網(wǎng)衣波浪水動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、網(wǎng)漁具和網(wǎng)箱是海洋漁業(yè)生產(chǎn)(海洋捕撈和海水養(yǎng)殖)的重要工具和設(shè)施，網(wǎng)衣是它們的主要構(gòu)件。與其他海洋結(jié)構(gòu)物一樣，網(wǎng)衣及其構(gòu)成的漁具和漁業(yè)設(shè)施在海洋中要承受風(fēng)、浪、流等水文環(huán)境因子的作用，其生產(chǎn)效能和安全性能與所承受的水動(dòng)力相關(guān)。水流作用的水動(dòng)力研究可借鑒傳統(tǒng)的漁具力學(xué)理論，而與波浪作用的研究未受到足夠重視，引起波浪對(duì)水表層網(wǎng)漁具和海水網(wǎng)箱養(yǎng)殖設(shè)施等的作用超出了承受限度，帶來了一系列的生產(chǎn)損失，削弱了海洋漁業(yè)向縱深發(fā)展的動(dòng)力，也制約了漁具力

2、學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。 本研究是在依據(jù)波浪理論和漁具力學(xué)理論的分析基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代設(shè)備與技術(shù)，設(shè)計(jì)了網(wǎng)衣波浪水動(dòng)力的水槽試驗(yàn)，研究了網(wǎng)衣在波浪中的水動(dòng)力特性和波浪響應(yīng)，計(jì)算得到了網(wǎng)衣波浪力的計(jì)算公式和處理方法，同時(shí)與實(shí)際漁用網(wǎng)衣的波浪試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，提出傳統(tǒng)的漁具力學(xué)在網(wǎng)衣波浪力計(jì)算中的修正方法，并在小尺度網(wǎng)箱波浪力學(xué)中計(jì)算應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)論證，由此可推廣到實(shí)際網(wǎng)箱及網(wǎng)漁具的波浪水動(dòng)力計(jì)算應(yīng)用，為遠(yuǎn)洋漁業(yè)和設(shè)施漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)依據(jù)，

3、為漁具力學(xué)的發(fā)展提供基礎(chǔ)理論。 在理論上，本文結(jié)合傳統(tǒng)的漁具力學(xué)和海洋工程波浪力學(xué)理論，提出了網(wǎng)衣波浪力學(xué)的概念、成因和組成。按因次和諧方法，導(dǎo)出了網(wǎng)衣波浪力的一般公式，分析了與網(wǎng)衣波浪力的相關(guān)物理量，它們分別為網(wǎng)衣的主體尺寸(寬度和高度)、特征參數(shù)(網(wǎng)線粗度、網(wǎng)目大小和縮結(jié)裝配)，波浪參數(shù)(波高、波長(zhǎng)和周期)及海域條件(水深、網(wǎng)衣與波向的沖角及系泊方法)。各種物理量在波浪中共同作用，形成網(wǎng)衣在波浪中的一些相似現(xiàn)象。同時(shí)網(wǎng)衣在波

4、浪中有六種運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)：沿波向、側(cè)向和垂向的振蕩移動(dòng)及繞這三個(gè)方向的振蕩轉(zhuǎn)動(dòng)，形成復(fù)雜的迭加運(yùn)動(dòng)。 在網(wǎng)衣水槽的波浪試驗(yàn)中，根據(jù)波浪運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，采用了自制的傳感器與應(yīng)變采集儀、應(yīng)變放大器、波高儀和計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)，組成網(wǎng)衣波浪水槽試驗(yàn)的采集系統(tǒng)，開發(fā)了數(shù)據(jù)采集處理軟件，波浪力的測(cè)試精度達(dá)到99.91％。設(shè)計(jì)10種網(wǎng)衣，與HDPE框架裝配成系列網(wǎng)衣構(gòu)件，首先應(yīng)用預(yù)加張力放射法來約束構(gòu)件在波浪中的運(yùn)動(dòng)，分別按不同的波浪工況、網(wǎng)衣尺度和沖角分

5、別進(jìn)行波浪試驗(yàn)，同步采集網(wǎng)衣構(gòu)件水平波浪力和波浪參數(shù)。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中，應(yīng)用“三次樣條”方法對(duì)網(wǎng)衣構(gòu)件和框架波浪試驗(yàn)進(jìn)行擬合，得出網(wǎng)衣的水平波浪力數(shù)值。當(dāng)網(wǎng)衣垂直于波向時(shí)，水平波浪力的變化規(guī)律與波浪的一致(周期性和不對(duì)稱性變化)，和波面圖極其相似，通過波浪力和波浪的相位差計(jì)算，波浪力變化曲線呈現(xiàn)司托克斯二階波形狀，波峰較陡，波谷較平坦，作用在網(wǎng)衣上的波浪力從水面到水下逐步減少分布；網(wǎng)衣波浪力大約與波高的2.5次方、波長(zhǎng)的0.8次方成比例

6、，與網(wǎng)衣的寬度、特征參數(shù)d／a線性相關(guān)；網(wǎng)衣沉沒在一定水深時(shí)，網(wǎng)衣高度變化對(duì)波浪力峰值影響不大。當(dāng)網(wǎng)衣平面與波向有沖角時(shí)，波浪力與沖角的構(gòu)成形式相關(guān)，沖角為左右傾時(shí)，波浪力均與沖角弧度數(shù)的1.58次方相關(guān)；后傾和前傾時(shí)，波浪力分別與傾角的．2.15和2.04次方相關(guān)，并且后者在每個(gè)變化周期內(nèi)，至少出現(xiàn)了兩次峰值。 其次，應(yīng)用單點(diǎn)系泊方法進(jìn)行網(wǎng)衣構(gòu)件的波浪水槽試驗(yàn)，構(gòu)件在水槽中作來回周期性直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)試驗(yàn)波浪周期較小時(shí)，構(gòu)件的來回

7、運(yùn)動(dòng)不明顯，主要以波浪運(yùn)動(dòng)為主，水動(dòng)力峰值大體上呈周期性均勻變化；而當(dāng)周期較長(zhǎng)、波高較高時(shí)，構(gòu)件在水動(dòng)力的作用下產(chǎn)生了與波向相反的長(zhǎng)周期漂移運(yùn)動(dòng)，有較大振幅的位移、速度和加速度，誘發(fā)了水動(dòng)力的最大值。水動(dòng)力變化呈現(xiàn)：峰值短周期不均勻變化、最大值長(zhǎng)周期變化和零拉力周期變化的規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在周期1．2、1.4、1.6、1.8s情況下，參數(shù)d／a最大值的網(wǎng)衣構(gòu)件，其單點(diǎn)系泊試驗(yàn)水動(dòng)力最大值是固定系泊計(jì)算水動(dòng)力最大值的平均1.71、1.8

8、3、2.13、2.24倍，最大達(dá)3.61倍，表明在波浪條件下單點(diǎn)系泊構(gòu)件水動(dòng)力有較大的增加。 再次對(duì)波浪力成分進(jìn)行了分析，作用在網(wǎng)衣上的波浪力主要由拖曳力和慣性力組成，而網(wǎng)衣水平波浪力極大值一般由拖曳力組成，慣性力只在迭加過程中起作用。應(yīng)用多元逐步相關(guān)分析和多元線性回歸計(jì)算，當(dāng)網(wǎng)衣垂直于波向時(shí)，得出網(wǎng)衣水平波浪力最大值的經(jīng)驗(yàn)公式：F=2669．4F-L<'0.79>，a<'-1.48>d<'1.06>l<'1.05>物理量依次為

9、波高(H)、波長(zhǎng)(L)、網(wǎng)目大小一半(口)、網(wǎng)線直徑(d)、網(wǎng)衣寬度(l)。由上述五個(gè)物理量組成回歸復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.9742，偏相關(guān)系數(shù)依次為：0.9989、0.9307、0.9985、0.9986、0.9185，相對(duì)來說波浪力與波高是緊密相關(guān)。進(jìn)而又根據(jù)網(wǎng)衣前后波浪參數(shù)的變化情況，初步探討了網(wǎng)衣的消浪能力，網(wǎng)衣的波浪反射系數(shù)和透射系數(shù)(消浪能力)與網(wǎng)衣尺度、參數(shù)等有一定的關(guān)系。 然后依據(jù)莫里森方程和巴拉諾夫計(jì)算方法，分析和推導(dǎo)

10、了網(wǎng)衣波浪力的計(jì)算方法，并與實(shí)際漁用網(wǎng)衣波浪試驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算對(duì)比分析，以上兩者的理論計(jì)算值一般要大于試驗(yàn)值，平均誤差分別為10％和20％以上。結(jié)合網(wǎng)衣波浪試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)公式，提出了水平波浪力系數(shù)的調(diào)整建議，從而系統(tǒng)給出了應(yīng)用不同的波浪理論來計(jì)算網(wǎng)衣水平波浪力的三種計(jì)算方法，初步補(bǔ)充了網(wǎng)衣波浪力學(xué)內(nèi)容。另外應(yīng)用以上計(jì)算方法，對(duì)網(wǎng)衣試驗(yàn)的波浪力系數(shù)進(jìn)行分析，通過無因次量計(jì)算發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)衣波浪力系數(shù)不是一個(gè)恒定值，有很大的離散性，與波浪參數(shù)、網(wǎng)衣尺寸、結(jié)

11、構(gòu)和相應(yīng)的一些無因次量相關(guān)。 最后，應(yīng)用網(wǎng)衣水平波浪力計(jì)算公式，對(duì)小尺度方形網(wǎng)箱波浪力學(xué)進(jìn)行計(jì)算，并與該網(wǎng)箱的波浪水槽試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)這三種方法計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)情況比較接近；同時(shí)分別應(yīng)用正弦波理論和司托克斯二階波理論來計(jì)算網(wǎng)箱波浪力，與試驗(yàn)情況進(jìn)行對(duì)比研究，說明了不同的波浪理論在網(wǎng)衣波浪力計(jì)算中的必要性；然后根據(jù)以上計(jì)算方法，對(duì)實(shí)際網(wǎng)箱和表層拖網(wǎng)在極限生產(chǎn)海況條件下進(jìn)行了水動(dòng)力的計(jì)算，為網(wǎng)箱和漁具的設(shè)計(jì)制作與海上生產(chǎn)提供理論