張 松，龐國良，黃小華，吳元緊，陳欣鋌，陳昌平

(1 大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023；2 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部外海漁業(yè)開發(fā)重點實驗室，廣東廣州 510300；3 三亞熱帶水產(chǎn)研究院,海南省深遠海漁業(yè)資源高效利用與加工重點實驗室，海南 三亞 572000)

近年來，隨著人們生活水平的逐漸提高，人們對水產(chǎn)品的需求也逐漸增加，網(wǎng)箱養(yǎng)殖作為中國水產(chǎn)養(yǎng)殖中一種重要的養(yǎng)殖模式，對水產(chǎn)品供給具有重要支撐意義。2020年中國海水魚類養(yǎng)殖產(chǎn)量為 174.98萬t，其中網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)量占比達49.04%[1]。由于近年來近海養(yǎng)殖空間不足、水質(zhì)污染等問題出現(xiàn)，水產(chǎn)養(yǎng)殖開始向外海探索，但在外海海域往往面臨臺風(fēng)大浪等惡劣海況，傳統(tǒng)的柔性塑料網(wǎng)箱在面臨這樣的外海環(huán)境時其結(jié)構(gòu)安全性難以保證，因此大型深遠海鋼制桁架網(wǎng)箱平臺得到廣泛的關(guān)注并且國內(nèi)外已有多個網(wǎng)箱平臺投入實際養(yǎng)殖生產(chǎn)，如挪威“Ocean farm 1”“Havfarm 1”，國內(nèi)的“德海一號”“深藍一號”等深水網(wǎng)箱[2]。

目前海水養(yǎng)殖使用占比最高的網(wǎng)箱還是高密度聚乙烯(high density polyethylene，HDPE)重力式網(wǎng)箱，因此關(guān)于其相關(guān)研究也相對豐富，主要研究方法有物理模型試驗[3-6]、海上實測[7-9]、理論求解[10-11]和數(shù)值模擬[12-13]，研究工作也大多圍繞組成網(wǎng)箱系統(tǒng)的浮架系統(tǒng)[14-17]、系泊系統(tǒng)[18-20]和網(wǎng)衣系統(tǒng)[21-22]三部件展開。大型桁架結(jié)構(gòu)網(wǎng)箱作為一種近些年來才興起的新型養(yǎng)殖平臺，對其研究起步較晚，但HDPE網(wǎng)箱的相關(guān)研究方法及積累可為鋼制網(wǎng)箱平臺研究提供很好借鑒參考。關(guān)于深遠海網(wǎng)箱的研究，Li 等[23-24]通過數(shù)值仿真的方法對一種船型網(wǎng)箱進行水動力特性分析，并對其系泊系統(tǒng)的迭代計算進行了優(yōu)化，使對根據(jù)該計算方式設(shè)計的系泊系統(tǒng)的計算效率顯著提高。張新昊[25]使用SESAM軟件提出一種與HAVFARM 1結(jié)構(gòu)相似的網(wǎng)箱概念設(shè)計，并基于極端海況下的最優(yōu)的系泊方式研究網(wǎng)箱在波浪下的運動響應(yīng)。陳炫光等[26]分析了串聯(lián)浮筒的大小、位置對船型網(wǎng)箱水動力特性的影響。王紹敏等[27]采用有限元方法針對“德海一號”大型桁架網(wǎng)箱展開頻域分析，結(jié)果表明養(yǎng)殖船的附加質(zhì)量、輻射阻尼對波浪頻率的變化較為敏感。黃小華等[28]通過物理模型試驗探究了“德海一號”網(wǎng)箱在 3 種系泊方式、3種壓載狀態(tài)和6種波況下的網(wǎng)箱動力響應(yīng)情況，對系泊方式的優(yōu)選提出建議。Zhao等[29]采用水槽試驗的方法，根據(jù)相似準則設(shè)計的Ocean Farm 1的縮尺模型，對該半潛式網(wǎng)箱的動態(tài)運動及系泊受力進行了分析。Yu等[30]采用數(shù)值模擬方法對Ocean Farm 1與補給船的碰撞進行分析，確定了結(jié)構(gòu)集中破壞的位置。

本研究針對一種深遠海船型桁架結(jié)構(gòu)網(wǎng)箱，建立其水動力數(shù)值計算模型，通過與物理模型試驗結(jié)果對比，在驗證數(shù)值模型的準確性后，開展波浪作用下的網(wǎng)箱動態(tài)響應(yīng)分析和錨繩張力及臥鏈長度的模擬研究，分析討論不同系泊方式對網(wǎng)箱的影響，并開展系泊參數(shù)分析，以提高網(wǎng)箱對極端海況的適應(yīng)性，旨在為網(wǎng)箱系泊系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 研究方法

1.1 網(wǎng)箱模型參數(shù)

本研究中的深遠海船型桁架結(jié)構(gòu)網(wǎng)箱主要由網(wǎng)箱主體和系泊系統(tǒng)組成，其中首尾浮筒、擋流板和桁架構(gòu)成網(wǎng)箱主體，配重、錨和錨鏈構(gòu)成系泊系統(tǒng)，具體主要參數(shù)如表1所示。

表1 網(wǎng)箱主要參數(shù)

網(wǎng)箱具有兩種作業(yè)狀態(tài)，正常作業(yè)狀態(tài)和風(fēng)暴下潛狀態(tài)，在面臨惡劣海況時網(wǎng)箱主體可以下潛到水面以下從而達到減少波浪沖擊目的，兩種作業(yè)狀態(tài)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)箱工作狀態(tài)示意圖

1.2 基本理論

(1)網(wǎng)箱浮筒采用面元模擬，基于勢流理論，對流場做出以下假設(shè)：假定流場中的流體無粘、不可壓縮，流動有勢，自由表面的入射波為微幅波，則流體的運動可用三維勢流理論加以描述。網(wǎng)箱在靜水自由表面上做6個自由度搖蕩運動時，一階不定常速度勢Φ滿足以下條件可使聯(lián)立方程得到定解：

在流場范圍內(nèi)滿足 Laplace 方程 ：

(1)

在自由表面：

(2)

濕表面條件：

(3)

海底邊界條件：

(4)

無窮遠處邊界條件：

(5)

式中：g為重力加速度，t為時間；U為濕表面某處速度；n為濕表面某處單位法向量；H為海底距水平面距離；R為空間一點到分析處的距離；k為波數(shù)。

(2)網(wǎng)箱主體桁架可視為小尺度構(gòu)件，可采用Morison單元進行模擬。對相同截面特征桿件沿著長度方向從而求出整體受力即莫里森公式：

(6)

(3)針對系泊系統(tǒng)的模擬，本文采用連續(xù)介質(zhì)法，把系泊纜看作連續(xù)的彈性介質(zhì)對網(wǎng)箱錨繩的系泊進行分析，離散有限元模型動力平衡方程：

(7)

慣性矢量表示：

(8)

式中：M是系統(tǒng)質(zhì)量矩陣，包含結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣MS；MF為內(nèi)部流體質(zhì)量矩陣；MH為Morison公式中結(jié)構(gòu)加速度水動力質(zhì)量矩陣，是局部坐標附加質(zhì)量的一部分。

阻尼矢量表示為：

(9)

式中：C為系統(tǒng)阻尼矩陣，包含結(jié)構(gòu)阻尼矩陣CS(r)，CH(r)為考慮繞射作用的水動力阻尼矩陣；CD為與位移有關(guān)的特定離散阻尼矩陣。

1.3 模型建立

通過軟件ANSYS創(chuàng)建網(wǎng)箱模型，模型由網(wǎng)箱主體結(jié)構(gòu)和系泊系統(tǒng)兩部分組成，網(wǎng)箱主體結(jié)構(gòu)主要包括主體桁架，首尾浮筒和擋流板。系泊方式上，為便于對數(shù)值模型的驗證，系泊采用“Y”字型單點系泊，所謂“Y”字型，即將錨鏈分成兩段，上段為兩根長度相同的錨鏈分別連接網(wǎng)箱艏部兩側(cè)，下段采用單根錨鏈與錨點相連。錨鏈采用單點系泊(SPM)方式，在兩段錨繩連接處配置一掛重，單點系泊所帶來的風(fēng)標效應(yīng)能使得網(wǎng)箱艏部朝向隨水流或浪向的改變而改變，這樣有利于擴大養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)的廢物及排泄物的擴散面積減小，加快養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)的水循環(huán)速率，還能降低網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)上所受環(huán)境載荷。在建模時，首先使用面元建立浮筒和擋流板結(jié)構(gòu)，再基于Morison單元模擬網(wǎng)箱桁架結(jié)構(gòu)。關(guān)于網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)部分，由于本研究主要關(guān)注點在網(wǎng)箱主體結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)及系泊纜受力，所以在數(shù)值模型中未構(gòu)建網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)，而是通過調(diào)整阻力系數(shù)Cd的方式考慮其對網(wǎng)箱主體及系泊系統(tǒng)的影響。模型創(chuàng)建完成后，將模型導(dǎo)入到AQWA中，輸入網(wǎng)箱的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量及系泊系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，進行網(wǎng)格劃分所建模型共包含32 219個單元，網(wǎng)箱水動力數(shù)值模型如圖2所示。

圖2 網(wǎng)箱水動力數(shù)值模型

2 模型驗證

2.1 物理模型試驗

圖3 網(wǎng)箱物理模型

圖4 模型試驗布置圖

2.1 試驗工況

試驗選取在網(wǎng)箱工作狀態(tài)下，波浪波高為12.5、15.0、17.5 cm，對應(yīng)的周期分別為1.4、1.7、2.1 s共計3組工況，根據(jù)相似準則，規(guī)則波下數(shù)值模型與物理模型波高與周期的對應(yīng)關(guān)系表如表2所示。

表2 試驗波浪流參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬與試驗結(jié)果對比

由于該網(wǎng)箱系泊方式為單點系泊，具有明顯的風(fēng)標效應(yīng)，網(wǎng)箱艏部方向會隨著風(fēng)流浪的方向變化而變化，并且由于其特殊的Y字形系泊方式，使得網(wǎng)箱左右兩側(cè)受到相應(yīng)的系泊拉力的束縛，因此橫搖幅度很小，所以關(guān)于網(wǎng)箱運動響應(yīng)，本研究僅考慮縱搖、縱蕩和升沉3個方向。網(wǎng)箱動力響應(yīng)及錨泊受力結(jié)果對比如下圖5及圖6所示。

圖5 不同波浪條件下網(wǎng)箱動力響應(yīng)對比

圖6 不同波浪條件下錨鏈系泊張力對比

從圖中可以看出，網(wǎng)箱數(shù)值模型在三組波浪工況下計算所得的動態(tài)響應(yīng)幅值和周期及錨繩的張力上與物理試驗結(jié)果基本吻合，誤差不超過5%，由此可以采用此模型對潛浮式網(wǎng)箱進行水動力分析，也可以證明本文網(wǎng)箱數(shù)值模擬方法的有效性。

3 不同系泊方式對比

3.1 系泊方式

系泊系統(tǒng)作為網(wǎng)箱的重要組成部分，是網(wǎng)箱抵御惡劣風(fēng)浪海況的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的單點系泊系統(tǒng)一般采用單根錨繩的方式，本研究將其定義為“一”字型系泊，此外，本研究提出一種交叉式的“Y”字型系泊方式，相關(guān)介紹在1.3小節(jié)已有描述，兩種系泊方式如圖7所示。

圖7 不同系泊方式網(wǎng)箱布置圖

為探究兩種系泊方式的可行性，分別對兩種系泊方式下網(wǎng)箱在相同波浪條件下的運動響應(yīng)及系泊錨鏈受力及躺地段長度進行模擬分析。

3.2 動態(tài)響應(yīng)結(jié)果對比

圖8所示為不同波浪工況下兩種系泊方式的網(wǎng)箱動態(tài)響應(yīng)結(jié)果?？梢钥闯觯瑑煞N系泊方式的網(wǎng)箱在波浪作用下的縱搖、縱蕩、升沉運動有著相同的趨勢，其中縱搖和升沉均與波浪周期和波高呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢。另外，還可以看出兩種系泊方式的網(wǎng)箱在動態(tài)響應(yīng)上無明顯差別，這是主要是由于系泊系統(tǒng)只是給網(wǎng)箱提供一個穩(wěn)定的系泊束縛，網(wǎng)箱的動態(tài)響應(yīng)主要還是受自身固有特征和波浪參數(shù)的影響。

3.3 系泊受力及臥鏈長度結(jié)果對比

圖9所示為兩種系泊方式下各工況對應(yīng)的最小臥鏈長度對比結(jié)果。

圖9 不同系泊方式下錨鏈臥鏈長度

可以看出，在各組波況下，“Y”字型系泊的最小臥鏈長度均大于“一”字型系泊，波高為6 m時，三組周期下平均最小臥鏈長度的均值差值最大(179.16%)，兩者的差異隨著波高的增加逐漸減小，當波高增加至10 m時，兩者平均差值最小(14.06%)。在系泊張力方面，由圖10可知，兩者系泊方式的錨繩張力峰值均與波高呈正相關(guān)，與周期呈負相關(guān)，“Y”字型在所有模擬的波況下的系泊張力峰值均小于“一”字型系泊，在波高為10 m波浪周期為13 s時出現(xiàn)最大差值46.5%，所有試驗工況平均差值為31.43%。

圖10 不同系泊方式下錨鏈系泊張力

綜上所述，可以看出，相較“一”字型系泊方式而言，采用“Y”字型系泊不僅不會影響網(wǎng)箱整體的動態(tài)穩(wěn)定性，而且能夠有效降低錨繩的張力，延長錨繩臥鏈長度，可以保障系泊系統(tǒng)的安全性，因此針對本文所提的船型桁架結(jié)構(gòu)網(wǎng)箱，使用“Y”字型系泊對惡劣海況具有更好的對惡劣海況的適應(yīng)性。

4 系泊影響參數(shù)分析

4.1 錨鏈長度影響

在確定“Y”字型系泊方式后，在某些極端波浪條件，比如10 m波高、9 s周期波況下，錨鏈張力峰值超過破斷荷載并且臥鏈長度也較短，為提高網(wǎng)箱系泊安全，探究不同系泊參數(shù)對網(wǎng)箱系泊特性影響，本研究從錨鏈長度和配重塊重量兩個方面開展研究，波浪條件選定為10 m波高、9 s周期的規(guī)則波。

該網(wǎng)箱設(shè)計作業(yè)水深為30 m，上文模擬計算選定的錨鏈長度為90 m，即3倍水深長度，下面以單倍水深30 m為間隔，分別設(shè)置4～7倍水深長度錨鏈進行對比分析。表3為網(wǎng)箱不同錨鏈長度下的動態(tài)響應(yīng)模擬結(jié)果，網(wǎng)箱的3個自由度上的運動響應(yīng)均取網(wǎng)箱穩(wěn)定狀態(tài)下的幅值。從表中可以看出隨著錨鏈長度的增加，網(wǎng)箱的縱搖、升沉幅值略有增加，縱蕩幅值略有減小，但增量與減量的值均較小，所以錨鏈長度的增加對網(wǎng)箱的運動響應(yīng)影響不大。

表3 不同錨鏈長度下網(wǎng)箱運動響應(yīng)模擬結(jié)果

圖11為網(wǎng)箱系泊張力峰值變化曲線，從圖中可以看出隨著錨繩長度的增加，系泊張力峰值持續(xù)減小，當錨鏈長度從90 m延長至120 m、延長1倍水深長度時，系泊張力峰值從3 251.11 kN減小至1 727.26 kN，出現(xiàn)了最大減幅(46.87%)，當錨鏈長度繼續(xù)增加至210 m(7倍水深)時，錨繩受力進一步減小，系泊力峰值減小至1 209.57 kN。

圖11 不同錨鏈長度下系泊張力峰值

圖12為網(wǎng)箱最小臥鏈長度變化曲線，從圖中可以看出隨著錨繩長度的增加，最小臥鏈長度持續(xù)增加，每增加1倍水深，最小臥鏈長度平均增加59.86%。

圖12 不同錨鏈長度下最小臥鏈長度

根據(jù)上述分析結(jié)果，為達到較小的系泊受力和更大的最小臥鏈長度，應(yīng)盡量選取長度較大的錨鏈，但需要注意的是網(wǎng)箱在建造和投入使用中往往會受到安裝成本和海域范圍等制約，錨繩長度也不是任意加大的。

4.2 配重塊重量影響

為討論配重塊重量參數(shù)對網(wǎng)箱動力特性及系泊纜響應(yīng)的影響，選定錨鏈長度為150 m，以5 t配重重量為起點，2.5 t為間隔，共計5組配重重量進行參數(shù)設(shè)置。表4為不同配重塊重量下的網(wǎng)箱運動響應(yīng)模擬結(jié)果，可以看出配重塊重量的增加對網(wǎng)箱的動態(tài)響應(yīng)的影響不明顯，重量從5 t增加至15 t，網(wǎng)箱的縱搖增加了0.47°，升沉增加了0.07 m，縱蕩減小了0.11 m。

表4 不同配重塊重量下網(wǎng)箱運動響應(yīng)模擬結(jié)果

圖13為網(wǎng)箱錨鏈的系泊力峰值變化的趨勢圖，可以看出系泊張力與配重塊重量呈負相關(guān)，重量從5 t增加至15 t，系泊張力峰值從1 388.86 kN降至815.76 kN，降幅為41.26%；此外，隨著配重塊重量的增加，最小臥鏈長度也有著較為明顯的增加，如圖14所示，配重重量從5 t增至15 t，最小臥鏈長度從3.76 m增至8.30 m，增幅達120.81%。

圖13 不同配重重量下的系泊張力峰值

圖14 不同配重塊重量下的最小臥鏈長度

綜上可以看出，通過延長錨鏈長度和增加配重塊重量能夠顯著降低錨鏈的系泊張力大小，黃小華等[28]對與本研究對象結(jié)構(gòu)相似的“德海1號”網(wǎng)箱開展的物理試驗也得到了類似的結(jié)論，從而也側(cè)面驗證了本研究數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。

5 結(jié)論

本研究通過創(chuàng)建網(wǎng)箱水動力模型，對兩種系泊方式下網(wǎng)箱主體運動及系泊特性開展研究，又從系泊長度和配重塊重量兩個方面開展了相應(yīng)的系泊影響參數(shù)分析，得到以下結(jié)論：1)本研究創(chuàng)建的網(wǎng)箱水動力模型模擬計算結(jié)果與物理模型試驗結(jié)果誤差不超過5%，驗證了數(shù)值模型的有效性，相應(yīng)建模方法可以為大型網(wǎng)箱水動力模型建立提供參考；2)“Y”字型系泊的系泊張力峰值小于“一”字型系泊，且隨著波高增加，優(yōu)勢更為顯著，此外，不同波況下“Y”字型系泊的臥鏈長度均長于“一”字型系泊，以上證明針對本研究網(wǎng)箱對象，“Y”字型系泊優(yōu)于“一”字型系泊；3)隨著錨鏈長度增加和配重塊重量增加，網(wǎng)箱系泊張力會顯著減小，最小臥鏈長度會顯著增加，因此可通過增加錨鏈長度及增加配重塊質(zhì)量改善網(wǎng)箱系泊性能、保證系泊安全。