梁家銘, 龐 亮, 董 勝

(中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100)

隨著中國人口的增長，海產(chǎn)品需求量日益增多，近海海洋環(huán)境污染嚴重，目前海洋養(yǎng)殖業(yè)有向深海發(fā)展的趨勢，因而網(wǎng)箱將受到更為惡劣海況環(huán)境的考驗。近年來，網(wǎng)箱的破壞率不斷增加，漁民的生命安全和財產(chǎn)安全受到巨大的威脅，為了提高網(wǎng)箱的安全可靠度，加強網(wǎng)箱水動力特性的研究具有重要意義。

一個完整的網(wǎng)箱應(yīng)該由浮架系統(tǒng)、網(wǎng)衣系統(tǒng)、系泊系統(tǒng)組成，浮架系統(tǒng)是深海網(wǎng)箱重要組成部分，主要為網(wǎng)箱提供浮力，為網(wǎng)衣系統(tǒng)維持有效的養(yǎng)殖體積。浮架系統(tǒng)漂浮于海面上，不僅需要抵抗波浪力的作用，還要承受復(fù)雜海流和強風(fēng)的作用，研究浮架系統(tǒng)在復(fù)雜海況下的水動力特性，是提高整個網(wǎng)箱系統(tǒng)的安全性及可靠性的重要途徑。完整水動力特性的分析還要包括系泊系統(tǒng)的研究，系泊系統(tǒng)是在復(fù)雜環(huán)境載荷作用力下提供回復(fù)力以保持系泊浮體穩(wěn)定的系泊方式。許多國內(nèi)外學(xué)者對網(wǎng)箱做了大量研究，早期Slaattelid[1]對一種重力式網(wǎng)箱的浮架結(jié)構(gòu)在不同海況條件下應(yīng)力特性和錨繩受力特性進行了試驗研究。李玉成[2]等將網(wǎng)箱浮架系統(tǒng)簡化為一直桿結(jié)構(gòu)，運用數(shù)值模擬與物模實驗結(jié)合的方式得到不同波浪條件下水動力系數(shù)，為浮架系統(tǒng)的模擬奠定了基礎(chǔ)?；谥皩W(xué)者們的研究，鄭艷娜[3]等對簡化后的重力式雙排圓形浮架系統(tǒng)在波浪條件下的水動力特性進行了數(shù)值分析和物理模型試驗，得到了良好的結(jié)果。黃六一[4]通過水槽模型試驗對方形網(wǎng)箱浮架在波浪下的應(yīng)力分布，錨泊受力及網(wǎng)箱在水流下容積損失做了定性分析。黃六一[5]對HDPE圓形雙浮管網(wǎng)箱水動力特性進行了系統(tǒng)分析并進行了海上實測。孫滿昌[6]對方形單體網(wǎng)箱的單錨繩和雙錨繩系泊方式安全性進行了計算和討論，得出了理想條件下雙錨繩的最佳布置夾角為22.5°。

目前，70%正在使用的深水網(wǎng)箱為HDPE雙浮管圓形網(wǎng)箱(見圖1(b))結(jié)構(gòu)[5]，眾多學(xué)者們對網(wǎng)箱的研究多為圓形網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)，雖然它從結(jié)構(gòu)上來說能更好的抵抗外力，但是也有眾多局限。方形網(wǎng)箱(見圖1(a))在海域中更容易布置組合，有利于合理利用養(yǎng)殖海域，而且作業(yè)船更容易停靠及作業(yè)，給生產(chǎn)者帶來極大方便。本文設(shè)計了一種新型方形網(wǎng)箱，利用SESAM進行了頻域水動力計算以及系泊條件下時域內(nèi)耦合分析?，F(xiàn)有研究多為規(guī)則波下的水動力特性分析，這并不能滿足實際海況的特點。本文對新型網(wǎng)箱在不規(guī)則波浪條件下進行了風(fēng)、浪、流共同作用下的耦合分析，對在工作海況和極端海況下的運動響應(yīng)進行計算研究；與傳統(tǒng)的圓形網(wǎng)箱進行了分析對比，得到兩種不同形狀網(wǎng)箱的運動響應(yīng)特點；對4種系泊方式進行了計算對比，得到其各自的系泊特性，對實際工程中系泊方式的選擇有一定參考意義。

圖1 傳統(tǒng)網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Traditional net cage structure diagram

1 網(wǎng)箱模型簡介及相關(guān)理論

1.1 模型設(shè)計

打破了傳統(tǒng)網(wǎng)箱的雙排浮管結(jié)構(gòu)形式，采用長方形結(jié)構(gòu)形式，為了保證安全性，滿足養(yǎng)殖需求和提高工作的方便性，將養(yǎng)殖區(qū)域分為3個區(qū)域。網(wǎng)箱長36 m，寬24 m，用于工作與堆放養(yǎng)殖工具的邊框?qū)?.1 m。網(wǎng)箱浮架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由平板組成的長方體連接而成，不僅為網(wǎng)箱提供浮力，也用于人行走和放置養(yǎng)殖設(shè)備，與傳統(tǒng)浮管式的網(wǎng)箱相比，工作區(qū)域更加平整，有利于養(yǎng)殖工作的展開。為了滿足安全性及強度要求，中間加設(shè)圓柱形鋼管，由連接裝置與四周的板連為一個整體(見圖2)。

網(wǎng)箱浮架系統(tǒng)采用玻璃鋼材料構(gòu)建而成，與傳統(tǒng)材料相比，玻璃鋼具有材料輕、質(zhì)量高、耐腐蝕、工藝性強等優(yōu)勢，網(wǎng)箱具體參數(shù)見表1。

1.2 莫里森公式

網(wǎng)箱的浮架系統(tǒng)尺寸相對于入射波的波長相對較小，即D/L小于0.2，D為網(wǎng)箱浮架直徑，L為波長，屬于小尺度結(jié)構(gòu)物，采用Morison方程計算浮架結(jié)構(gòu)的波浪力。在波浪和水流的作用下，Morison方程由與流體速度的平方成正比的拖曳力項和與加速度成正比的慣性力項兩部分組成，公式可寫成：

(1)

式中：ρ為流體密度；CD和CM分別為拖曳力系數(shù)和慣性力系數(shù)；a和U分別為水質(zhì)點加速度和浮架結(jié)構(gòu)微元運動加速度矢量；u和U分別為水質(zhì)點速度和浮架結(jié)構(gòu)微元速度矢量；V0為浮架結(jié)構(gòu)微元排水體積；A為浮架結(jié)構(gòu)微元垂直于流向的投影面積。

圖2 新型網(wǎng)箱模型結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure diagram of the new net cage model

表 1 網(wǎng)箱基本參數(shù)Table 1 Net cage basic parameters

1.3 運動方程

以重心G為原點的坐標系，浮體的運動方程可表示為：

(2)

本文時域耦合分析中考慮系泊力和環(huán)境荷載等非線性因素的影響，采用間接時域法即先求出頻域水動力參數(shù)，通過FFT傅里葉變化將計算結(jié)果從頻域轉(zhuǎn)化為時域，采用的運動方程如下所示：

Ffk(t)+Fw+Fc+Fm(t)+Fsd(t)。

(3)

式中：C為浮體的靜水恢復(fù)力系數(shù)陣；x(t)為浮體6自由度位移；Fsd(t)為二階波浪漂移力；K(t-τ)系統(tǒng)的延遲函數(shù)矩陣；其他字母含義與公式(2)相同。

2 水動力分析

2.1 計算流程簡介

DNV船級社的SESAM軟件是水動力分析領(lǐng)域認可的有限元分析軟件，其顯著特點是功能模塊化，首先在HydroD進行頻域內(nèi)的水動力分析，得到水動力參數(shù)以及網(wǎng)箱浮架系統(tǒng)在自由漂浮運動狀態(tài)下規(guī)則波中的運動響應(yīng)，可由響應(yīng)幅值算子RAO(response amplitude operator)表示，然后以頻域內(nèi)分析得到的水動力參數(shù)為基礎(chǔ)，導(dǎo)入DeepC中進行時域耦合分析，得到6自由度下響應(yīng)以及錨繩受力等時域計算結(jié)果。

2.2 環(huán)境條件

頻域分析時，海水密度為1 02 5 kg/m3，工作水深32 m，選定規(guī)則波周期1～30 s，前10 步長為0.5 s，后20 s步長為1 s。入射角由0°～360°，間隔15°。

頻域分析中網(wǎng)箱浮架系統(tǒng)所受的環(huán)境載荷等一些非線性因素進行了線性化的處理，未考慮時間累計效應(yīng)，因此頻域內(nèi)的分析預(yù)報只能大體上預(yù)估浮體運動響應(yīng)，應(yīng)進一步進行時域分析獲得更加符合實際情況的結(jié)果。

時域分析中模型添加了系泊系統(tǒng)，所用錨鏈質(zhì)量為37.9 kg/m，破斷荷載為6.8×104kN。在不規(guī)則波下計算浮體的運動響應(yīng)，波浪譜采用在工程設(shè)計中廣泛應(yīng)用的P-M譜。本文分工作海況和極端海況分別進行了計算，根據(jù)中國沿海長期分布資料[7]取得兩海況的波高、水流、速度等詳細數(shù)據(jù)見表2。

2.3 工作海況計算結(jié)果

時域分析時，本文所有的風(fēng)、浪、流以最不利的方式入射，即風(fēng)、浪、流按同一方向入射，由于模型為對稱結(jié)構(gòu)，入射角選取了0°、45°、90°，工作海況的時域分析的部分結(jié)果(見圖3)。

表2 時域分析環(huán)境參數(shù)Table 2 Time domain analysis of environmental parameters

圖3 工作海況下時間歷程計算結(jié)果Fig.3 Result of the device in time-domain under normal sea condition

為了滿足生產(chǎn)作業(yè)的要求，系泊浮體的縱蕩、橫蕩、艏搖需要限制在水深的10%以內(nèi)[8]，本文的新型浮架系統(tǒng)在工作海況下的縱蕩、橫蕩和艏搖的最大值分別為2.11 m、0.91 m和0.2°，均小于3.2(水深32 m)，滿足生產(chǎn)作業(yè)要求，因此新型浮架系統(tǒng)在工作海況下能安全工作。

2.4 與傳統(tǒng)浮架模型對比

目前廣泛使用的深水網(wǎng)箱大部分為雙浮管圓形網(wǎng)箱，為了更加全面了解新型網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)的水動力特性，以及方形網(wǎng)箱與圓形網(wǎng)箱的水動力特性的差異，本文建立了相同養(yǎng)殖面積，相同材料下的圓形網(wǎng)箱浮架結(jié)構(gòu)進行了對比分析，兩模型具體參數(shù)見表3。

時域分析中兩模型的系泊系統(tǒng)相同，錨繩長度、材料、傾角相同(見圖4)。

表 3 兩模型參數(shù)Table 3 Parameters of two modal

圖4 時域分析模型圖Fig.4 Time domain analysis model

對兩種模型進行了頻域內(nèi)水動力計算，得到了不同波浪入射角下6自由度下的運動響應(yīng)RAO，不同波浪入射角下部分自由度的運動響應(yīng)RAO對比見圖5。分析兩模型的結(jié)果可知，方形網(wǎng)箱浮架系統(tǒng)在不同自由度下的響應(yīng)值與圓形網(wǎng)箱浮架系統(tǒng)相比，有不同程度的增大，這說明圓形網(wǎng)箱比方型網(wǎng)箱更加穩(wěn)定，圓形結(jié)構(gòu)在抵抗波浪力方面更有優(yōu)勢，此結(jié)論與趙云鵬[9]的研究結(jié)論類似，也說明了本文計算的合理性與準確性。

由于波與波得相互作用產(chǎn)生的非線性影響，不規(guī)則波中波浪力包含高頻和低頻分量，極端海況下產(chǎn)生的巨大波浪力中的高頻分量也增大，會對結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生高頻波浪載荷以及高頻運動。觀察圖5可發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)箱浮架系統(tǒng)對高頻波浪力比較敏感，在高頻波浪區(qū)產(chǎn)生多個波峰，因此網(wǎng)箱設(shè)計應(yīng)注意避免在極端海況下使網(wǎng)箱發(fā)生高頻共振響應(yīng)，也稱Ringing現(xiàn)象，從而使結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

圖5 兩模型RAO對比圖Fig.5 Comparison of RAO between the two models

為了得到更符合實際的計算結(jié)果，以及研究在極端海況下的水動力特性，將兩模型在極端海況下進行了時域耦合分析，考慮最不利的運動狀態(tài)，風(fēng)浪流三因素的入射角相同，由于模型為對稱結(jié)構(gòu)，入射角選取了0°、45°、90°，將時域分析中6自由度下的極大值進行了對比(見圖6)。

圖6 時域運動響應(yīng)極值對比圖Fig.6 Time domain motion response extremum comparison

由圖可知，方形網(wǎng)箱比圓形網(wǎng)箱垂蕩響應(yīng)要大50%，波浪力是影響垂蕩運動的主要因素，而艏搖運動卻要比圓形網(wǎng)箱要小，這是由于兩網(wǎng)箱形狀不同而造成的差異，方型網(wǎng)箱在艏搖運動下承受的阻力更大；對于橫蕩、縱蕩、橫搖、縱搖運動，兩網(wǎng)箱的運動響應(yīng)規(guī)律性并不明顯，對于0°和90°方向入射，由于方型網(wǎng)箱的長寬不同，其寬度比圓形網(wǎng)箱直徑小，而長度比圓形網(wǎng)箱直徑大，造成受力面積的差異，因而造成在某些入射角度下，方形網(wǎng)箱比圓形網(wǎng)箱具有更小的運動響應(yīng)。

時域結(jié)果僅比較最大值有一定局限性，為了更好的了解其運動及受力特點，取入射角為45°時兩模型部分自由度時域運動對比圖以及最大受力錨繩受力情況對比圖(見圖7)。對于縱蕩運動，圓形網(wǎng)箱運動響應(yīng)明顯比方形網(wǎng)箱??；對于橫搖運動和最大錨繩受力情況，方形網(wǎng)箱比圓形網(wǎng)箱運動響應(yīng)略大，差距并不明顯。圓形和方形錨繩最大張力值分別為3.3×106和3.5×106N，小于錨繩破斷荷載，滿足安全性。

圖7 時域運動響應(yīng)對比圖Fig.7 Time domain motion response comparison

3 系泊方式的對比

3.1 系泊方式簡介

目前海洋工程中常用的系泊方式多為對稱系泊，具體分為八字型、交叉型、人字型、平行型，具體結(jié)構(gòu)形式見圖8。不同布鏈方式的優(yōu)劣，一直是不同風(fēng)格設(shè)計工程師爭論的熱點，本文對這4種系泊方式進行了極端海況下的時域分析，分析其各自系泊特性。

3.2 計算結(jié)果對比

為得到更加全面的結(jié)果，入射角分0°、45°、90°入射，其6自由度下的時域分析極值見表4。

由數(shù)據(jù)可知，不同的入射方向下，運動響應(yīng)變化很大，說明研究不同系泊系統(tǒng)特性應(yīng)該綜合分析所有入射角下的運動響應(yīng)。為了更直觀的了解每種系泊方式特性，對上表數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計處理，將表4中4種系泊方式在每個自由度下3個入射角下的最大值取絕對值后相加求取均值，得到的柱狀統(tǒng)計圖(見圖9)。

圖8 系泊方式Fig.8 Mooring pattern

分析圖9可知“人字型”系泊具有較小的垂蕩運動響應(yīng)，但是有非常大的縱搖運動響應(yīng)以及相對較大的艏搖運動響應(yīng)，主要是因為“人字型”系泊在網(wǎng)箱模型上只有兩個系泊點，加上模型形狀以及長寬尺度的差異，易產(chǎn)生比較大的縱搖和艏搖響應(yīng)；“平行型”系泊具有較小的縱蕩和縱搖運動響應(yīng)，但有比較大的橫蕩運動響應(yīng)，產(chǎn)生此結(jié)果的原因是由于平行系泊四根錨繩都是延縱蕩方向布置的，從而導(dǎo)致Y方向運動偏小，而X方向運動偏大；“交叉型”系泊的縱搖運動響應(yīng)較大，說明此系泊方式提供的縱搖恢復(fù)力與其他系泊方式相比較小；“交叉型”系泊有非常小的艏搖運動響應(yīng)，陳徐均[10]基于線性化假設(shè)理論推導(dǎo)了交叉型系泊艏搖的回復(fù)力矩陣表達式，得到“交叉型”布鏈方式對于艏搖有很好的控制作用，本文的計算結(jié)果進一步驗證其結(jié)論的正確性；“八字型”系泊方式具有比較均衡的運動響應(yīng)，屬于綜合性能較好的系泊方式。

表4 時域內(nèi)浮架運動響應(yīng)極值Table 4 Extreme response of float collar in time domain analysis

圖9 系泊方式對比圖Fig.9 Mooring comparison chart

4 結(jié)論

本文提出了一種新型網(wǎng)箱浮架系統(tǒng)，對其進行頻域水動力分析以及考慮系泊系統(tǒng)的時域耦合分析，并與傳統(tǒng)的圓形雙浮管網(wǎng)箱浮架系統(tǒng)進行了對比；對四種常見系泊方式進行了分析對比。得到如下結(jié)論：

(1) 新型網(wǎng)箱浮架系統(tǒng)在工作海況下，各自由度運動響應(yīng)較小，均滿足正常工作要求，符合設(shè)計要求；在極端海況下，網(wǎng)箱運動響應(yīng)符合安全要求，其系泊系統(tǒng)最大張力小于破斷荷載，設(shè)計合理。

(2) 由頻域水動力分析結(jié)果可知，圓形網(wǎng)箱浮架系統(tǒng)在抵抗波浪力方面更有優(yōu)勢，比方形網(wǎng)箱有更小的運動響應(yīng)。但是如果考慮系泊系統(tǒng)、非線性環(huán)境荷載以及形狀等因素的作用，圓形網(wǎng)箱有較小的垂蕩運動響應(yīng)，但在艏搖、橫搖、縱蕩等自由度下的運動響應(yīng)與方形網(wǎng)箱相比優(yōu)勢并不明顯。

(3) 網(wǎng)箱浮架系統(tǒng)對高頻波浪力比較敏感，網(wǎng)箱設(shè)計應(yīng)注意避免使網(wǎng)箱發(fā)生高頻共振響應(yīng)，從而使結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

(4) 以艏搖運動或橫蕩運動為首要考慮因素時,采用“交叉型”布鏈方式較好；以縱搖或縱搖運動為主要考慮因素時，“平行型”布鏈較好；以橫搖運動為主要考慮因素時，“八字型”布鏈較好；以垂蕩運動為主要考慮因素時，“人字型”布鏈較好。

(5)不同入射角下，系泊系統(tǒng)運動響應(yīng)變化很大，四點系泊系統(tǒng)比兩點系泊系統(tǒng)更加穩(wěn)定，“八字型”布鏈各自由度運動響應(yīng)較小，屬于綜合性能較好的系泊方式。