流场中圆形养殖网箱动态响应的数值模拟研究

摘要

随着捕捞渔业的下降，水产养殖在满足人们对水产品的需求上发挥了积极的作用，而近二三十年快速发展的海水网箱养殖业，成为海水养殖的又一支柱产业，已成为人类扩大生存空间，发展海洋产业的一个新的经济增长点。由于阿箱处于海洋环境中，要受到波浪和水流的共同作用，因此，为了提高网箱的可靠性及安全生产，在网箱设计与安装之前，有必要运用工程分析方法研究网箱的力学性能。网箱由柔软的网衣、绳索以及刚性的框架等组成，属于柔性体与刚性体的复合体，研究这类结构的力学性能时通常采用的方法有实地观测、模型试验、数值模拟。随着计算机技术的快速发展，数值模拟越来越受到普遍重视并得到广泛应用，因此，本文集中于网箱的数值模拟研究，开发可行的数值工具，进而利用计算机模拟来分析与探讨网箱的一些基本性能。 本文运用工程上的集中质量方法建立了网衣的数值模型，把网目目脚视为线性杆元，并假设元素只承受轴向的拉力；集中质量点设置在元素的两个端点上，并将元素的质量平均分到这两个端点上，由此，获取集中质量点上的质量；对于元素上的水动力，按照圆柱体构件进行计算，并将所有的外力平分到元素的端点上，即认为所有的外力作用在质量点上；因此，整个网衣便可以采用由许多质量点和轻杆元素构成的离散模型来模拟。最后运用牛顿第二定律对集中质量点建立运动方程。为了简化计算，将网箱的浮框和底框上假设为刚体，按照水下自由刚体的运动特征，对网箱框架建立了控制方程。将网衣结点的运动方程和网箱框架的运动方程联合，得到整个网箱的运动方程组。由于网箱的运动方程是非线性的，本文采用了可变步长的Runge-kutta方法进行求解，得出网箱在时域内的运动过程。相对于流场中网箱的静态模拟方法，本文方法不但可以得到网箱的静态行为，还可以获得网箱的动态行为。 本文假设网箱受到定常水流的作用，模拟出了网箱从静止开始运动直至再次处于平衡状态的运动过程。根据本文模型，开发出了相应的计算机程序，运用程序计算出研究对象在时域内的运动过程，在此基础上，由程序进行相应的后处理，包括显示网箱变形后的形状、可视化网衣的张力分布，获取网箱的阻力、容积损失等，可以非常方便地获取网箱的一些性能参数。 本文计算了定常流场中5个网片和3个网箱的动态响应，分析了定常流场中网片、网箱的动态行为以及网箱的一些基本性能。为了检验本文模型的正确性，进行了水槽试验，比较了平衡状态时的计算结果与试验结果。 本文模型计算的网片平衡形状与观测图形基本吻合，相对于试验网片，计算的网片横向位移和上升高度稍微小一些，为了定量比较网片形状的计算结果与试验结果，从网片上取了几个特征值。对于参考试验网片2，I/H计算值的平均误差为4％；对于本文试验中的3个网片，特征尺寸的平均误差最大为6.3％。由于水动力系数的设置及模型没有考虑网衣结点上的阻力等原因，模型低估了网片平衡状态时的阻力。对于参考试验网片2，计算阻力值的平均误差为6.5％，对于本文试验的3个网片，网片B的阻力计算值误差较小，平均误差为8.45％，网片C的阻力计算值误差较大，平均误差为23％。 在低速流时，计算的网箱形状与试验结果比较接近，当流速较高时，计算结果的误差变大。在网箱上取了3个特征值，结合底框的倾斜角，定量比较网箱平衡形状的计算结果与试验结果。如果不考虑0.8m/s流速时的结果，多数特征尺寸平均误差小于8％，底框倾角的平均误差介于8.8-18.3％之间。在0.8m/s流速时网箱阻力的计算值高于试验值，而其他3个流速时的阻力计算值低于试验值。模型低估网箱阻力的平均误差介于6.4-11.3％之间。 本文的计算结果与试验结果均显示，在水流的作用下，网箱网衣容易发生变形，有效的养殖容积减小，迎流面面积变小；当配重方式相同时，流速越大网箱的变形越大，网箱有效的养殖容积越小，网箱的阻力越大：对于本文的网箱模型，当流速低于0.4m/s时，水流引起的网箱变形不大，当流速超过0.4m/s后，网箱变形对水流的响应变大，即流速的增加很容易引起网箱的变形，结果表明，在流速0.4-0.6m/s范围内，存在网箱的变形点，即当流速低于变形点的流速时，网箱对流速响应较小，因此，可以利用变形点确定配重的大小；由于网箱受流作用后发生相应的变形，部分地抵消了流速增加的作用，因此，网箱的阻力与流速不成平方关系，二者基本成线性关系；三种配重方式的结果比较显示，配重增大，网箱的变形变小，养殖容积与迎流面面积增大，这说明增加配重可以在一定程度上改善网箱的变形，由于网箱变形得到改善后，网箱的迎流面面积变大，使得网箱的阻力增加；模拟的网线张力分布表明迎流面上的网线具有较大的张力，尤其是靠近浮框部分的网线。 本文在第5章引入波浪场，介绍了波浪场中网箱主要构件的处理方法，并通过算例，模拟了波浪场中固定的网片结构和漂浮式网箱模型的动态响应。结果表明本文模型可以应用于波浪场中网箱的模拟，但是如果要利用本文模型研究波浪场中网箱的响应特征，还需要借助水槽试验等手段较为精确地确定出模型中的一些基本参数。 总体而言，本文模型可以有效地模拟出网片、网箱这类结构的动态响应，可用来研究与分析网箱的力学性能，计算结果可为改善网箱的设计与安装等提供理论上的参考依据。为了提高计算结果的精度，今后需要进一步完善本文的模型，并借助一些简化方法，如网目集合法，减少单元数量，加快模型的计算速度，以便将模型应用于实物网箱的模拟。

目录

文摘

英文文摘

前言

1理论方法

2水槽试验

3流场中网片动态响应的模拟

4流场中网箱动态响应的模拟

5波浪场中网片、网箱动态响应的模拟

6总结与展望

参考文献

研究生期间的文章与专利

致谢