流场中圆形养殖网箱动态响应分析

林为付

（湛江经纬实业有限公司，广东 湛江 524081）

引言

基于计算机现代化信息技术、网络技术快速发展，在流场中圆形养殖网箱动态响应分析过程中，加强对数值模拟方法的应用，依托计算机进行模拟分析，通过建立网箱网衣数值模型，更好掌握养殖场网箱的性能情况。因此，相关研究人员认为，有必要深入研究网箱的动态响应情况，切实提高养殖场网箱使用的安全性，保证水产品养殖品质，更好满足人们的需求。

1.养殖网箱平台设计

相关设计人员在具体设计养殖网箱平台过程中，结合国内外养殖平台设计经验优化设计，加强对先进技术的应用，结合养殖场实际应用需求，加强对平台直径、总高度、主结构高度等相关参数的设计，为增强平台功能作用，在平台设计中增设了渔网清洗系统、活鱼捕捉系统、自动化保障系统等，安装一定数量的传感器装置，增设了水上监控设备，保证了养殖网箱平台向智能化、自动化功能使用。同时，对养殖场网箱平台进行试验，通过模拟试验证实了养殖场平台设计的可行性，在海况中的状态较好。与传统的网箱比较，优化设计后的网箱平台，能够有效控制网箱网衣变形情况，降低了水流引发的损失，对海洋养殖产生了积极的影响，促使鱼类健康生长，提高了养殖量，对鱼体伤害程度低。

为保证养殖网箱平台的应用效果，设计人员在实际设计过程中，加强对平台使用稳定性的考量，加强初稳性、静稳性及完整稳性试验，反复校核养殖网箱平台稳定性；使用数字模拟法计算平台程序，使用了相关的软件辅助计算，确保养殖网箱平台符合实际使用标准。分析养殖网箱平台水动力相应情况发现，能够在海洋水域环境中快速响应，通过试验验证，设计人员逐步优化和完善了平台程序相关参数的设定，加强水动力计算，为海洋养殖产业发展夯实了坚实的基础。

2.分析圆形养殖网箱结构及流场中网片动态响应模拟实验

2.1 网箱结构

流场中圆形网箱主要由框架系统、网衣系统、锚泊系统组建而成。

（1）框架系统：包括浮框、扶手管、支架，各个组件主要使用的是HDPE材料；框架系统中的浮框对网衣起到支撑作用，整个圆形网箱依托浮框浮管的作用力漂浮起来；（2）网衣系统：网衣系统作为网箱重要组成部分，在网衣自身作用力下，能够展开一定的形状，进而为鱼类养殖提供生长空间；基于网衣内部容积直接影响鱼类健康生长情况，若网衣发生变形，将会影响鱼类正常生产，基于此，为防止网衣变形，在网箱底框材料选择上，主要使用的钢质材料；尽量减小网衣变形，保证网箱最大的养殖容积。（3）锚泊系统：锚泊系统组成部分较多，其中锚链的作用是家烧缆绳与海底之间的摩擦力，减少损失，进一步提高锚泊系统的稳定性；同时，在锚作用下，有效连接了缆绳和浮框，并将浮框固定在一个位置上，确保网箱在恶劣天气下，仍可保证自身的稳定性，降低损失。

2.2 模拟实验

2.2.1 平面网片

为充分验证试验的可行性，对平面网片进行计算，网片上的上纲固定在刚性支撑杆上，并将网片的底固定在水下，保持网片自然下垂的状态，与来流方向保持一致。基于此，研究人员根据水槽实验和网片实验，对预先选定的网片进行计算，进而获取到网片的平衡形状，得到助力计算结果。主要使用的是非线性有限元素法，确保把控网片计算结构和水槽实验误差；整个模拟实验过程中，使用了数码摄像机设备记录网片结构平衡状态，保证获取到的图像辨识度高，借助相应的图像分析软件进行处理，得到了网片结点的坐标。部分研究人员在网片动态响应模拟分析中，同样采取上述实验方法，通过更改网片计算数量确认实验结果是否一致。

2.2.2 网箱模型

在水流作用下，会引起网箱网衣变形，同时，加大水流助力，难以稳定锚泊系数，正常情况下，当水流速度越大，则网衣变形也就越大，并减少了可养殖容积。由于网箱浮框浮力能够促使网箱框架漂浮在海面上，并在锚泊系统作用下，将其固定起来。因此，有相关研究人员提出，在研究流场中网箱力学性能过程中，可以假定网箱的浮框是固定在一定位置上的，且保持固定不动的状态。本文基于此种假设条件下，组建了网箱计算模型，假设浮框不动，将网衣固定在浮框上，将底纲固定在底框上，并将重物均匀地挂在底框上，此时网衣是自然下垂的状态，在具体计算过程中，将浮框和底框作为处理对象，并根据假设，忽略掉网衣形状的变化。在构建网衣数值模型过程中，假设来流经过物体不受影响，那么针对网箱来说，网衣各个部分所处位置的流速是相同的；研究中发现，网箱受迎面水流作用后，水流的面积也发生着一定的变化，当流速越大，则流面面积则越小。

3.流场中网箱动态响应模拟研究

3.1 不同流速对网箱变形的影响

网箱目脚元素多，在具体研究网箱动态响应过程中，采取的是3阶段计算方法，基于对网箱网衣的网线直径考虑，在具体计算分析时，根据表1阻力系数进行计算。

表 1 不同流速状态下的阻力系数分析

（1）当网箱未受到水流作用时，网箱上下浮框的直径保持一致，网衣上的部件与上下浮框进行连接，受重物作用影响，网衣呈现的是旋转的曲面形状。研究发现，网衣缩结系数增大的情况下，会促使网衣变形，进而在形状上近似于圆柱形；基于此，在网衣装配过程中，需要密切关注网箱上纲与浮框内圈的距离，进而调整好网衣的装配高度。

（2）当网箱受到0.3m/s的水流作用时，水流流速较小，观察发现此时网箱底框位置未发生显著的形态变化。

（3）当网箱受到0.5m/s的水流作用时，受水流作用影响，网箱的底框出现后移的现象，迎流方向上的网衣为拉直状态，浮框出现一定的倾斜。研究发现，上述现象与网箱网衣结点有一定的关联性，结点可能对总阻力产生一定的影响，进而在阻力作用下，网箱会出现变形现象。

（4）当网箱受到0.6m/s的水流作用时，此时的水流速度较快，观察可见，网箱变形更明显，底框处于上升状态，其倾斜角也发生了相应的变化；进一步观察发现，迎流方向的网衣与浮框位置的水面基本在同一平面上，在水中垂直部分的网衣减少；在流速较大情况下，网箱网衣阻力出现逆时针方向的力矩，受力矩作用影响，造成浮框倾斜现象。基于此，当水流速度在0.6m/时，水流作用力，对网箱变形影响较大，模拟实验研究发下，在水流速度增加情况下，助力也随之增加，最终导致网箱底框发生移动等变化，在具体计算过程中，需要重点考虑不同流速差异问题；可使用拉伸将浮框恢复到垂直状态。

（5）当网箱受到0.8m/s的水流作用时，网箱形状发生了显著的变化，垂直在水中网衣部分少之又少，基本与浮框平行在水面上；观察发现在0.8m/s的水流环境下，提升了网衣的升力，减少了网衣助力，进一步增大了浮框底框的倾斜角度，进而造成网箱网衣出现显著的变形现象，网箱浮框呈现出前低后高的倾斜状态。为缩小模拟计算与实验结果之间的误差，相关人员需要重点考虑，网箱浮框尺寸与网箱变形以及浮框倾斜情况，合理选择浮框的坐标点，进而保证坐标的测量精度；为控制网箱底框变形程度，需要加强底框刚度，最大程度上规避影响实验结果精确度的相关因素，控制实验结果误差。

3.2 网箱阻力与流速关系分析

根据上述实验研究可得出，网箱阻力受流速影响较大，流速越大，网箱网衣阻力也会随之增加，网衣作为网箱重要组成部分，经由大量实验证实，网箱阻力与流速度，呈现的是非平方关系，根据网箱动态响应模拟研究情况看，网箱阻力与流速之间呈现的是线性关系。当网箱在0.5m/s以上的流速状态下时，网箱阻力与流速近似于线性关系；当网箱在0.5m/s以下的流速状态下时，网箱阻力与水流速度则呈现的是近似于平方关系。研究发现，出现上述情况的原因可能与网箱变形对流速增加响应大小有关，并在流速越大的情况下，网箱变形也更加明显。

3.3 配重对网箱阻力的影响

实验发现，在同一流速情况下，配重增加，网箱阻力也随之增加，分析二者关联性发现，当增加配重后，网箱不易变形，此时的网箱受流面积大，进而增加了网箱的阻力。

（1）假定网箱A的大小为48×10目，此时的配重方式则表示为8×80g，则A网箱在0.5m/s流速状态下发生变形情况（如图1-a）所示；A网箱在0.8m/s流速状态下发生变形情况（如图1-b）所示。基于此，当水流速度增加情况下，网箱的变形幅度也较大。

图1 同一配重网箱在不同流速下的变形状态

（2）假定B网箱大小为40×14目，对比网箱在不同流速下的变形情况。此时B网箱在0.5m/s流速下，呈现一定的变形状态（如图2-a）所示；当B网箱在0.6m/s流速下，网箱后的网衣变形幅度较大（如图2-b）所示。与（1）实验结果对比发现，变形情况基本相同。

图2 同一配重网箱在不同流速下的变形状态

3.4 网箱动态响应

研究人员试验研究得出了网箱在不同流速中的变形情况，以及不同配重在不同流速中的变形情况；进一步研究发现，当较大张力的网线分布在迎流方向的网衣上时，此时的网衣呈现的是对称分布状态，越靠近浮框上部的网线张力越大，靠近浮框底框的网线张力相对较小；并在时间增加的基础上，较大张力网线的张力值则更大，观察发下，网箱在平衡状态下的张力值未发生显著的变化。当流速增加，网线张力值也随之增加。经过计算和实验证实了水流速度容易引起网箱变形，主要表现为网箱出现漂移现象，且网箱底框沿逆时针旋转了一定的角度，网箱的阻力也随之增加，尤其在水流速度增加的情况下，网箱网衣的变形幅度更大，浮框倾斜角度增加。不同配重在不同流速下的变形情况基本一致，增加配重的网箱变形幅度相对更小，通过模拟网箱动态响应，迎流方向网衣网线张力增加，较大张力的网线则呈现对称分布状态，通过实验分析，更好掌握了流场中圆形网箱变形情况和阻力变化情况。

4.结论

综上所述，海洋渔业可带动海洋经济发展，基于世界范围内渔业资源匮乏，逐渐转变了渔业产业模式形态，驱动海水养殖业迅猛发展，当前，海水网箱养殖为海洋产业发展提供了全新发展思路。海水网箱养殖业作为现代化的海水养殖方式，展现了产量高、经济效益显著等优势，为促进海水网箱养殖业健康长远发展，加强对流场中圆形养殖网箱动态响应相关内容的分析，进一步为网箱养殖业发展夯实了基础，为海洋产业发展提供助力。