波浪高度及方向对桩柱式围网养殖系统网片水力特性的影响

陈天华，孟 昂，桂福坤



波浪高度及方向对桩柱式围网养殖系统网片水力特性的影响

陈天华，孟 昂，桂福坤※

（浙江海洋大学国家海洋设施养殖工程技术研究中心，舟山 316022）

浅海围网养殖是一种生态型养殖模式，桩柱式围网是其中最为典型的模式之一，主体由排桩和网片组成。围网网衣系统安全是决定围网工程安全的关键所在。针对桩柱式围网，采用数值模拟方法对其主要构成部件单元网片在波浪条件下的变形和受力等水力特性进行了研究，重点分析了波高（1、2、3、4、5 m）和波向（10°、30°、50°、70°、90°）条件下围网网片的网线张力分布、结节偏移和桩柱系缚点受力特性及影响关系。结果表明，桩柱式围网单元网片的网线最大张力部位主要出现在网片上端两侧位置，应用时建议强化顶部纲绳的设计考虑；波向为30°～70°时，网线最大张力有一段较小的增加量，而结节最大偏移随波向的增大而增大；网片与桩柱系缚点的最大受力呈现两端大中间小的现象，建议强化顶部和底部系缚点。以上研究结果可为桩柱式围网工程设计与安装提供参考。

水产养殖；计算机仿真；模型；围网养殖；单元网片；水力特性；波浪

0 引 言

浅海围网养殖是继陆基工厂化养殖、岸边滩涂养殖和围塘养殖、浅海网箱养殖之后研发的一种新兴的海水生态养殖模式，养殖密度低于网箱养殖，单位面积投喂强度低，对环境的冲击较小。浅海围网养殖水体大，单位成本投入低，养殖产品品质在集中养殖模式中最为接近自然生态，养殖对象可自由避台风、多强流，存活率很高[1-2]。但该种养殖模式尚处于起步阶段，尚有诸多关键技术问题有待解决。如设施抗风浪安全问题，尽管浅海围网设施尺度大，柔性好，理论上抗风浪性能[3]好，但仍需重点考虑网衣系统在波浪、水流等水动力环境下的结构破坏、网衣缠结等安全问题。

目前，国内外在渔具、网箱等养殖设施领域的网衣水动力特性已有较多研究[4-5]，如李金鑫[6]利用试验以及数值模拟相结合的方法进行了网箱关键水动力参数阻力系数C的研究，并且研究了平面网衣及整体网衣在水流中的结构动力响应。刘莉莉等[7]应用有限元方法与集中参数法建立了张网在波流场中的数值模型，通过数值模拟来研究张网在波流作用下的水动力特性，并将数值计算结果与水槽模型试验结果进行比较，符合良好。Tsukrov等[8]应用有限元法建立了网片在波浪和水流环境负荷下的水动力响应模型，并将其结果应用到计算张力腿网箱中。陈鹿[9]对尼龙有结节菱形网片与旋转90°后的有结节菱形网片的水动力进行了试验比较研究，再利用MATLAB建立网片模型，模拟固定在方形框架上的尼龙网片，获得在恒定流作用下的张力分布以及网片空间形状。董国海等[10]采用质量集中法和刚体运动学原理，建立重力式网箱数学模型，模拟在波流逆向和波流同向作用于深水重力式网箱时的运动响应和锚绳力，最终得出波流同向对重力式网箱的破坏比波流逆向严重。Fredriksson等[11]通过物理模型和数值模拟技术，结合现场勘测，对网箱及其系泊系统动力学进行了研究，采用随机法分析了网箱的动态响应特性和锚绳对波浪力的负载响应，得出物理模型可以清楚地显示倾斜共振，数值模型可以很好地预测系缆的张力。王敏法[12]和周成[13]通过建立围网系统的三维动力模型对金枪鱼围网网具在水流下的运动变形和受力进行了动态模拟研究，再利用模型试验和海上实测数据进行了模型修正和验证，最后预测了在各种海况和工况条件下网具的沉降性能和空间形态等作业性能。叶卫富等[14-15]通过模型试验对浮绳式围网的水动力特性进行了初步研究，受试验条件影响，测试内容及结果的应用有一定局限性。

浅海围网工程的网衣系统与深水网箱、捕捞渔具结构上有较多不同，网衣系统安全是决定围网养殖工程安全的关键所在。典型的浅海围网模式有3种：桩柱式围网、岸联式围网和浮绳式围网。桩柱式围网结构上有其特殊性，主要由管桩和网片构成，对围网网衣系统的水动力研究目前少有报道。因此，本文采用集中质量点法对桩柱间单元网片建立了波浪作用下的网片数学模型，并通过计算机数值模拟研究了在不同波高和波向条件下围网网片的网线张力分布、结节偏移和系缚点受力，以期为桩柱式围网设计、制作、海上敷设和围网抗风浪技术的研发等提供参考。

1 数值模拟

1.1 数学模型

围网网片属于典型的柔性结构物，可采用集中质量法进行模拟。假定网片是由有限的无质量弹簧连接的集中质量点所构成，通过计算集中质量点在波浪和边界条件作用下的位移，来得到网的形状[16-18]。模型的集中质量点设于每个网目目脚的两端，每个集中质量点包含网目的一个结节和2个目脚，如图1所示。

网衣集中质量点受力主要包括重力、浮力、网线张力、速度力及惯性力等。网衣受到的波浪力可根据莫里森方程[19]来计算。为了简化计算，本文假定网目的结节为圆球，其水动力系数在运动方向上是恒定的；把目脚看作为圆柱形杆件，所以它具有圆柱的水动力性质，其水动力系数是有方向性的，和水质点的相对运动速度方向有关[16-18]。在计算目脚的波浪力时需考虑波浪入射方向与网线夹角关系，本文在目脚上建立局部坐标系（,,）,方向为沿目脚方向，轴在和水质点相对速度V（见式（1））组成的平面内与垂直，轴与和V组成的平面相垂直[20-22]。

式中V为水质点相对速度，m/s；水为水质点速度，m/s；0为构件速度，m/s。

在整体坐标下，局部坐标系的，，轴单位矢量可以通过已知的水质点相对速度V和目脚方向=（1−01−0,1−0）向量叉乘得到，为

式中（1,1,1）和（0,0,0）为目脚两端集中质量点的坐标；（x,y,z），（x,y,z）和（x,y,z）为局部坐标系（,,）3个轴的单位矢量坐标。

所以直接通过向量运算建立网线目脚的受力公式，如式（3）所示。

展开为式（4）和式（5）

式中目脚和目脚为网线目脚受到的速度力和惯性力，N；，和为速度力在局部坐标系上的分量，N；，和为惯性力在局部坐标系上的分量，N；ρ表示水体的密度，kg/m3；"表示网线构件的体积，m3；表示波浪水质点的速度矢量，m/s；A，A和A为目脚在局部坐标系3个方向上的投影面积，m2；C，C和C为局部坐标系3个方向上的速度力项系数；C，C和C为局部坐标系3个方向上的惯性力项系数。

在整体坐标系下将各集中质量点所包含的结节和目脚的受力进行累加，并将其分配到集中质量点上，然后利用牛顿第二定律建立质点运动方程。网衣模型简化后的质点运动方程[16-18]为

式中∆、分别表示各集中质量点的附加质量和质量，kg；表示各集中质量点的加速度矢量，m/s2；表示集中质量点所受到的张力矢量，N；、分别表示集中质量点的速度力矢量和惯性力矢量，N；表示质点的重力矢量，N；表示质点的浮力矢量，N；C表示速度力项系数；表示网线沿波浪方向的投影面积，m2；C表示惯性力项系数；C表示附加的质量力项系数；为网线直径，m；0为网线原始长度，m；为变形后的长度，m；1、2为构件材料弹性系数。

1.2 计算方法

建立的质点运动方程为典型的二阶偏微分方程，可采用欧拉法、龙格库塔法[23]等多种方法求解。本文利用Fortran软件编程计算求解，采用欧拉法即可获得良好的收敛性。计算中首先根据网片的初始状态，计算网线上的波浪力以及网线变形所产生的拉力，基于质点运动方程求解出质点的加速度，然后根据向前欧拉公式

式中x为时间，为时间步长，s；为加速度，m/s2；y为当前的速度，y+1为下一时间步长的速度，m/s。

可求出下一时间步长的质点位移和速度，从而确定网片形状，最后以求出的质点位置和速度作为网片新的状态参数，重复上述步骤直至结束。

1.3 模型验证

本文引用文献[24]中的预加张力放射法系泊网衣波浪试验情况，利用1.1节和1.2节的模型和方法对该文献物理试验使用的渔用网衣J，在波浪周期1.6 s试验条件下进行了1:1的数值模拟（即数值模拟中的模型尺寸和条件与物理试验一致）。网衣J尺寸为90.5 cm×80.6 cm（宽×高），材料为PE，单死结，缩结系数均为0.707，网目大小4 cm，网线直径1.95 mm，网目数32×28.5。网衣框架为HDPE空心管材，管材外径14 mm，框架底部距离池底100 mm，水深0.7 m，波高50～250 mm，波浪是恒定波向的规则波。网衣构件由框架、网衣及连接拉线细钢丝绳（8股，质量轻、无弹性，不伸缩）所组成，波浪测试时构件受到与波向一致测力拉线连接形成预加张力，在预加张力的作用下，钢丝绳不会产生抖动。并通过其他拉线把整个试验构件约束在外框架上，不会产生6种自由度运动效应，保证除了水平方向波浪力可以测定外，其他方向的约束不会影响水平方向力的测定。

图2给出了各种波高下网衣水平波浪力最大值的模拟结果。由图2可知，在各种不同的波高条件下，网衣水平波浪力最大值的模拟值和试验值吻合较好。

1.4 计算参数选取

桩柱式围网所用网衣有多种材质，大多采用PE网和超高分子量纤维网，有些围网也采用金属网（如铜网[25-26]）。网衣的尺寸也有所不同，单元网片一般宽度为3～5 m，高度一般6～10 m，如图3所示。本文重点研究波浪对桩柱间网片不同部位受力分布特性的影响，为简化模型，网片全部采用PE材质，网片尺度为：3 m×6 m（宽×高），网目大小2=8 cm，网线直径=3 mm，水平缩结系数0.66，垂直缩结系数0.75，网目数量为5 376个。波浪采用线性波浪理论，传播方向为轴方向，水深10 m。为避免波浪条件下，网片露出水面而导致受力差异，研究时，网片水下布置深度为二分之一波高。研究时，波高取1、2、3、4和5 m，波向取10°、30°、50°、70°和90°。波浪周期根据深水波陡按1:20进行设计。网片四边用10 mm绳索加径，如图4a所示。网片通过左右两边各5个系缚点等间距固定于桩柱上，固定点间距为1.5 m，如图4b所示。由于计算中网片结节数较多，为减少计算时间提高计算效率，采用网目群化方法[27-30]将相邻64个网目合并为一个等效大网目。

2 计算结果及分析

2.1 波高对围网网片水力特性的影响

本文研究波浪入射角为90°（即波浪入射方向与网片平面垂直）时，5种不同波高条件下围网网片的网线最大张力和结节最大偏移，以及网片与桩柱系缚点的受力特性。结节最大偏移指的是网衣变形后的结节到网片初始平面的最大距离。网片与桩柱系缚点受力指的是与系缚点直接相连的网线张力的矢量和，如2号系缚点受力=网线A张力+网线B张力+网线C张力+网线D张力。

2.1.1 最大网线张力与结节偏移

如图5a所示，网线最大张力出现在网片上端两侧位置，最大偏移位置位于网片上部。图5b给出了网线最大张力值与波高的关系。由图5b可知，网线最大张力随波高增大而增大，结节最大偏移量同样随波高增大而增大。

a. 网线最大张力和结节最大偏移部位

a. Position of maximum tension of line and maximum offset of nodes

2.1.2 围网网片上下缘纲的最大张力与偏移特性

如图6a所示，上下缘纲最大张力都主要出现在两侧位置，最大偏移位置分别位于上下缘纲的中间位置。图6b给出了网片的上下缘纲[31]最大张力值与波高的关系。由图6b可见，上下缘纲最大张力与上下缘纲最大偏移量都随波高增大而增大。

a. 上下缘纲最大张力和最大偏移部位

a. Position of maximum tension and maximum offset of top and bottom cable

2.1.3 围网网片与桩柱系缚点之间的最大受力

图7给出了网片与1号－5号桩柱系缚点（见图4b）之间的最大受力分布与波高的关系。由图7可知，1号－5号系缚点最大受力随波高增大而增大，而且1号和5号系缚点的最大受力比2、3、4号系缚点增加的更快。其中，1号系缚点的最大受力比其他系缚点的最大受力大，5号系缚点的最大受力仅次于1号系缚点，比2、3、4号系缚点的最大受力大（波高1 m时除外，因为此时波浪能量在深水中已被衰减至很小）。同时，随着波高的增大，这种受力差别越大，表明波高对1号和5号系缚点受力的影响比对2、3、4号系缚点受力的影响更大。因此，对网片首尾两端的系缚点进行加固是非常必要的。

2.2 波浪入射方向对围网网片水力特性的影响

本文研究波高=3 m，周期=7 s时，波浪入射方向对围网网片的网线最大张力和结节最大偏移，以及网片与桩柱系缚点受力的影响。

2.2.1 最大网线张力与结节偏移

如图8a所示，网线最大张力出现在网片上端两侧的位置；网片与波浪入射方向成10°时，结节最大偏移出现在网片左上和右上2个部位，而其他角度时出现在网片中上部，如图5a所示。图8b给出了网线最大张力值与波向的关系。由图8b可见，网线最大张力随波向变大有较小的增加，而结节最大偏移量随波向增大而增大。

2.2.2 围网网片上下缘纲的最大张力与偏移特性

图9给出了网片的上下缘纲最大张力值和最大偏移量与波向的关系。由图9可知，上下缘纲最大张力随波向的变大都有较小的增加，而最大偏移量都随波向增大而增大。不同波向时的上下缘纲最大张力和最大偏移出现的位置与不同波高时其出现的位置相同，见图6a。

2.2.3 围网网片与桩柱系缚点之间的最大受力

图10给出了网片与1号—5号桩柱系缚点之间的最大受力分布与波向的关系。由图10可知，系缚点最大受力随波向增加有所增大。同时，1号和5号系缚点的最大受力明显大于2、3、4号系缚点的最大受力，且1号系缚点的受力最大，5号系缚点仅次于1号系缚点。

a. 波向10°的网线最大张力和结节最大偏移部位

a. Position of maximum tension of line and maximum offset of nodes at 10° wave direction

3 讨 论

3.1 波高对围网网片水力特性的影响

本研究发现，由于网片两侧系缚点较多，纲绳被均匀划分成多个小段，而上下缘纲[31]只有2个系缚点约束，比两侧的纲绳承受更多的波浪力，加上波浪随水深的变化[32]，因此最大张力发生在网片上缘纲两端，即加径绳上，表明对网片四边进行加径处理是非常必要的。同时，网线直径相比纲绳较小，网线比纲绳更易发生变形，而且网片中间无约束，加上波浪随水深变化，因此最大偏移发生在网片上部。在实际工程中，网片的最大偏移量及发生的部位是网片编排和设备安装的重要指标，在最大偏移量以内应避免有障碍物，否则易导致网线因磨损而断裂。网片的上下缘纲因为受两端系缚点约束，在波浪作用下两端会承受很大的张力，因此有必要对这两处位置进行特殊加径处理。但是波高为1 m时，波浪能量在深水中已被衰减至很小[32]，所以导致下缘纲整体受力均匀且较小。上下缘纲中间无约束因此变形最大都在中间。网片首尾系缚点与其他系缚点相比多了一根横向的纲绳与之相连，而网片中的网线在波浪作用下的受力，一部分由中间系缚点承担，剩余大部分都是通过上下缘纲传递到顶部和底部系缚点上，因此，顶部和底部系缚点是整个网片的主要承受部位。所以两侧系缚点受力呈现两端大中间小的现象。顶部系缚点受力最大是由于波浪能量随水深变化引起的。

3.2 波浪入射方向对围网网片水力特性的影响

同理，网线最大张力出现在网片上端两侧位置，可见，网线最大张力的位置与波向无关，始终出现在加径绳上，这也表明对网片四边进行加径处理是非常必要的。波向10°时网线最大张力为239 N，波向30°时网线最大张力为228 N，两者相差在5%以内，符合误差范围，而波向70°和90°时的网线最大张力相等，都为300 N，因此，网线最大张力随波向变化的主要增加段在30°和70°之间，小于30°和大于70°时网线最大张力随角度变化相对较小，这从上下缘纲的张力变化也同样能看出。上下缘纲的最大张力都在缘纲的两侧，偏移最大的部位都在缘纲的中间，可见，并不受波向的影响。但是有必要对缘纲两侧进行特殊加径处理。同样，由于上下缘纲的影响，系缚点受力呈现首尾两端大中间小的现象，随波向增大有所增加，在30°和70°之间变化较大，小于30°和大于70°时变化较小，因此，除了对所有系缚点加固外，对网片首尾两端的系缚点进行特殊加强是非常必要的。

4 结 论

通过数值模拟的方法研究了桩柱间单元网片在波浪条件下的水力特性，分析讨论了不同波高和波向下的网线最大张力、结节最大偏移和网片与桩柱系缚点最大受力，研究得到以下基本结论：

1）波高对网线最大张力和结节最大偏移都有显著的影响，网线最大张力和结节最大偏移随波高的增大迅速增加。网线最大张力发生在网片上端两侧，结节最大偏移发生在网片上部，位置都不受波高影响。

2）在波向为30°～70°时，网线最大张力有一段较小的增加量，而在小于30°和大于70°时网线最大张力变化相对较小。而结节最大偏移随波向的增大而增大。网线最大张力发生在网片上端两侧，不受波向影响。

3）网片与桩柱系缚点受力呈现两端大中间小的现象。顶端和底部系缚点受波高影响较大，中间系缚点受波高影响较小。随波向增大系缚点受力整体有所增加，在波向为30°～70°时较为明显。

实际应用时，建议在桩柱式围网养殖工程设计和施工中强化顶部纲绳以及顶部和底部系缚点的设计考虑，从而有效降低风险率。同时网片的最大偏移量及发生部位是网片编排和相关设备安装的重要指标，需要注意合理设计相关的间距，在最大偏移量以内应避免有障碍物，防止网线和缆绳因触碰摩擦而发生断裂，确保网线安全。

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Effect of wave height and direction on hydraulic characteristics of net of pile-column type net enclosure aquaculture system

Chen Tianhua, Meng Ang, Gui Fukun※

(,,316022,)

The net enclosure aquaculture (NEA) is a new developing ecological aquaculture pattern in shallow water. The typical patterns include the pile-column type NEA, the shore-cascade type NEA and the floating rope NEA. The pile-column type NEA is mainly composed of piles and net panels. The net system is one of the most important factors which affect the security of the whole NEA system. Because of its especial structure, there are few related reports. Therefore, it is of great significance to carry out research on the hydraulic characteristics of unit net of pile-column type net enclosure in waves. Because unit net belongs to the typical flexible structure, the computing model can be established by the lumped mass point method. Based on Newton’s second law, the equation of particle motion was established to illustrate the motion response of net panel in wave. Wave force can be calculated through the Morison equation. The equation of motion is a typical second order partial differential equation. There are a variety of methods to solve the equation, such as the Euler method and the Runge-Kutta method. In this paper, the program was computed in code, which could obtain a good convergence by using the Euler method. Firstly, the wave force on cables, and the strain produced by the cable deformation were calculated, with the assumption that the net panel was plane without deformation at the beginning. Secondly, the motion equations of each lumped point, which were typical second order partial differential equation, could be obtained according to the Newton equation. Then, the forward Euler’s method was used to calculate the particle displacement and velocity at the next time step. Finally, the particle position and velocity were taken as new state parameters of net panel, and the above steps were repeated until the end of time. The results showed that wave height and wave direction had a significant effect on the maximum tension force in twines, the maximum displacement of nodes and the maximum load at fixing points. The maximum tension of netting twine mainly appeared on both sides of the top position of the net panels and it increased with the wave height increasing. Remarkable increase of the maximum tension in netting twines was found when the wave direction was between 30º and 70º. The maximum offset of net panels was observed mainly at the mid-upper position of the net and it showed a positive correlation with the wave height and wave direction. The maximum load at the fixing points on the pile-column appeared at the top point. The second maximum load point occurred at the bottom. Both of them were much larger than those at the middle fixing points. Therefore, in actual engineering, it is suggested that the fixing points at the top and bottom should be strengthened peculiarly, and the cables at both ends of the top and bottom net should be thickened. At the same time, the maximum offset and corresponding position are important indices for the layout of net and the installation of relevant equipment. So, the reasonable design of related spacing should be considered and the affiliated structures should not be installed within the maximum offset scope to prevent the cables and lines from breaking due to touching and friction. The results of this study are expected to provide theoretical basis and technical support for the design, production and offshore installation of the pile-column type NEA engineering.

aquaculture; computer simulation; models; net enclosure aquaculture; unit net panel; hydraulic characteristic; wave

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.034

TV13

A

1002-6819(2017)-02-0245-07

2016-08-27

2016-12-10

国家自然科学重点基金（51239002）；国家海洋局公益专项（201505025-2）；舟山市海洋专项（2015C41001）

陈天华，男，浙江新昌人，主要从事海洋养殖工程技术研究。舟山 浙江海洋大学国家海洋设施养殖工程技术研究中心，316022。 Email：809929628@qq.com

桂福坤，男，江西鹰潭人，教授，博士，主要从事海洋养殖工程技术研究。舟山 浙江海洋大学国家海洋设施养殖工程技术研究中心，316022。Email：gui2237@163.com

陈天华，孟 昂，桂福坤. 波浪高度及方向对桩柱式围网养殖系统网片水力特性的影响[J]. 农业工程学报，2017，33(2)：245－251. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.034 http://www.tcsae.org

Chen Tianhua, Meng Ang, Gui Fukun. Effect of wave height and direction on hydraulic characteristics of net of pile-column type net enclosure aquaculture system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(2): 245－251. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.034 http://www.tcsae.org