柔性网衣结构变形影响因素数值模拟研究_曹学睿.pdf

第 卷第期 年月中 国 海 洋 大 学 学 报 （）：，柔性网衣结构变形影响因素数值模拟研究*曹学睿，马辉，徐明林，刘凯华，皮君涛，周波，*（大连理工大学工程装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连 ；大连理工大学船舶工程学院，辽宁 大连 ；港口航道泥沙工程交通行业重点实验室，江苏 南京 ；大连船舶重工集团有限公司，辽宁 大连 ）摘要：为解决柔性网衣在水流作用下容易产生较大变形，不利于网箱内鱼类生长的问题，本文利用 软件对网衣结构变形进行了数值计算分析，并将计算结果与 等 的水槽试验和 数值模拟结果进行比较，验证了数值计算的准确性，再利用“九点空间坐标法”计算了不同流速和配重情况下网箱体积剩余系数，定量分析了流速和配重对网衣变形的影响。结果表明：在低流速情况下，体积剩余系数可达 ；在高流速情况下，体积剩余系数可达 ；同时，在流速为 的情况下，增加 配重可以将网箱体积剩余系数从 提高到 ，对网衣变形程度的影响高达。由此得出，流速是影响网衣变形的主要因素，流速越大，网衣变形情况越严重，在高速情况下，配重是改善网衣变形的重要因素。关键词：网衣变形；体积剩余系数；网衣系统；网箱；配重系统中图法分类号：；文献标志码：文章编号：（）：引用格式：曹学睿，马辉，徐明林，等 柔性网衣结构变形影响因素数值模拟研究 中国海洋大学学报（自然科学版），（）：，（）：*基金项目：国家自然科学基金项目（）资助 （）收稿日期：；修订日期：作者简介：曹学睿（），男，硕士生，从事船舶与海洋工程应用装备研发。：*通讯作者：联合国粮农组织预测，全球鱼类消费总量每年将持续攀升 以上，鱼类资源面临巨大的压力。因此，转变人类获取鱼类蛋白质方式，大力鼓励发展海水养殖业变得尤为重要。网箱主要由浮架系统，网衣系统和配重系统三部分组成。在复杂的外界环境下，网箱的网衣系统会发生不同程度的变形，改变了鱼类的生存空间，进而影响养殖鱼的生长；变形过大，甚至会导致鱼群密度激增，养殖鱼群缺氧死亡。因此，通过对模型网箱数值模拟计算，进而反应出实际情况下网衣变形影响因素的研究，具有重大的工程应用价值。在对网箱的研究中，由于网衣属于小尺度结构物，容易受环境因素影响，产生较大变形，所以对网衣系统的研究是最关键也是困难的部分。为了攻克此难题，国内外对此都投入了大量的研究。等较早地对柔性渔网计算变形和受力分布的方法进行研究，将网衣简化为二维平面单元，再将网衣离散为若干平面线单元，忽略了网衣系统的三维效应，并提出了网衣数值模拟计算方法。等通过将网衣假定为由非线性弹簧连接的微元网片组成的柔性体，通过模拟数值分析方法来研究水流作用下，圆形网衣的受力和单纯波浪作用下的平面网衣的受力，并将结果同实验结果进行比对，并发现二者有一定差异，此时仿真模拟网衣系统的一些数值分析方法仍不成熟。李玉成等通过分析与试验相结合的方法分析了田内相似和重力式相似准则，推出了重力相似准则在网衣模型设计中的质量矫正公式及刚度矫正公式。赵云鹏等利用集中质量法建立网衣的数值模型，将不同配重对网衣变形的影响进行了模拟，为不同配重条件下对网衣变形影响因素奠定了基础。针对目前大多数研究都只停留在对网衣结构变形整体分析，没有定量分析网衣变形程度，且对网衣变形影响因素方面的研究较为薄弱，本文引用体积剩余系数定量分析网衣变形程度，利用 软件对网衣结构变形情况的进行研究，根据体积剩余系数的大小判断网衣变形程度的好坏，探讨影响网衣变形的主要影响因素以及影响程度，通过模型尺度网箱延伸到实际尺度网箱得到网衣变形的通用规律，使计算有实际应用价值，从而解决网衣变形导致养殖网箱内鱼类生中国海洋大学学报 年存空间变小从而影响鱼的生长。理论部分网箱整体受力对重力式网箱进行数值分析，最重要就是对网衣的模拟，由于实际网衣的网目数实在太多，采用直接的模拟方法十分耗时且没有太大意义。因此，为了能将网衣的计算应用到工程实践中，应采用 网目群化方法。使用此方法需要遵从群化前后的网衣质量、网目所覆盖的面积以及网目沿流速方向的投影面积相等的原则，由此可得，实际网目大小与群化后的网目大小由式（）表示。（）。（）式中：为网衣实际面积与其投影面积之比；为网格中单根网线的外径；表示单根网线的长度。在网衣系统受力方面一般遵循以下假定准则：网衣系统是由有限个无质量弹簧链接的集中质量点构成，构成网衣的网线绝对柔软；网线只承受张力的作用，张力大小是个常数，作用方向在网线轴线上。由于网线属于小尺度构件，其直径远远小于海域中常见波波长，因此可以用 方程描述其水动力特性。方程是个半经验半理论公式，其表达式为：，。（）式中：为速度力；为惯性力；为流体密度；为速度力系数；为构件在流速方向的投影面积；为波流场速度；为惯性力系数；为构件体积；为附加质量力系数。网衣变形计算公式对于定量分析网箱变形问题，目前最著名的方法就是“切面包法”以及 的九点空间坐标法在文献 中，作者选取了网箱上的个空间坐标点，其编号分别为、，并在试验中追踪记录这个点的空间坐标（见图）。通过这些个空间坐标点的三位坐标可以求出上下个三棱柱的体积，相加得网箱空间体积：，（）（）（）（），（）（）（）（）。（）式中：，为由点、所构成三角形面积；为点的坐标值。由式（）求出网箱体积可求得体积剩余系数。图网圆柱上跟踪点示意图 图网箱九点示意图 本文基于上述思路将网箱同样分为个点（见图）。坐标点编号分别为、，并跟据各点的三维空间坐标，（）体系，计算剩余系数：。（）式中 表示在流速为，即没有流速情况下的网箱体积，又称初始体积。数值模型本文主要利用商业软件 进行数值模拟分析。在 中，可以通过加载非线性阻力载荷计算因流场变化所导致的阻力系数、模型位移等参数，采用此软件对网箱和网衣进行数值模拟有很好的效果。网箱结构主要由浮架系统、网衣系统和配重系统组成。在 中，利用 模块来模拟浮架和期曹学睿，等：柔性网衣结构变形影响因素数值模拟研究网衣，此模块是一种无质量弹簧，当模块被赋予质量时，赋予的质量将集中分布在两端，其水动力系数在各运动方向上是恒定的，可以看作为圆柱形杆件，因此用此模块可以等效于使用集中质量法。对于浮架系统，利用 模块和 依次相连进行模拟，通过 旋转平移可以表达浮架材料的抗压程度，这种抗压特性在规则和不规则波作用下都是重要的参数。尽管 模块链接个 单元，但并不包涵任何惯性或阻力载荷。在网箱底部，使用若干个带有体积和质量的小圆柱来表示重力式网箱的配重系统。对于网衣的湿质量 部分 而言，一 般通过 调整 各网绳链接处 的 质量来模拟 始 终 增 加 质 量部分。为了模拟工程中网箱的实际尺寸大小，网衣直径和长度通过网目群化方法将直径为 、长度为 的物理网箱模型等效为直径为 、长度为 的数值模型。最 终 的 网衣数 值模 拟模型如图所示。图网箱数值模拟示意图 由于网箱背流侧网衣受到的水流作用是经过上侧水流作用后得到的，所以两侧水流不同会引起两侧的阻力系数不同，对此，通常使用变阻力系数进行数值模拟。阻力系数是莫里森方程中的一个关键分量，所以必须根据不同雷诺数仔细选择。在 软件中可以根据雷诺数的变化，计算出不同位置处的网衣阻力系数。在文献 中给出了不同雷诺数情况下的阻力系数的计算公式：.（），.，.，.（），.（），.（）。（）对于重力式网箱的系泊系统，为了能够对数值模拟计算结果进行验证，本文基于 和 的试验与数值计算模型，采用相同的系泊系统，使用同尺度的流和浪的环境载荷，建立相似的数值计算模型。最终建立的模型如图所示，模型底部是对称分布在网箱底部一周的 个带有质量的 ，用来模拟配重沉子。系泊系统参考 和 的模型布置，模型共使用了 个 以及 个 单元。为了保证所得数值模型与 的试验模型满足几何相似，本文根据田内相似准则，对 质量、投影面积和缩结面积等参数进行了调整。所建网箱模型的参数如表所示。图 试验模型俯视图 图数值模型俯视图 图数值模型透视图 中国海洋大学学报 年表质量式网箱模型参数 名称 数值网箱 实际网箱 网箱直径 网箱高度 浮架直径 浮架弯曲刚度 （）网衣类型 无结节式 无结节式 实密度 每段网衣长度 每根网衣直径 网衣密度 （）沉子质量 网箱杨氏模量 （）主比尺 数值计算数值结果验证（）网箱系泊力验证将水流看作为流速恒定、流向不变的理想流体，流向为 表示其平行于前、后系泊缆。由于侧系泊缆会分担前、后系泊缆张力，所以有侧系泊缆网箱的系泊张力略小于无侧系泊缆网箱的系泊张力。为了贴合实际，在数值模拟中加入了侧系泊缆，考虑侧系泊缆对网箱阻力的影响，并根据计算结果绘制了阻力曲线。数值计 算 结 果 与 等 的 试 验 和 等 的数值模拟结果进行比较，如图所示。图网箱阻力随流速变化 此曲线共包含 个数值模拟工况，从最低流速 到最高流速 ，相邻工况之间相差 ，对应的实际流速为 。由图中的曲线可以看出，本文的数值模拟结果与 等 的试验结果更加接近，更为准确，尤其在高流速情况下，更优于 等 的数值计算结果。从而，验证了本文数值计算结果的准确性以及优越性。为了更好的贴合实际情况，将验证后的数值模型等比例放大 倍，转化为实际尺寸的模型，并根据实际流速 计算网箱系泊缆张力大小，将该数值结 果 同 根 据 比 例 尺 放 大 试 验 结 果 等 所对应的实际结果相比较得到如图所示曲线。图模型尺度网箱放大与实尺度网箱数值对比 如图所示，实尺度的数值模拟曲线可以较好的拟合 等 物理模型所对应的实尺度网箱，因此，此实比例尺的数值网箱可以较好的模拟实际情况，具有实际工程意义。图、分别表示流速为 和 的情况期曹学睿，等：柔性网衣结构变形影响因素数值模拟研究下，网箱试验变形与数值变形程度的视觉验证，数值变形同试验变形贴合较好，并且数值变形可以更清晰的描述网衣上方变形情况。（第一排为试验中所拍得到的照片，第二排为数值模拟得到的示意图。，）图 时网衣变化示意图 （第一排为试验中所拍得到的照片，第二排为数值模拟得到的示意图。，）图 时网衣变化示意图 流速对网衣变形的影响因此，此类数值模型可以较好的描述网衣变形情况，为此，图、整理了流速从 的网衣变形情况。图 所表示，将网箱放置在流速范围在 的流场内，利用九点坐标法计算网箱的体积剩余系数，并绘制体积剩余系数流速变化曲线。由图、可以看出，流速对网衣变形大小有着重要影响，在流速为 时，网箱体积剩余系数高达 ，几乎没有发生变形；但在流速达到 时，网箱体积剩余系数可达 ，网衣变形十分严重，因此可以根据图 体积剩余系数与流速变化曲线可以看出，网衣随流速的增加而变形严重。图 流速在 的网衣变形正视图 图 流速在 的网衣变形俯视图 图 体积剩余系数变化曲线 中国海洋大学学报 年网衣变形影响因素网衣的体积变形不仅跟流速的大小有关，同时配重系统对其也有着不可忽略的作用。配重系统一般直接或间接悬挂于网箱底部，是重力式网箱保持有效容积的重要手段，因此研究配重系统有十分重要的意义。目前比较常用的配重系统分为两种形式：若干沉子单独悬挂网箱底部；网箱底部由一圈带有一定质量的圆形或菱形的底圈构成。配重系统的选取应在合理的质量区间，过轻或者过重都会造成不利的影响，过轻会导致网箱在水流的作用下有效容积损失过大，不利于网箱内鱼类的生长；过重会导致网线的加粗，从而增加网箱生产成本，同时也不便于管理。所以，通过研究沉子质量对网衣变形的影响，有利于找到最合适的沉子质量。在流速为 时，单个沉子质量分别为、和（每种工况下的沉子个数均为）时网衣体积变形如图 所示。图 恒定流速下，不同配重网衣变形 ，由图 可以看出，在相同流速的情况下，配重对网衣变形有着重要影响。在该网箱模拟中，采用了种设计流速（），按照相似准则对应的实际水流速度范围为 ，取种配重大小范围为：，则图 表示各沉子质量在不同流速下网箱体积剩余系数。由计算结果可知，固定流速，剩余体积系数会随配重的增加而增加；相同配重的情况下，体积剩余系数会随流速的增大而减小。在高流速情况下，配重对网衣变形有更大的影响：在流速为 时，配重情况下的网箱体积剩余系数为 ，配重情况下的网箱体积剩余系数为 ，配重时的网箱体积剩余系数比 配重时的网箱体积剩余