浅海围栏牧场设施工程数值模拟分析

邹海生 朱烨 洪扬 李超

摘要：为了研究浅海养殖围栏设施的可靠性、安全性，以我国海洋工程的桩基设计及渔用网片水动力性能研究为基础，应用现代仿真技术与计算机数值模拟技术，对围栏设施阻力进行模拟计算与分析。研究表明，对单一网片采用数值模拟的方法进行受力分析是可行的，其误差范围为±3 N，采用数值模拟方法对围栏设施的水动力性能进行研究，得出随着桩柱数的增加、流速的加快，围栏设施的总阻力也逐渐增大，同时在一定区间内其总阻力的变化小，适当增加桩柱数或选择合适桩柱数，对围栏设施有很好的保护作用。

关键词：养殖围栏设施;桩柱;网片;数值模拟

中图分类号： S953.2文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2020）08-0238-04

收稿日期：2019-03-22

基金项目：中国水产科学研究院基本科研业务费专项（编号：2017HY-ZD0603）。

作者简介：邹海生（1981—），男，安徽合肥人，工程师，主要从事海洋渔业装备设施研究。Tel：（021）67866750;E-mail：zouhaisheng@fmiri.ac.cn。

淺海牧场式围栏设施与生态养殖符合渔业转方式、调结构的发展方向，是海水养殖结构调整产业升级的重要新兴技术，有广阔的产业应用前景。围栏牧场养殖设施是渔业装备与工程集成应用、相辅相成的重要体现[1-5]。目前该模式发展迅速，但存在规模较小、成本较高、养殖对象单一、技术不够成熟等问题;同时在围栏构建中普遍缺乏关于风、浪、流的基础理论作依据，且国内相关研究较少，在实际使用中存在着结构安全性的问题，可造成养殖生产的巨大经济损失等问题。

赵云鹏等对不同流速和不同冲角组合情况下的单片网衣周围的流场进行了数值模拟[6];王磊等介绍了桩柱式铜合金围栏养殖发展现状及围栏结构强度，并提出几点建议[7];陈昌平等研究了水流作用下金属网衣的水阻力，结果发现，网线直径加大会增加水的阻力[8]。现有研究大部分都是利用数值方法对网衣受力进行3个方向上的分析，而关于桩柱和网衣的模拟研究鲜见报道。为研究立柱的抗风浪性能、围栏网绳的受力情况，本研究先采用Fluent软件对单一网片水动力性能进行数值模拟[9-10]，并修正计算过程和有关参数，验证数值模拟的可行性，再对不同流速下不同桩柱围栏设施受力情况以及在同一流速下，不同桩柱围栏设施的受力情况进行计算机模拟，探讨不同桩柱对围栏设施受力的影响，旨在为围栏设施的总体设计提供可靠的技术支持。

1 流体力学控制方程

海浪运动为不可压缩性流动，因此本研究中流体运动的控制方程采用不可压缩黏性流体Navier-Stokes方程组[11-12]：

ρt+xi（ρui）=0

t（ρui）+xj（ρuiuj）=-pxi+ρgi+xjμuixj+Si。（1）

式中：ρ为流体密度;t为时间;xi，xj（i=1，2，3;j=1，2，3）为3个方向上的空间坐标;ui、uj为3个方向的速度分量;p为压强;gi为3个方向上的加速度;μ为动力黏性系数;Si为源项。

RNGk-ε模型具有较高的精确度和可信度，已被广泛应用到各种湍流模拟中。本研究采用 RNGk-ε 模型进行模拟，对于不可压缩波浪，其输运方程为

kt+xi（kui）=xjakveffkxj+Gk-ε

εt+xi（εui）=xjaεveffεxj+G1εεkGk-G2εε2k。（2）

式中：veff为有效黏度;Gk为由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项;ε为湍流耗散率;常数ak=aε=1.39，G1ε=1.42，G2ε=1.68。

2 单一网片水动力性能数值模拟及试验验证

2.1 网片三维模型

利用计算流体力学软件Fluent对单一网片进行水动力性能数值模拟[13-14]，网片大小为480 mm×480 mm，网绳直径为4 mm，间距为40 mm，实际网绳为上下编织形状，但该形状在进行数值计算网格划分时比较繁琐，因此将网绳简化为相互穿透齐平形状，该简化操作对于数值计算结果的影响基本可以忽略，简化后的网片三维模型见图1。

2.2 网格划分

计算域选取网前1倍的网片长度，网后4倍的网片长度，如图2所示。为了得到更加精确的模拟效果以及节省计算时间，在网格划分时，将网绳附近的网格进行加密，网格由网绳处向外逐渐稀疏，以保证网格有良好的过渡性，这样既能保证计算的准确性，又能减少计算时间，整体域网格及网绳附近网格见图3。

由于要计算得到网绳对水流的阻力，而在网绳壁面附近流场变化比较剧烈，因此在划分网格时网绳周围要进行边界层网格划分，这样能够比较真实地捕捉网绳壁面附近的流场情况，网绳附近边界层网格见图4。

2.3 计算结果及试验验证

本研究模拟计算了流体流速为0.30、0.45、0.60、0.75、0.85 m/s时网片的阻力值，计算结果见表1。由表1、图5可以看出，数值模拟计算结果与试验结果吻合较好，说明数值模型的建立、湍流模型的选取、边界条件的设置及求解器的选取比较合理，误差范围为±3 N，由此说明数值模拟计算在网箱阻力计算上具有较好的可行性。

图6为单一网绳在流体流速为0.6 m/s时周围的压力和速度矢量分布， 在网绳迎流面由于受到网绳的阻滞流速会突然减小，压力增大，流到网绳两侧时速度会增大，网绳背面速度很小，因此所得到的数值模拟流场信息与实际相符。

3 围栏设施数值模拟及优化

3.1 不同桩柱数模型建立

在“2”节对单一网片数值模拟的基础上，对围栏设施进行受力计算， 围栏设施平面布局形式采用圆形，实际围栏设施直径大小为40 m，桩柱直径为 1 m，水深为10 m，取桩柱数为15、20、25、30进行计算，网目形状为正方形，数值模拟计算中缩尺比为 1 ∶20，图7给出了桩柱数为25的围栏设施平面及三维模型，模型总体直径为1 996 mm，桩距为 250 mm，相邻桩柱夹角为14.4°，桩柱直径为 50 mm。

由于围栏设施模型较大且网绳较细，导致整个模型的长宽比非常大，给网格划分带来了极大的难度，因此在模型高度上选取0.08 m进行计算，三维模型和数值计算模型见图7。

3.2 不同流体流速围栏设施阻力数值模拟结果

本研究计算了流体流速为0.11、0.22、0.34、0.45、0.56、0.67 m/s 时不同桩柱数围栏设施对水流的总阻力，计算结果见图8。

由图8可以看出，随着桩柱数的增加，流速的加快，围栏设施的总阻力也逐渐增大，在桩柱数为15根时，围栏设施阻力比其他桩柱数下小，说明此时围栏设施的主要受力在网绳上，随着桩柱数减少到一定数量时，总阻力表现为网绳的受力，水流冲击对于网绳的破坏较大，而当桩柱数增加到30根时，桩柱所受总阻力变大，水流对网绳的冲击力减小，此时对于网绳有保护作用。同时还可以看出，桩柱为15～25根时，围栏设施的总阻力相差不多，增加或者减小桩柱，总阻力变化不明显。

3.3 同一流速围栏设施所受阻力数值模拟结果

研究同一流速下，不同桩柱数围栏设施的受力情况。模拟计算了流速为0.45 m/s时围栏设施受力的变化情况。

从图9可以看出，在流速为0.45 m/s时，随着桩柱数的增加，围栏设施的总阻力增加;在桩柱数为17～20根时总阻力变化较小，而在桩柱数为 20～21根、24～25根、27～28根时总阻力变化较大，可以得出，在一定合理的范围内，增加桩柱数对总阻力无大影响。根据计算的数据， 拟合得出数学

模型：

y=-0.000 04x4+0.002 2x3-0.035 1x2+0.388 3x+8.990 7;

r2=0.989 7。（3）

4 结论

通过对5个流体流速下网片阻力进行数值模拟分析得出，流体在网绳两侧的速度会增大，网绳背面速度很小，且数值模拟的流场信息与实际相符。证明该数值模型可用于围栏桩柱的模拟性研究，通过分析不同桩柱数、不同流速下围栏设施总受力情况，最终可知，流速越大围栏设施受到阻力越大;同时在桩柱数为15～25根时，围栏设施总阻力相差不大;在同一流速下，17～20根桩柱范围内总阻力变化较小;所以在进行围栏设施设计时，为了保护网绳不被破坏可适当增加桩柱数量，但同时还需考虑成本、制造工艺等方面的问题，还可在一定范围内或总阻力跳变较大时，选择合适桩柱数。

参考文献：

[1]王 刚，孙一艳，雷 鹏，等. 浅海牧场式围栏设施中柱桩波流力计算方法比较[J]. 水道港口，2018，39（5）：549-555.

[2]桂福坤，陈天华，赵云鹏，等. 固定方式对桩柱式围网网片波浪力学特性影响研究[J]. 大连理工大学学报，2017，57（3）：285-292.

[3]颜慧慧，王凤霞. 中国海洋牧场研究文献综述[J]. 科技广场，2016（6）：162-167.

[4]许 强，刘舜斌，许 敏，等. 海洋牧场建设选址的初步研究——以舟山为例[J]. 渔业现代化，2011，38（2）：27-31.

[5]李 怡，叶修富，马家志，等. 大潮差下浅海养殖围网防纠缠技术试验研究[J]. 渔业现代化，2017，44（4）：44-49.

[6]赵云鹏，刘 兴，董国海. 单片网衣周围流场特性的数值模拟[J]. 中国科技论文在线，2010，5（7）：557-562.

[7]王 磊，王鲁民，黄 艇，等. 柱桩式铜合金围栏网养殖设施的发展现状与分析[J]. 渔业信息与战略，2017，32（3）：197-203.

[8]陈昌平，王 文，郑佳成，等. 水流作用下平面金属网衣水阻力特性数值模拟[J]. 大连海洋大学学报，2017，32（3）：363-368.

[9]趙双杰，平建国，刘 威. 基于FLUENT的数值分析水流对桥墩的影响[J]. 河南科技，2016（5）：108-110.

[10]毛 欣，衣淑娟，张 波. 基于fulent的组合式轴流装置谷物流运动分析[J]. 农机化研究，2009，31（8）：33-35.

[11]李 倩. 流体力学方程稳定化方法研究[D]. 太原：太原理工大学，2016.

[12]高 雯. 若干流体力学方程的研究[D]. 西安：西北大学，2014.

[13]陈 鹿. 网片水动力系数实验研究及数值模拟[D]. 上海：上海海洋大学，2015.

[14]陈天华，潘 昀，孟 昂，等. 桩柱式围网单元网片在水流作用下的水动力特性研究[J]. 水动力学研究与进展（A辑），2017，32（4）：511-519.