網衣波浪水動力學研究.pdf

1、網漁具和網箱是海洋漁業(yè)生產(海洋捕撈和海水養(yǎng)殖)的重要工具和設施，網衣是它們的主要構件。與其他海洋結構物一樣，網衣及其構成的漁具和漁業(yè)設施在海洋中要承受風、浪、流等水文環(huán)境因子的作用，其生產效能和安全性能與所承受的水動力相關。水流作用的水動力研究可借鑒傳統的漁具力學理論，而與波浪作用的研究未受到足夠重視，引起波浪對水表層網漁具和海水網箱養(yǎng)殖設施等的作用超出了承受限度，帶來了一系列的生產損失，削弱了海洋漁業(yè)向縱深發(fā)展的動力，也制約了漁具力

2、學的進一步發(fā)展。 本研究是在依據波浪理論和漁具力學理論的分析基礎上，利用現代設備與技術，設計了網衣波浪水動力的水槽試驗，研究了網衣在波浪中的水動力特性和波浪響應，計算得到了網衣波浪力的計算公式和處理方法，同時與實際漁用網衣的波浪試驗進行對比分析，提出傳統的漁具力學在網衣波浪力計算中的修正方法，并在小尺度網箱波浪力學中計算應用和實驗論證，由此可推廣到實際網箱及網漁具的波浪水動力計算應用，為遠洋漁業(yè)和設施漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供技術依據，

3、為漁具力學的發(fā)展提供基礎理論。 在理論上，本文結合傳統的漁具力學和海洋工程波浪力學理論，提出了網衣波浪力學的概念、成因和組成。按因次和諧方法，導出了網衣波浪力的一般公式，分析了與網衣波浪力的相關物理量，它們分別為網衣的主體尺寸(寬度和高度)、特征參數(網線粗度、網目大小和縮結裝配)，波浪參數(波高、波長和周期)及海域條件(水深、網衣與波向的沖角及系泊方法)。各種物理量在波浪中共同作用，形成網衣在波浪中的一些相似現象。同時網衣在波

4、浪中有六種運動趨勢：沿波向、側向和垂向的振蕩移動及繞這三個方向的振蕩轉動，形成復雜的迭加運動。 在網衣水槽的波浪試驗中，根據波浪運動的復雜性，采用了自制的傳感器與應變采集儀、應變放大器、波高儀和計算機聯機，組成網衣波浪水槽試驗的采集系統，開發(fā)了數據采集處理軟件，波浪力的測試精度達到99.91％。設計10種網衣，與HDPE框架裝配成系列網衣構件，首先應用預加張力放射法來約束構件在波浪中的運動，分別按不同的波浪工況、網衣尺度和沖角分

5、別進行波浪試驗，同步采集網衣構件水平波浪力和波浪參數。在試驗數據處理中，應用“三次樣條”方法對網衣構件和框架波浪試驗進行擬合，得出網衣的水平波浪力數值。當網衣垂直于波向時，水平波浪力的變化規(guī)律與波浪的一致(周期性和不對稱性變化)，和波面圖極其相似，通過波浪力和波浪的相位差計算，波浪力變化曲線呈現司托克斯二階波形狀，波峰較陡，波谷較平坦，作用在網衣上的波浪力從水面到水下逐步減少分布；網衣波浪力大約與波高的2.5次方、波長的0.8次方成比例

6、，與網衣的寬度、特征參數d／a線性相關；網衣沉沒在一定水深時，網衣高度變化對波浪力峰值影響不大。當網衣平面與波向有沖角時，波浪力與沖角的構成形式相關，沖角為左右傾時，波浪力均與沖角弧度數的1.58次方相關；后傾和前傾時，波浪力分別與傾角的．2.15和2.04次方相關，并且后者在每個變化周期內，至少出現了兩次峰值。 其次，應用單點系泊方法進行網衣構件的波浪水槽試驗，構件在水槽中作來回周期性直線運動，當試驗波浪周期較小時，構件的來回

7、運動不明顯，主要以波浪運動為主，水動力峰值大體上呈周期性均勻變化；而當周期較長、波高較高時，構件在水動力的作用下產生了與波向相反的長周期漂移運動，有較大振幅的位移、速度和加速度，誘發(fā)了水動力的最大值。水動力變化呈現：峰值短周期不均勻變化、最大值長周期變化和零拉力周期變化的規(guī)律。試驗結果顯示，在周期1．2、1.4、1.6、1.8s情況下，參數d／a最大值的網衣構件，其單點系泊試驗水動力最大值是固定系泊計算水動力最大值的平均1.71、1.8

8、3、2.13、2.24倍，最大達3.61倍，表明在波浪條件下單點系泊構件水動力有較大的增加。 再次對波浪力成分進行了分析，作用在網衣上的波浪力主要由拖曳力和慣性力組成，而網衣水平波浪力極大值一般由拖曳力組成，慣性力只在迭加過程中起作用。應用多元逐步相關分析和多元線性回歸計算，當網衣垂直于波向時，得出網衣水平波浪力最大值的經驗公式：F=2669．4F-L<'0.79>，a<'-1.48>d<'1.06>l<'1.05>物理量依次為

9、波高(H)、波長(L)、網目大小一半(口)、網線直徑(d)、網衣寬度(l)。由上述五個物理量組成回歸復相關系數為0.9742，偏相關系數依次為：0.9989、0.9307、0.9985、0.9986、0.9185，相對來說波浪力與波高是緊密相關。進而又根據網衣前后波浪參數的變化情況，初步探討了網衣的消浪能力，網衣的波浪反射系數和透射系數(消浪能力)與網衣尺度、參數等有一定的關系。 然后依據莫里森方程和巴拉諾夫計算方法，分析和推導

10、了網衣波浪力的計算方法，并與實際漁用網衣波浪試驗進行計算對比分析，以上兩者的理論計算值一般要大于試驗值，平均誤差分別為10％和20％以上。結合網衣波浪試驗的經驗公式，提出了水平波浪力系數的調整建議，從而系統給出了應用不同的波浪理論來計算網衣水平波浪力的三種計算方法，初步補充了網衣波浪力學內容。另外應用以上計算方法，對網衣試驗的波浪力系數進行分析，通過無因次量計算發(fā)現，網衣波浪力系數不是一個恒定值，有很大的離散性，與波浪參數、網衣尺寸、結

11、構和相應的一些無因次量相關。 最后，應用網衣水平波浪力計算公式，對小尺度方形網箱波浪力學進行計算，并與該網箱的波浪水槽試驗進行對比分析，發(fā)現這三種方法計算結果與試驗情況比較接近；同時分別應用正弦波理論和司托克斯二階波理論來計算網箱波浪力，與試驗情況進行對比研究，說明了不同的波浪理論在網衣波浪力計算中的必要性；然后根據以上計算方法，對實際網箱和表層拖網在極限生產海況條件下進行了水動力的計算，為網箱和漁具的設計制作與海上生產提供理論