静水和纯流下可沉浮式网箱升降运动特性研究

王非，毕春伟，赵云鹏

(大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024)

近年来，由于过度捕捞及海洋环境污染的日益严重，近海水产品日渐枯竭，近海捕捞量逐年下降。中国要发展高质量、高效率的养殖产业，推广深海网箱养殖势在必行。

目前，世界深水网箱养殖已经经历了40余年的发展，美国、挪威、日本、瑞典等国家走在了大型深水网箱发展前列。美国的碟形网箱和锚张式网箱具有较强的抗风浪性能，在大风浪、强流条件下，网箱容积损失率低，但是造价高昂，操作不便；挪威的圆形重力式网箱和张力腿网箱，抗风浪能力强，在遭遇极端天气时，网箱可以自动地沉降到水面以下以降低风浪对其的破坏，且结构相对简单，运行管理方便，设备成本低廉；日本的浮绳式网箱是一种全柔性结构，网箱体积大，但抗流性能差；瑞典的强力式网箱，由箱架、网箱和饵料舱3部分组成，养殖体积相对较大，容积损失率较小，养殖自动化程度较高[1-4]。中国于1998年从挪威引进圆形双浮管重力式网箱，并开始研究抗风浪网箱国产化技术，研发出适用于中国的HDPE重力式网箱(浮式和可沉浮式)。由于可沉浮式网箱养殖空间大，空间层次多样，具有在台风来临时沉入海中而当台风过后上浮到水面的升降功能，可有效避免风浪冲击而造成的损坏，所以，可沉浮式网箱逐渐成为目前网箱发展的趋势[5-7]。

可沉浮式网箱四周布置有浮体，当遭遇极端天气时，浮体进水，使网箱重力大于浮力而下沉。极端天气过后，若使网箱上浮，就要对网箱的进水浮体充入压缩空气将浮体内的水排出，使网箱受到的浮力大于重力，达到升降目的[8](图1)。

网箱升降控制作为可沉浮式网箱升降的关键技术，其研究尚不成熟，这严重制约了中国可沉浮式网箱的发展。郭根喜等[9]利用几何分析法得到网箱半径、升降幅度、平台宽度的关系；黄六一等[10]采用模型试验和几何分析法对HDPE圆形升降式网箱在静水中下沉时最大倾角做了研究，找出了网箱沉降最大倾角与网箱系统参数的关系；赵云鹏[11]运用数值模拟研究了纯流作用下网箱下潜后的运动情况，发现了网箱变形、浮架倾角和流速的关系；黄滨等[12]通过大量海上网箱沉浮试验分析，得出影响网箱沉降性能的外在和内在因素，并提出解决方案；刘永利等[13]提出一种升降式网箱，并通过海上试验，检验了其升降稳定性；陈昌平等[14]采用物理模型试验及数值模拟的方法，对双体组合式网箱在漂浮状态下的浮架倾角和浮架中心点运动幅度进行了研究，得到了二者与水流流速、波浪高度、波浪周期的关系。Kim等[15]开发了一种气控半刚性网箱自动沉浮系统，并通过试验测试了其升降性能与数值模拟结果对比；Kitazawa等[16]提出了一种使用柔性软管的可沉浮式网箱，检验了其在水流条件下的沉浮稳定性。

目前国内外关于可沉浮式网箱升降控制的研究主要集中在双浮管升降式网箱和刚性沉浮式网箱。前者沉浮性能不佳、操作烦琐，后者工艺复杂、造价高昂。为此，本研究中构建了一种带螺旋浮管结构的浮架，设计出一种可沉浮式网箱的升降控制系统，以实现网箱在静水和纯流中稳定地沉浮。当水体通过注水阀进入浮管，网箱重力大于浮力，网箱下沉；当压缩空气通过充气阀进入浮管，排出管内水体，网箱浮力大于重力，网箱上升。该设计的优点是，网箱沉浮时浮架受力均匀，可以有效地抑制网箱的倾斜和变形。

1 材料与方法

1.1 试验设备

试验在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室的波流水槽中进行，水槽长为69 m，宽为2 m，深为1.8 m，配有吸收式不规则波造波机、微机控制与数据采集系统及两台0.8 m3/s轴流泵的双向造流系统，其他设备包括ADV流速仪、流量计、CCD相机、数据采集系统、空气压缩机、计算机等。

1.2 浮架与底圈系统

原型网箱的浮架由两根高密度聚乙烯浮管、骨架和连接件等组成，两浮管绕圆周方向螺旋对称排列(图2、图3)，浮架与底圈具体尺寸见表1。

综合考虑物理模型的几何相似、运动相似和重力相似定律[17]，最终确定网箱模型的主比尺为λ=40。

表1 网箱模型参数

1.3 网衣系统

网衣是一种由网线构成的柔性结构物，由于网目尺寸和网线直径很小，若完全按照主比尺制作网衣模型十分困难，而且会给网衣水动力模拟造成较大误差。考虑到网衣受力主要为水流阻力，本试验中采用等效网衣的方法[18]进行网衣的模拟。原型网衣和模型网衣的几何参数如表1所示，网箱模型实物图如图4所示。

1.4 系泊系统

网箱模型系泊型式，采用八点锚碇，锚固锚绳长147 cm,连接锚绳长51 cm,网格锚绳长100 cm，网格锚绳位于水下10 cm处，网箱沉浮深度为20 cm(图5-A)。由于试验场地限制，模型试验中，系泊系统中锚固锚绳的布置采用截断形式(图5-B、5-C)，截断锚绳的长度为52 cm。

1.5 试验工况

本试验中设计了5种流速，试验水深为0.5 m，试验工况见表2。为了实现网箱模型的下沉，需通过注水阀将水体同时注入浮管1和浮管2，排出两管中气体，当网箱重力大于浮力，网箱下沉。要使网箱上浮，只需向浮管1和浮管2充气，排空两管中液体，当网箱浮力大于重力，网箱上浮。两支浮管注水、充气阀均通过柔性软管与流量计、空气压缩机相连，注水、充气速率通过流量计控制，注水流量为0.08 L/min，充气流量为0.16 L/min。

表2 网箱模型计算工况表Tab.2 Velocity conditions in calculation

1.6 运动特性求解方法

试验时CCD相机镜头与浮绳框处于同一水平面，并保持恒定的距离和视角，通过CCD相机记录网箱运动过程，获得连续图像，利用大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室自行研发的图像分析程序对图像后处理[19]，得到跟踪点即网箱浮架的运动轨迹及浮架中心点运动的位移、速度、加速度及倾角等。其中倾角为两跟踪点所在直线与水面的夹角，取顺时针夹角为正，逆时针夹角为负。

2 结果与分析

2.1 浮架沉浮时倾角和速度

本试验中，通过分析网箱浮架在0、4、7、10、13 cm/s 5种流速下，网箱沉浮时浮架倾角，以及浮架中心运动的位移，来定量地说明该可沉浮网箱设计的合理性。

分析浮架下沉阶段倾角(图6)可知，当流速为0 cm/s时，浮架在静水中下沉时的最大倾角为2.38°，当流速为4、7、10、13 cm/s时，网箱下沉阶段浮架对应的最大倾角分别为-6.41°、-10.04°、-13.84°、-15.68°，这表明，网箱下沉阶段浮架最大倾角随着流速的增大而增大。

分析浮架上浮阶段倾角(图7)可知，当流速为0 cm/s时，浮架在静水中上浮时的最大倾角为1.91°，当流速为4、7、10、13 cm/s时，网箱上浮阶段浮架对应的最大倾角分别为-4.82°、-10.14°、-12.24°、-13.98°，这表明，网箱上浮阶段浮架最大倾角随着流速的增大而增大。

通过分析网箱浮架自开始注水(或充气)到下沉(或上浮)20 cm的时间，来表示网箱浮架沉浮速度。由图8可知，当流速为0、4、7、10、13 cm/s时，网箱下沉所需时间分别为49、66.5、69、72、76 s，这表明，网箱下沉阶段耗费时间随着流速增大而增加，即网箱浮架下沉速度随着流速增大而减小。

由图9可知，当流速为0、4、7、10、13 cm/s时，网箱上浮所需时间分别为30、32、34、36.5、38 s，这表明，网箱上浮阶段耗费时间随着流速增大而增加，即网箱浮架上浮速度随着流速增大而减小。

综上可知，与静水相比，在水流作用下，网箱模型沉浮时浮架产生的最大倾角明显增加，且随着流速的增大浮架沉浮时最大倾角增大，此外，网箱下沉和上浮速度随着流速增大而减小。

2.2 浮架的匀速运动

网箱下沉和上浮运动过程中均存在匀速运动阶段。对于网箱下沉阶段，取流速为0、4、7 cm/s时网箱浮架中心点竖直向位移进行分析，对浮架的匀速运动阶段各点采用最小二乘法进行直线拟合(图10)，得到下沉匀速运动阶段速度分别为2.34、1.34、0.90 cm/s，对应的匀速运动时间分别为7.0、8.5、12.5 s；对于网箱上浮阶段，取流速为0、4、7、10、13 cm/s时网箱浮架中心点竖直向位移进行分析，对浮架的匀速运动阶段各点采用最小二乘法进行直线拟合(图11)，得到上浮匀速运动阶段速度分别为3.57、2.97、2.39、1.97、1.45 cm/s，对应的匀速运动时间分别为4.5、5.0、5.5、6.5、9.0 s。

综上可知，在网箱下沉和上浮的匀速运动阶段，其匀速运动的速度随流速增大而减小，网箱做匀速运动的时间随着流速增大而增加。

3 讨论

本研究中采用物理模型试验方法，研究了可沉浮式网箱在静水和纯流下的升降运动特性。结果表明，与静水相比，在水流作用下，网箱模型沉浮时浮架产生的最大倾角明显增加，且浮架沉浮时最大倾角随着流速增大而增大。产生这种现象的原因是在水流作用下，网箱受到逆时针方向转动力矩作用处于倾斜状态。当网箱开始下沉时，在转动力矩作用下网箱迎流侧先下沉，随着网箱迎流侧的下沉，网箱背流侧也开始下沉，当迎流侧连接锚绳开始张紧时，网箱迎流侧下沉速度减慢，在网箱两侧下沉速度一致时，网箱达到最大倾角；当网箱开始上浮时，在转动力矩作用下网箱背流侧先上浮，随着网箱背流侧的上浮，网箱迎流侧也开始上浮，当背流侧连接锚绳开始张紧时，网箱背流侧下沉速度减慢，在网箱两侧下沉速度一致时，网箱达到最大倾角。随着流速的增大，转动力矩也增大，故网箱在沉浮过程中产生的最大倾角随之增大。

在水流作用下，网箱下沉和上浮时浮架最大倾角出现在网箱匀速运动阶段，产生这种现象的原因是网箱在加速运动阶段受到了较大的转动力矩。建议网箱在纯流效应下升降时，适当增加网箱下游侧浮架或沉子的配重以抵消转动力矩，从而网箱获得更稳定的升降性能。

4 结论

本试验中构建了一种可沉浮式网箱模型，其主要特点是网箱浮架具有双螺旋分舱结构。经过对该网箱模型进行试验测试，完成了网箱沉浮的升降运动特性分析，得出如下结论。

(1) 静水和纯流下，网箱表现出优良的沉浮稳定性。

(2) 与静水相比，在水流作用下，网箱沉浮时浮架产生的最大倾角明显增加，且随着流速增大，浮架最大倾角增大。

(3) 网箱下沉和上浮阶段耗费的时间随着流速增大而增加，网箱下沉和上浮速度随着流速增大而减小。

(4) 在网箱下沉和上浮的匀速运动阶段，其匀速运动的速度随流速增大而减小，网箱做匀速运动的时间随着流速增大而增加。