深海重力式網(wǎng)箱的非線性水彈性響應(yīng)特性研究.pdf

1、隨著海洋資源的開(kāi)發(fā)，海水網(wǎng)箱養(yǎng)殖已成為我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)的重要增長(zhǎng)點(diǎn)，但由于過(guò)度的捕撈以及不合理開(kāi)發(fā)造成了海洋生態(tài)環(huán)境日趨惡化，我國(guó)乃至世界各國(guó)都在尋求更好的養(yǎng)殖環(huán)境和更高質(zhì)量的養(yǎng)殖產(chǎn)品，因此深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖應(yīng)運(yùn)而生。深海網(wǎng)箱往往要受到比近海更為惡劣的海況環(huán)境考驗(yàn)。而作為一種高投入、高風(fēng)險(xiǎn)、高產(chǎn)出的養(yǎng)殖設(shè)備，網(wǎng)箱的安全性能將關(guān)系到整個(gè)海洋養(yǎng)殖。
　　目前，我國(guó)的深海網(wǎng)箱的裝備主要還是依靠引進(jìn)國(guó)外的同類產(chǎn)品，自主的研發(fā)工作較少，缺少對(duì)網(wǎng)箱設(shè)計(jì)

2、的理論的支持。另外，雖然網(wǎng)箱整體的結(jié)構(gòu)龐大，但其構(gòu)成的部件，例如浮圈、網(wǎng)衣等結(jié)構(gòu)長(zhǎng)細(xì)比較大，屬于小尺度漂浮柔性結(jié)構(gòu)物，而這類結(jié)構(gòu)物與波浪和水流的相互作用機(jī)理的研究亟待發(fā)展。因此，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)網(wǎng)箱的水動(dòng)力響應(yīng)正逐漸成為養(yǎng)殖工程裝備生產(chǎn)和建造領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題。基于上述問(wèn)題，本文首先以數(shù)值模擬為出發(fā)點(diǎn)，定性的研究了實(shí)尺度網(wǎng)箱在波流作用下的水動(dòng)力特性；另一方面，首次嘗試網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)在實(shí)尺度 KC/Re波浪下的水動(dòng)力試驗(yàn)，研究浮圈結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)衣的水動(dòng)力特性。

3、最后，基于有限元方法和本文的試驗(yàn)結(jié)果，提出了一種數(shù)值-試驗(yàn)的混合的方法用于計(jì)算實(shí)尺度網(wǎng)箱的水動(dòng)力響應(yīng)。
　　本文研究主要涉及的內(nèi)容有以下幾個(gè)方面：
　　一、介紹了目前世界上主要使用的深海網(wǎng)箱，并對(duì)每一種網(wǎng)箱的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)目前在深海領(lǐng)域使用最為廣泛的一種網(wǎng)箱-重力式網(wǎng)箱的水動(dòng)力研究進(jìn)展進(jìn)行了介紹。
　　二、在本文中，首先基于限元方法對(duì)實(shí)尺度網(wǎng)箱在不規(guī)則波流作用下的網(wǎng)箱的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)以及錨鏈力進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明

4、，當(dāng)波流同時(shí)存在的情況下，流的存在會(huì)增大浮圈的水平運(yùn)動(dòng)幅值，但對(duì)浮圈的變形影響不大。此外，還使用了模態(tài)疊加法對(duì)在不規(guī)則波流作用下的網(wǎng)箱的各階模態(tài)權(quán)重進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明，隨著波高的增加，水平和垂直兩個(gè)方向的各階模態(tài)權(quán)重均有增加；對(duì)于同一波高不同的流速條件下，水平方向上可以明顯增加剛體模態(tài)權(quán)重，而對(duì)彈性體模態(tài)的權(quán)重影響不大；但是流速對(duì)于垂直模態(tài)權(quán)重的大小沒(méi)有影響。
　　三、考慮到深海養(yǎng)殖常以多網(wǎng)箱的形式存在，本文基于前面的單網(wǎng)箱

5、模型建立起多網(wǎng)箱系統(tǒng)，并對(duì)多網(wǎng)箱內(nèi)各網(wǎng)箱的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)以及錨鏈張力的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：當(dāng)錨鏈的預(yù)張力增加時(shí)，網(wǎng)箱在沿波浪傳播方向運(yùn)動(dòng)的平均值將會(huì)明顯減小，而且減小的幅度比縱蕩要大。另一方面，錨鏈的預(yù)張力對(duì)于浮圈的垂向運(yùn)動(dòng)影響不大，但是通過(guò)計(jì)算結(jié)果也可以發(fā)現(xiàn)浮圈的垂向運(yùn)動(dòng)幅值要小于波幅，也就是說(shuō)浮圈結(jié)構(gòu)在漂浮的過(guò)程中將會(huì)伴有滿溢的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象在水動(dòng)力載荷計(jì)算的過(guò)程中需要注意。
　　四、由于試驗(yàn)條件的限制，目前尚無(wú)法進(jìn)行實(shí)尺度網(wǎng)箱

6、在真實(shí)海洋環(huán)境下的水動(dòng)力試驗(yàn)。因此，本文基于自主研制的雙自由度同時(shí)進(jìn)行振蕩的裝置，開(kāi)展了實(shí)尺度浮圈的分段模型在大 KC/Re數(shù)振蕩流下的試驗(yàn)，在研究過(guò)程中，主要考慮了不同浸沒(méi)下KC數(shù)、Re數(shù)和Vr對(duì)于其水動(dòng)力系數(shù)的影響。研究結(jié)果顯示：在沒(méi)有出現(xiàn)滿溢現(xiàn)象時(shí)，半浸沒(méi)圓柱的阻力系數(shù)小于全浸沒(méi)圓柱的一半而附加水質(zhì)量系數(shù)大于全浸沒(méi)的一半；當(dāng)滿溢現(xiàn)象出現(xiàn)后，半浸沒(méi)圓柱的附加水質(zhì)量系數(shù)會(huì)出現(xiàn)急劇的增加，而且在高Re數(shù)區(qū)域內(nèi)，阻力系數(shù)也會(huì)顯著增大。

7、r>　　五、本文基于傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)的方法，提取出半浸沒(méi)圓柱在水平方向上的波浪力的前五階力的幅值。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：在純振蕩流下，隨著無(wú)因次化頻率（β）和KC數(shù)的增大，半浸沒(méi)圓柱的前五階水動(dòng)力系數(shù)也是隨之增大的。而在振蕩流伴隨流的情況下，前五階力的系數(shù)隨著KC數(shù)和Vr的增大而增大的。
　　六、在拖曳水池中，進(jìn)行了浮筒帶網(wǎng)模型在不同流速、振蕩幅值以及周期下的強(qiáng)迫振蕩試驗(yàn)，并對(duì)模型的水動(dòng)力特性進(jìn)行了研究。基于此實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及之前浮圈分段模型試