波浪作用下可升降式筏式养殖设施水动力特性数值模拟研究.pdf

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1、第42卷第3期渔业现代化Vo1．42No．32015年6月FISHERYMODERNIZATIONJun．2015DOI：10．3969／j。issn．1007-9580．2015．03．012波浪作用下可升降式筏式养殖设施水动力特性数值模拟研究刘庄，赵云鹏，王欣欣，董国海(1大连理工大学，港口海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连116024；2中国海洋大学水产学院，山东青岛266003)摘要：在极端海况下，可升降式筏式养殖设施能够通过下潜来躲避风浪，降低波浪力作用，减免损失。为研究波浪作用下可升降式筏式养殖设施的水动力特性，采用集中质量法建立

2、了筏式养殖设施漂浮及下潜时的数学模型，采用龙格库塔法对其进行求解，并将数值模拟结果与物理模型试验结果进行比较，二者吻合程度较好且变化趋势相同，表明数值模拟的方法能够较好地模拟可升降式筏式养殖设施的水动力特性。在此基础上，用数值模拟法进一步研究波高和周期变化对浮筏运动特性的影响，以及下潜对浮筏运动和锚绳力的影响。模拟结果显示，不同波高和周期变化对浮筏运动特性产生不同程度的影响，同时浮筏下潜后的运动幅度和锚绳力幅值明显减小。关键词：筏式养殖；可升降式浮筏；水动力特性；波浪；数值模拟中图分类号：$953．5文献标志码：A文章编号：1007-9580(2

3、015)03-056-06海上筏式养殖与滩涂贝类养殖、海水池塘养浮筏运动特性的影响以及下潜对浮筏运动和锚殖统称为海水养殖的三大主要养殖方式J。随绳力的影响。着筏式养殖的迅速发展，传统的近海筏式养殖系1数值计算模型和物理试验模型统所暴露出的问题和弊端也日渐突出。传统筏式养殖工艺陈旧、机械化程度低、劳动强度较大；同模拟的可升降式筏式养殖设施的结构如图1时传统筏式养殖系统只适用于近海，不利于废弃所示。当浮筏漂浮时，整个浮筏由3个充满空气物的扩散和海岸线的多种利用。因此，进行离的浮筒提供浮力；当浮筏下潜时，浮筒内将充满岸筏式养殖设施结构动力特性研究就显得

4、尤为水，此时浮力由9个柱形浮标提供。图1b中9个重要。黑点即为柱形浮标连接点，4个圈点为贻贝养殖离岸海域水质良好、养殖区域开阔，便于Et常绳悬挂点。管理及维护，但也面临着海况复杂、浪高流急等1．1浮筏系统的模拟方法问题。因此能够有效降低波浪作用的可升降式浮筏系统主要由PVC主浮管和铝合金连接筏式养殖设施越来越受到国内外学者的重视。框架组成，其迎浪端以锚定系统固定，贻贝串垂直近年来围绕养殖设施优化、抗风浪、水动力系数挂于浮筏下方。考虑到筏式养殖设施处于漂浮状的合理选取、波浪和水流对网箱养殖结构的影态时波浪对连接框架没有直接作用，下潜时作用响以及筏式

5、养殖结构设计标准等方面开展了诸也较小，故可将连接框架的重量集中到主浮管。多研究引。文章主要采用数值模拟的方法研为了计算方便，将浮筏系统简化为一个三排浮管究波浪作用下可升降式筏式养殖设施的水动力结构。特性，并通过与物理模型试验结果对比进行验在波浪作用下，浮管主要受到波浪力、重力、证，在此基础上进一步研究波高和周期变化对收稿日期：2015-01-24修回日期：2015-03-20基金项目：国家自然科学基金重点项目“海洋灾害环境下离岸养殖设施的动力特性(51239002)”作者简介：刘庄(1989一)，男，硕士研究生，研究方向：离岸筏式养殖设施水动力。

6、E—mail：lzdlut@163．eom通信作者：赵云鹏(198O一)，男，副教授，博士，研究方向：离岸养殖设施水动力。E-mail：ypzhao@dlut．edu．cn第3期刘庄，等：波浪作用下可升降式筏式养殖设施水动力特性数值模拟研究57用下的平动和转动方程。水面．孓1．2锚定系统的模拟方法采用集中质量法将锚绳离散为构件与集中质量点进行分析。通过将构件所受外力均分到质点上来获得各质点的受力。构件J两端质点i和i+1所受外力及集中质量点运动方程的建立，如图2所示。JlZ8侧视图口?连接框架：-，，浮黼，H日，‘，『

7、．，，Ox，_，，图2锚绳

8、构件与质点关系示意图b俯视图Fig．2Relationshipofthesegmentsandthenodesofthemooringrope图1可升降式筏式养殖设施示意图Fig．1Sketchofsubmersibleraft锚绳构件上的水流力，仍用Morison公式计浮力、锚绳力和养殖绳对其的作用力。由于浮管算，其水阻力系数CDn和c。可依Webster建议”的直径和波长相比十分微小，因此可以忽略浮管利用如下公式来得到：系统对波浪场的影响。在计算浮筏受力的过程0．0Re≤0．1中，采用微段法分析，假设波浪是简谐波，作用在0．45+5．93~(

9、Re)。·”0．1