流場(chǎng)中圓形養(yǎng)殖網(wǎng)箱動(dòng)態(tài)響應(yīng)的數(shù)值模擬研究.pdf

1、隨著捕撈漁業(yè)的下降，水產(chǎn)養(yǎng)殖在滿足人們對(duì)水產(chǎn)品的需求上發(fā)揮了積極的作用，而近二三十年快速發(fā)展的海水網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)，成為海水養(yǎng)殖的又一支柱產(chǎn)業(yè)，已成為人類(lèi)擴(kuò)大生存空間，發(fā)展海洋產(chǎn)業(yè)的一個(gè)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。由于阿箱處于海洋環(huán)境中，要受到波浪和水流的共同作用，因此，為了提高網(wǎng)箱的可靠性及安全生產(chǎn)，在網(wǎng)箱設(shè)計(jì)與安裝之前，有必要運(yùn)用工程分析方法研究網(wǎng)箱的力學(xué)性能。網(wǎng)箱由柔軟的網(wǎng)衣、繩索以及剛性的框架等組成，屬于柔性體與剛性體的復(fù)合體，研究這類(lèi)結(jié)構(gòu)的力學(xué)

2、性能時(shí)通常采用的方法有實(shí)地觀測(cè)、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬越來(lái)越受到普遍重視并得到廣泛應(yīng)用，因此，本文集中于網(wǎng)箱的數(shù)值模擬研究，開(kāi)發(fā)可行的數(shù)值工具，進(jìn)而利用計(jì)算機(jī)模擬來(lái)分析與探討網(wǎng)箱的一些基本性能。 本文運(yùn)用工程上的集中質(zhì)量方法建立了網(wǎng)衣的數(shù)值模型，把網(wǎng)目目腳視為線性桿元，并假設(shè)元素只承受軸向的拉力；集中質(zhì)量點(diǎn)設(shè)置在元素的兩個(gè)端點(diǎn)上，并將元素的質(zhì)量平均分到這兩個(gè)端點(diǎn)上，由此，獲取集中質(zhì)量點(diǎn)上的質(zhì)量；對(duì)

3、于元素上的水動(dòng)力，按照?qǐng)A柱體構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算，并將所有的外力平分到元素的端點(diǎn)上，即認(rèn)為所有的外力作用在質(zhì)量點(diǎn)上；因此，整個(gè)網(wǎng)衣便可以采用由許多質(zhì)量點(diǎn)和輕桿元素構(gòu)成的離散模型來(lái)模擬。最后運(yùn)用牛頓第二定律對(duì)集中質(zhì)量點(diǎn)建立運(yùn)動(dòng)方程。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將網(wǎng)箱的浮框和底框上假設(shè)為剛體，按照水下自由剛體的運(yùn)動(dòng)特征，對(duì)網(wǎng)箱框架建立了控制方程。將網(wǎng)衣結(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程和網(wǎng)箱框架的運(yùn)動(dòng)方程聯(lián)合，得到整個(gè)網(wǎng)箱的運(yùn)動(dòng)方程組。由于網(wǎng)箱的運(yùn)動(dòng)方程是非線性的，本文采用了可變步

4、長(zhǎng)的Runge-kutta方法進(jìn)行求解，得出網(wǎng)箱在時(shí)域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。相對(duì)于流場(chǎng)中網(wǎng)箱的靜態(tài)模擬方法，本文方法不但可以得到網(wǎng)箱的靜態(tài)行為，還可以獲得網(wǎng)箱的動(dòng)態(tài)行為。 本文假設(shè)網(wǎng)箱受到定常水流的作用，模擬出了網(wǎng)箱從靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)直至再次處于平衡狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。根據(jù)本文模型，開(kāi)發(fā)出了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序，運(yùn)用程序計(jì)算出研究對(duì)象在時(shí)域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，在此基礎(chǔ)上，由程序進(jìn)行相應(yīng)的后處理，包括顯示網(wǎng)箱變形后的形狀、可視化網(wǎng)衣的張力分布，獲取網(wǎng)箱的阻

5、力、容積損失等，可以非常方便地獲取網(wǎng)箱的一些性能參數(shù)。 本文計(jì)算了定常流場(chǎng)中5個(gè)網(wǎng)片和3個(gè)網(wǎng)箱的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，分析了定常流場(chǎng)中網(wǎng)片、網(wǎng)箱的動(dòng)態(tài)行為以及網(wǎng)箱的一些基本性能。為了檢驗(yàn)本文模型的正確性，進(jìn)行了水槽試驗(yàn)，比較了平衡狀態(tài)時(shí)的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果。 本文模型計(jì)算的網(wǎng)片平衡形狀與觀測(cè)圖形基本吻合，相對(duì)于試驗(yàn)網(wǎng)片，計(jì)算的網(wǎng)片橫向位移和上升高度稍微小一些，為了定量比較網(wǎng)片形狀的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，從網(wǎng)片上取了幾個(gè)特征值。對(duì)于參考

6、試驗(yàn)網(wǎng)片2，I/H計(jì)算值的平均誤差為4％；對(duì)于本文試驗(yàn)中的3個(gè)網(wǎng)片，特征尺寸的平均誤差最大為6.3％。由于水動(dòng)力系數(shù)的設(shè)置及模型沒(méi)有考慮網(wǎng)衣結(jié)點(diǎn)上的阻力等原因，模型低估了網(wǎng)片平衡狀態(tài)時(shí)的阻力。對(duì)于參考試驗(yàn)網(wǎng)片2，計(jì)算阻力值的平均誤差為6.5％，對(duì)于本文試驗(yàn)的3個(gè)網(wǎng)片，網(wǎng)片B的阻力計(jì)算值誤差較小，平均誤差為8.45％，網(wǎng)片C的阻力計(jì)算值誤差較大，平均誤差為23％。 在低速流時(shí)，計(jì)算的網(wǎng)箱形狀與試驗(yàn)結(jié)果比較接近，當(dāng)流速較高時(shí)，計(jì)算結(jié)

7、果的誤差變大。在網(wǎng)箱上取了3個(gè)特征值，結(jié)合底框的傾斜角，定量比較網(wǎng)箱平衡形狀的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果。如果不考慮0.8m/s流速時(shí)的結(jié)果，多數(shù)特征尺寸平均誤差小于8％，底框傾角的平均誤差介于8.8-18.3％之間。在0.8m/s流速時(shí)網(wǎng)箱阻力的計(jì)算值高于試驗(yàn)值，而其他3個(gè)流速時(shí)的阻力計(jì)算值低于試驗(yàn)值。模型低估網(wǎng)箱阻力的平均誤差介于6.4-11.3％之間。 本文的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果均顯示，在水流的作用下，網(wǎng)箱網(wǎng)衣容易發(fā)生變形，有效的養(yǎng)

8、殖容積減小，迎流面面積變小；當(dāng)配重方式相同時(shí)，流速越大網(wǎng)箱的變形越大，網(wǎng)箱有效的養(yǎng)殖容積越小，網(wǎng)箱的阻力越大：對(duì)于本文的網(wǎng)箱模型，當(dāng)流速低于0.4m/s時(shí)，水流引起的網(wǎng)箱變形不大，當(dāng)流速超過(guò)0.4m/s后，網(wǎng)箱變形對(duì)水流的響應(yīng)變大，即流速的增加很容易引起網(wǎng)箱的變形，結(jié)果表明，在流速0.4-0.6m/s范圍內(nèi)，存在網(wǎng)箱的變形點(diǎn)，即當(dāng)流速低于變形點(diǎn)的流速時(shí)，網(wǎng)箱對(duì)流速響應(yīng)較小，因此，可以利用變形點(diǎn)確定配重的大小；由于網(wǎng)箱受流作用后發(fā)生相應(yīng)的

9、變形，部分地抵消了流速增加的作用，因此，網(wǎng)箱的阻力與流速不成平方關(guān)系，二者基本成線性關(guān)系；三種配重方式的結(jié)果比較顯示，配重增大，網(wǎng)箱的變形變小，養(yǎng)殖容積與迎流面面積增大，這說(shuō)明增加配重可以在一定程度上改善網(wǎng)箱的變形，由于網(wǎng)箱變形得到改善后，網(wǎng)箱的迎流面面積變大，使得網(wǎng)箱的阻力增加；模擬的網(wǎng)線張力分布表明迎流面上的網(wǎng)線具有較大的張力，尤其是靠近浮框部分的網(wǎng)線。 本文在第5章引入波浪場(chǎng)，介紹了波浪場(chǎng)中網(wǎng)箱主要構(gòu)件的處理方法，并通過(guò)算

10、例，模擬了波浪場(chǎng)中固定的網(wǎng)片結(jié)構(gòu)和漂浮式網(wǎng)箱模型的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。結(jié)果表明本文模型可以應(yīng)用于波浪場(chǎng)中網(wǎng)箱的模擬，但是如果要利用本文模型研究波浪場(chǎng)中網(wǎng)箱的響應(yīng)特征，還需要借助水槽試驗(yàn)等手段較為精確地確定出模型中的一些基本參數(shù)。 總體而言，本文模型可以有效地模擬出網(wǎng)片、網(wǎng)箱這類(lèi)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，可用來(lái)研究與分析網(wǎng)箱的力學(xué)性能，計(jì)算結(jié)果可為改善網(wǎng)箱的設(shè)計(jì)與安裝等提供理論上的參考依據(jù)。為了提高計(jì)算結(jié)果的精度，今后需要進(jìn)一步完善本文的模型，并借助