深海重力式網箱的非線性水彈性響應特性研究.pdf

1、隨著海洋資源的開發(fā)，海水網箱養(yǎng)殖已成為我國海洋經濟的重要增長點，但由于過度的捕撈以及不合理開發(fā)造成了海洋生態(tài)環(huán)境日趨惡化，我國乃至世界各國都在尋求更好的養(yǎng)殖環(huán)境和更高質量的養(yǎng)殖產品，因此深水網箱養(yǎng)殖應運而生。深海網箱往往要受到比近海更為惡劣的海況環(huán)境考驗。而作為一種高投入、高風險、高產出的養(yǎng)殖設備，網箱的安全性能將關系到整個海洋養(yǎng)殖。
　　目前，我國的深海網箱的裝備主要還是依靠引進國外的同類產品，自主的研發(fā)工作較少，缺少對網箱設計

2、的理論的支持。另外，雖然網箱整體的結構龐大，但其構成的部件，例如浮圈、網衣等結構長細比較大，屬于小尺度漂浮柔性結構物，而這類結構物與波浪和水流的相互作用機理的研究亟待發(fā)展。因此，準確預報網箱的水動力響應正逐漸成為養(yǎng)殖工程裝備生產和建造領域的關鍵問題。基于上述問題，本文首先以數值模擬為出發(fā)點，定性的研究了實尺度網箱在波流作用下的水動力特性；另一方面，首次嘗試網箱結構在實尺度 KC/Re波浪下的水動力試驗，研究浮圈結構以及網衣的水動力特性。

3、最后，基于有限元方法和本文的試驗結果，提出了一種數值-試驗的混合的方法用于計算實尺度網箱的水動力響應。
　　本文研究主要涉及的內容有以下幾個方面：
　　一、介紹了目前世界上主要使用的深海網箱，并對每一種網箱的優(yōu)缺點進行了總結，并對目前在深海領域使用最為廣泛的一種網箱-重力式網箱的水動力研究進展進行了介紹。
　　二、在本文中，首先基于限元方法對實尺度網箱在不規(guī)則波流作用下的網箱的運動響應以及錨鏈力進行了研究。研究結果表明

4、，當波流同時存在的情況下，流的存在會增大浮圈的水平運動幅值，但對浮圈的變形影響不大。此外，還使用了模態(tài)疊加法對在不規(guī)則波流作用下的網箱的各階模態(tài)權重進行了分析，分析結果表明，隨著波高的增加，水平和垂直兩個方向的各階模態(tài)權重均有增加；對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)權重，而對彈性體模態(tài)的權重影響不大；但是流速對于垂直模態(tài)權重的大小沒有影響。
　　三、考慮到深海養(yǎng)殖常以多網箱的形式存在，本文基于前面的單網箱

5、模型建立起多網箱系統(tǒng)，并對多網箱內各網箱的運動響應以及錨鏈張力的變化規(guī)律。研究結果表明：當錨鏈的預張力增加時，網箱在沿波浪傳播方向運動的平均值將會明顯減小，而且減小的幅度比縱蕩要大。另一方面，錨鏈的預張力對于浮圈的垂向運動影響不大，但是通過計算結果也可以發(fā)現(xiàn)浮圈的垂向運動幅值要小于波幅，也就是說浮圈結構在漂浮的過程中將會伴有滿溢的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象在水動力載荷計算的過程中需要注意。
　　四、由于試驗條件的限制，目前尚無法進行實尺度網箱

6、在真實海洋環(huán)境下的水動力試驗。因此，本文基于自主研制的雙自由度同時進行振蕩的裝置，開展了實尺度浮圈的分段模型在大 KC/Re數振蕩流下的試驗，在研究過程中，主要考慮了不同浸沒下KC數、Re數和Vr對于其水動力系數的影響。研究結果顯示：在沒有出現(xiàn)滿溢現(xiàn)象時，半浸沒圓柱的阻力系數小于全浸沒圓柱的一半而附加水質量系數大于全浸沒的一半；當滿溢現(xiàn)象出現(xiàn)后，半浸沒圓柱的附加水質量系數會出現(xiàn)急劇的增加，而且在高Re數區(qū)域內，阻力系數也會顯著增大。

7、r>　　五、本文基于傅里葉級數展開的方法，提取出半浸沒圓柱在水平方向上的波浪力的前五階力的幅值。通過研究發(fā)現(xiàn)：在純振蕩流下，隨著無因次化頻率（β）和KC數的增大，半浸沒圓柱的前五階水動力系數也是隨之增大的。而在振蕩流伴隨流的情況下，前五階力的系數隨著KC數和Vr的增大而增大的。
　　六、在拖曳水池中，進行了浮筒帶網模型在不同流速、振蕩幅值以及周期下的強迫振蕩試驗，并對模型的水動力特性進行了研究?；诖藢嶒灲Y果以及之前浮圈分段模型試