研究，并利用模型试验结果对计算结果进行了验证。

第四部分对水流作用下整体网箱的水动力特性进行了模拟研究。

在物理模型试验验证的基础上，分析了配重系统，网衣网目形状和网筒形径高比对重力式网箱变形和受力的影响。

第五部分对单纯波浪作用下整体网箱的水动力特性进行了模拟研究，同时对网箱数值模拟中波浪理论的选择问题进行了讨论。

第六部分对波浪水流联合作用下整体网箱的水动力特性进行了数值模拟研究，并利用模型试验对计算结果进行了验证。

第七部分对重力式网箱下潜后的水动力特性进行了数值模拟研究，并分析了波浪作用下，下潜深度对网箱锚绳受力的影响。

在文章最后对本文取得的主要研究成果进行了总结，同时对今后网箱水动力研究发展进行了展望。