重力式深水网箱的抗台设计与水动力性能分析

2021-03-02郭帅郭建廷卞向前

船海工程 2021年1期

郭帅，郭建廷，卞向前

(江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江 212003)

重力式深水网箱的结构形式简易、成本低廉、养殖容积大，操作使用方便，应用广泛，但因其较传统养殖网箱所在区域水更深，离岸更远，故容易受到台风灾害的破坏。在台风作用下，重力式网箱常见破坏形式主要为浮架的损坏、网衣变形导致的容积严重损失及系泊缆的破断或走锚[1]。针对深水重力式网箱抗台风能力的研究，在规则与不规则波浪中进行网箱试验和数值模拟，开发网箱生存条件的数值计算工具[2]。针对南海台风下的恶劣海况，在重力式网箱的浮架上外接三角形框架，提出六三型单点系泊的网箱[3]；针对网箱升降过程中易发生倾斜和变形的问题，利用圆周螺旋型浮管设计网箱升降系统，通过注水充气实现网箱下沉与上浮，使升降过程中浮管沿圆周方向受力均匀对称[4]。关于网箱的水动力性能有基于有限元方法，结合网箱试验与数值计算，提出网箱系统动力响应分析方法[5]；采用集中质量法和刚体运动学原理，研究波流逆向和同向作用下重力式网箱的水动力响应[6]；采用数值模拟方法探究了3种系泊系统下锚绳张力变化规律，并设计制作1种传感器，完成了在台风天气下实地测量网箱锚绳张力的试验[7]。目前针对提升重力式网箱抗台能力的新型系泊设计研究有限，为此，考虑以一典型重力式深水网箱为研究对象，结合传统网格式系泊，提出在底部附加系泊缆的新型抗台设计方案，基于势流理论和非线性有限元方法，建立网箱数值模型，并对比分析在不同台风工况下传统网格式和新型抗台式系泊的网箱系泊缆张力、浮架运动和网箱变形。

1 水动力学相关理论

1.1 网箱及系泊系统耦合运动控制方程

采用全耦合时域分析法分析网箱及系泊系统的运动，其非线性运动控制方程[8]的时域形式为

(1)

式中：r为结构位移矢量；MS为结构质量矩阵；MH为水动力质量矩阵；CS为结构阻尼矩阵；CH为水动力阻尼矩阵，KS为结构刚度矩阵；RE为外力矢量。利用Newmark-β数值积分方法求解此方程。

1.2 网衣阻力和升力计算方法

当网线完全浸没在水中，网衣阻力和升力[9]根据莫里森公式计算。

(2)

(3)

式中：ρ为水的密度；A为网面的面积；U为合成速度矢量；θ为网面冲角；Cd和Cl分别为阻力和升力系数。

Cd=0.04+(-0.04+0.33Sn+

(4)

(5)

式中：θ为网面冲角；Sn为网衣密实度，取值范围为0.13～0.32。

1.3 网衣变形的表征参数

网衣密实度Sn为网线实际面积和网目投影面积之间的比率。网目形状和参数见图1，网衣密实度Sn计算公式[11]为

图1 网目形状和参数

(6)

式中：λ为网目边长；d为线径。

流速衰减因子γ，定义经过网衣后速度衰减为u，与初始水流速度U的，关系为

u=γU

(7)

2 典型重力式网箱新型抗台设计方案

2.1 典型重力式网箱特点及参数

重力式网箱主要由浮架、网衣、系泊和配重系统组成，其中网衣属于小尺度柔性结构物，在环境载荷作用下会产生大变形，所以网衣依靠由底环和中心配重组成的配重系统来保持网箱的养殖容积。对某典型重力式深水网箱，利用SESAM软件的SIMA模块，建立了传统网格式系泊的重力式数值网箱，见图2。

图2 传统网格式系泊的重力式网箱(单位：m)

柔性网衣沿圆周均匀分成24片网面，见图3。

图3 杆单元表示的柔性网衣模型

每个网面采用含杆单元的细长线表示，网面的等效参数通过计算附加在杆单元上。网衣和系泊缆的材料参数见表1和表2。重力式网箱的传统网格式系泊布置，见图4。由图4可见，浮架上标记点F0至F3的监测位置和传统网格式系泊系统的布置。

表1 网衣材料参数

表2 网格式复合系泊缆参数

图4 重力式网箱的传统网格式系泊布置

2.2 重力式网箱的新型系泊抗台设计方案

在网箱底部布置系泊缆，使网箱在台风工况下顺流偏移并下沉，降低波浪的冲击，从而减小网箱的整体变形和受力。

如图5a)所示，在浮架上对称布置4根外伸缆绳和末端卸扣，底环上增设4个导缆孔。附加系泊缆从导缆孔和末端卸扣穿过，并在顶部连接浮球。浮球中放置长度可伸缩的缆绳，在正常工作状态下，附加系泊缆可将受到的拉力传递到浮球上，减小对网箱的运动和受力影响。在恶劣海况下，将4根附加系泊缆从顶部牵引拉直，用连接绳进行底部约束，从而实现附加系泊缆与网箱底环结构的固定。如图5b)所示，附加系泊缆编号为9～12号，数值计算中将附加系泊缆连接至底环，附加系泊缆采用聚酯纤维绳，材料参数见表2。为避免与网格式系泊缆相交，附加系泊缆采用半张紧式系泊，系泊半径为30 m。

图5 网箱的新型系泊抗台设计方案

3 算例及数值分析

计算在典型台风工况下新型抗台系泊网箱规则波作用下的水动力，与传统网格式网箱的系泊缆张力、浮架运动和网箱变形计算结果对比见表3。

表3 台风工况

3.1 系泊缆最大张力计算结果及对比分析

系泊缆最大张力可以反映网箱在波浪和水流作用下的受力特性，是衡量网箱系泊安全的重要参数。不同工况下传统网格式和新型抗台式系泊的网箱系泊缆最大张力对比见图6。

图6 网箱系泊缆最大张力

网箱系泊缆对称布置，张力呈对称分布。由图6可知，在不同工况下网箱的6号系泊缆均受力最大。新型抗台式系泊的网箱6号系泊缆最大张力随波高增加了9.92%，小于传统网格式的15.74%，降低了系泊缆因疲劳而破断的风险。

根据API RP 2SK规范[11]，动态分析方法下系泊缆的张力限值为60%，即以安全系数为1.67作为衡量系泊安全的标准。网箱6号系泊缆张力和安全系数见表4。

表4 网箱6号系泊缆张力和安全系数

根据表4，各工况下网箱的系泊缆最大张力均满足API规范校核。与传统网格式相比，新型抗台式6号系泊缆最大张力平均下降了26.61%，并保留了较大的安全裕度。

3.2 网箱运动计算结果及对比分析

网箱的运动特性主要包括倾角、水平运动响应和垂直运动响应。不同工况下传统网格式和新型抗台式系泊的网箱浮架倾角的时历曲线比较见图7。

图7表明，不同工况下新型抗台式系泊的网箱浮架倾角均小于传统网格式。和传统网格式相比，工况1和2下新型抗台式系泊的网箱浮架倾角分别降低了0.79°和0.95°；工况3和4下新型抗台式系泊的网箱浮架倾角分别降低了3.75°和3.80°，改善了网箱的工作条件。

不同工况下传统网格式和新型抗台式系泊的网箱的水平与垂直最大偏移量对比见图8。浮架上标记前点在入射角0°时分别为F0和F1；标记后点在入射角45°时分别为F2和F3。

图8 网箱的水平与垂直最大偏移量比较

图8表明，新型抗台式系泊的网箱水平与垂直最大偏移量均小于传统网格式。和传统网格式相比，新型抗台式系泊的网箱水平偏移量平均降低7.81%。垂直偏移量平均增加59.71%，整体的垂直平衡位置比传统网格式的网箱降低了约3.75 m，故新型抗台式系泊的网箱可以通过下沉降低波浪的冲击。

3.3 网箱变形计算结果及对比分析

体积剩余系数用于衡量网箱的变形程度。根据文献[10]提出的网衣坐标法进行计算，网箱变形破坏的程度和等级根据文献[1]提出的重力式网箱受灾破坏的水动力阈值表确定。

网箱的体积剩余系数对比见图9。由图9可知，传统网格式系泊的网箱在工况1和3下，体积剩余系数略大于50%，网箱发生轻度破坏，破坏等级为IV；在工况2和4下，体积剩余系数小于50%，网箱发生中度破坏，破坏等级为III，均不满足正常工作要求。而新型抗台式系泊的网箱体积剩余系数在各工况下均大于85%，明显高于网箱容积的破坏阈值。与传统网格式相比，在工况1和3下新型抗台式体积剩余系数增加了70%以上，工况2和4下新型抗台式体积剩余系数增加了100%左右，网箱的变形显著降低，故此抗台设计方案可以保持更加充裕的网箱体积，提升网箱养殖的成活率和经济收益。