水流作用下自升降式张力腿网箱水动力学特性试验研究

黄六一，杨 正，李玉岩，邬骞力，王 刚，程 晖

(中国海洋大学水产学院，山东 青岛 266003)

随着近岸养殖空间的压缩以及养殖环境的恶化，深远海网箱养殖已经成为中国乃至世界海水鱼类养殖的一个重要的发展方向[1-5]。深远海网箱大多布设在开放海域中，对网箱的抗风浪和耐流性能提出了更高的要求。深远海网箱有多种形式，其中自升降式张力腿网箱(Tension Leg Cages，简称TLC型网箱)是挪威近年来研发的一种先进的深远海网箱。该类型网箱在正常海况条件下，网箱顶部漂浮于海面，方便生产管理，在大风浪条件下，海域近海面水层会产生较强的风生流，依靠水流作用，网箱顺流偏移，顶部自动下沉到水面以下，从而减小波浪对网箱系统的冲击，确保网箱系统安全[6-7]。另一方面，张力腿网箱占海面积与网箱箱体水平截面面积相当，能够大幅降低网箱系统占海面积，从而提高养殖海域的利用率。因此开展张力腿网箱水动力学特性研究，为开发适合满足中国深远海网箱养殖装备提供理论和技术参考，具有重要的意义。网箱的不同部件、锚泊方式、网箱类型等都会对网箱性能产生影响，国内外学者通过模型试验和数值计算等方法已开展了较多研究[8-21]，这些研究主要集中在重力式类型网箱上，而对于张力腿网箱的研究还较少。

通过物理模型试验，研究水流作用下张力腿网箱缆绳张力、网箱下潜深度以及容积损失率与流速的关系，以期为张力腿网箱的设计和变形应用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 模型网箱

张力腿网箱系统主要由浮框、坛子型箱体、张力腿和锚碇四部分组成。本试验选取拟投放于海域水深30 m的实物张力腿网箱为研究对象。网箱主要参数为坛子型箱体顶部周长30 m，肩颈部位网高6 m，主体周长60 m，网高10 m，网目大小37.5 mm，网线直径3 mm；顶部浮管直径200 mm，壁厚11.9 mm。试验采用田内准则设计制作网箱模型，根据试验水槽的尺寸和实际材料的规格，选取大比例尺30∶1，小比例尺3∶1(图1)。模型网箱参数见表1。按照试验准则换算的该尺寸的高密度聚乙烯(HDPE)管难以制作成模型网箱所需规格浮框，故选用铝塑管作为模型网箱的浮管材料，浮力不足部分采用泡沫填充于双浮管之间。锚泊缆绳系统底部通过配置0.25 m长度铁链，作为底部配重以及控制缆绳的伸长。

图1 模型网箱实物图

表1 模型网箱参数

1.2 试验设备

试验在中国海洋大学水产学院增殖养殖工程水动力实验室循环水槽中进行，循环水槽的试验段尺寸为4.0 m×1.2 m×1.0 m，稳定的流速范围为0.1～0.8 m/s；试验中使用拉力计(定制，量程0～10 kg，精度±0.69‰ )测量缆绳拉力，使用小威龙Vectrino点式流速仪(量程0～2 m/s，精度±0.5%)测量水流速度。

1.3 试验网箱布设

试验布设如图2所示。网箱主体为坛子形网袋，网箱顶部为圆形双管浮架，网袋底部形状为正六边形，网袋底部设置一个加强环防止网衣变形，通过6根缆绳连接底部正六边形锚碇连接固定，缆绳与锚锭之间连接一段铁链，用于控制网箱的上浮和下潜。

网箱锚泊系统与来流方向采用左右对称布设，拉力计采用单侧布设。如图2所示，在一侧的3根缆绳上放置1#、2#、3#共3个拉力计，另外3根缆绳受力与之对应相等。在网箱前端设置一个流速仪，用以测量实际试验流速。并在网箱上选取了9个特征点，记录特征点在水平方向(X轴)与竖直方向(Z轴)的位移量。

图2 试验布设图

1.4 数据测量与处理方法

1.4.1数据换算

本试验采用田内准则计算水流作用下网箱阻力与变形，田内准则的比例关系如下[22-23]：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：下标p代表原型，下标m代表模型；λ—大尺度比；λ'—小尺度比；l—主尺度，m；a—网目目脚长度，m；d—网线直径，m；v—水流速度，m/s；φ—浮管直径，m。

根据田内准则对进行换算，获得出实际网箱的阻力和位移。

Fp=Fm×λ2×λ'

(5)

Xp=Xm×λ

(6)

式中：F—缆绳张力，N；X—网箱位移，m。

1.4.2 位移测量

纯流作用下的张力腿网箱运动特性主要体现在网衣的变形、网箱的漂移和沉降等。试验主要通过自主设计的激光测距仪来测量网箱特征点位的水平和垂直位移，用于测算网箱的容积损失和网箱的下潜深度。其中网箱的下潜深度以浮框上侧面2号特征点的垂直位移测算。选取2号特征点的依据为考虑框架在水流作用时倾斜不大，且与来流方向左右对称。

1.4.3 容积损失计算

网箱的容积损失是评估网箱养殖空间的重要方法，而网衣作为一种柔性的材料，在水流作用下形变十分复杂，增加了网箱的容积损失的计算难度。唐宏结[24]曾在模型试验中采用投影面积的方法估算网衣的容积损失，毛雨婵[25]通过比较投影面积法和数值计算网衣的空间坐标来计算容积损失，发现两者差异不超过8%。本试验采用投影面积法进行估算网箱容积损失，将网箱侧面投影简化为8个三角形，通过将三角形的面积累加计算投影面积变化，从而得出网箱容积损失率。

1.5 试验网箱配置

根据设计经验和相关的参考文献，网箱的受力、容积损失和升降性能与网箱的配重大小、浮沉比例、网袋形状、锚泊形式等有关系[26-31]。本试验通过改变铁链规格、浮架浮力，研究浮沉比对网箱缆绳张力、网箱下潜深度、容积损失的影响，不同网箱的配置方案如下：

cage 1，配重2 mm铁链(约43 g×6，对应原型配重116.1 kg×6)；cage 2，配重3mm铁链(约83 g×6，对应原型配重224.1 kg×6)；cage 3，配重4mm铁链(约148 g×6，对应原型配重339.6 kg×6)；cage 4，配重2 mm铁链，浮架增加12个浮球(对应增加原型浮力486.0 kg)；cage 5，配重3 mm铁链，浮架增加12个浮球；cage 6，配重4 mm铁链，浮架增加12个浮球。

1.6 试验工况

根据网箱养殖区流速以及循环水槽的试验流速范围，选取原型流速分别为：0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 m/s根据田内准则换算的试验流速对应为：0.231、0.289、0.346、0.404、0.462 m/s。

2 结果

2.1 缆绳张力

图3、图4、图5和图6为cage1、cage3、cage4和cage6各缆绳张力与流速关系曲线。4种网箱配置均为迎流面的1号缆绳受力最大，但各缆绳的受力分布会受到配重和浮力的影响。由图3(cage1)和图4(cage3)可知，低配重条件下，主要由1号缆绳受力(最大张力与流速呈线性关系)，侧面缆绳受力较小；高配重条件下，2号缆绳受力明显增加，但随着流速的增加变化不大，从而降低了1号缆绳的受力，这样使得网箱的各缆绳受力相对均衡；由图3(cage1)和图5(cage4)可知，增加浮架浮力，对缆绳的张力分布影响不大，而1号缆绳的最大张力有明显增加；由图4(cage3)和图6(cage6)可知，增加浮架浮力，侧面缆绳张力会随着流速增加而增加，导致cage6的1号缆绳的最大张力小于cage3，说明网箱的缆绳受力更加均衡。

图3 cage1缆绳张力与流速关系

图4 cage3缆绳张力与流速关系

图5 cage4缆绳张力与流速关系

图6 cage6缆绳张力与流速关系

图7、图8是流速为0.4 m/s和0.8 m/s时缆绳张力与网箱配置的关系。可以发现，增加浮架的浮力和配重改变各缆绳的张力分布，配重增加到一定程度时，能够使网箱各缆绳受力更为均衡。在实际流速0.8 m/s时增加浮架浮力的cage 4、5、6的最大缆绳张力比cage1、2、3分别增加了34.4%、34.2%、-0.2%。缆绳张力最大的网箱是缆绳配重224 kg的cage5，最大缆绳张力可达30 kN。

图7 流速为0.4 m/s时缆绳张力与网箱配置的关系

图8 流速0.8 m/s时缆绳张力与网箱配置的关系

2.2 网箱下潜深度

网箱下潜深度是决定网箱抗风浪能力的重要因素之一，各网箱垂直位移与流速关系如图9所示。由图9可知，各配置网箱的下潜深度与流速基本呈线性关系，流速小于0.4 m/s时均未下潜，流速0.5 m/s时，各网箱下潜深度差异并不明显，均值在2.5 m左右。整体上cage1下潜深度最大，其次为cage2，cage6下潜最浅。流速0.8 m/s时，cage6下潜深度最小达11.91 m，cage1下潜深度最高达17.79 m；未增加浮架浮力的cage1、2、3分别比增加浮球的cage4、5、6下潜深度分别增加16.8%、30.6%、20.4%。

图9 各网箱垂直位移与流速关系

2.3 网箱容积损失

本研究的网箱容积损失率采用网箱侧向投影面积的损失率得出。图10为各网箱容积损失率与流速的关系。各网箱的容积损失率随着流速的增加逐渐增大。各网箱在低流速下差异并不明显，而在高流速下差异较大，当流速为0.8 m/s时，cage1容积损失率为32.5%， cage6容积损失率最小为9.8%。由图10可知，在高流速下网箱容积损失率由于浮架浮力增加和配重的增加均会产生影响。在0.8 m/s的流速下，浮架增加浮力的cage4、5、6的容积损失率比没有增加浮力的cage1、2、3容积分别减小9.3%、11.1%、10.0%，增加配重的cage3、cage6的容积损失率比未增加配重的cage1、cage4分别减小12.7%、13.3%。

图10 不同网箱容积损失率与流速关系

3 讨论

3.1 张力腿网箱缆绳张力

缆绳张力是设计网箱系泊的重要参数，缆绳的最大张力决定了网箱所用缆绳的尺寸、强度[27]。通过模型试验可以发现，各缆绳受力不均衡，最大缆绳受力出现在迎流面上，缆绳最大张力随着流速的增加而增加，当配重增加到一定程度时，缆绳张力相对均衡。从试验时网箱形态分析，各配置网箱在低配重条件时迎流面缆绳处于拉紧状态，其他缆绳相对松弛，当配重增加到一定程度时，侧面缆绳由相对松弛变为拉紧状态，从而导致缆绳张力更加均衡。在纯流条件下，网箱阻力主要取决于网衣在水流方向投影，在张力腿网箱中，因不同流速下网箱位移和网衣形变造成的网片冲角变化是影响网箱阻力的主要因素。增加浮架的浮力，可以使网箱在高流速下潜入水中后能更好地保持箱体形状，增加了网衣在水流方向投影，导致网箱阻力增大，从而增加了整体缆绳的张力，这与重力式网箱增加沉力的研究结果基本一致[9]。在高流速下(0.8 m/s)，处于迎流侧的缆绳张力最高可达30 kN，对系泊缆绳安全性提出了较高要求，因此可以适当增加缆绳配重，使缆绳受力更加均衡。根据风生流理论，水流速度随深度增加减少，张力腿网箱下潜后受到的来流速度应小于表层流速，因此实际受下沉深度、流速共同作用，缆绳张力应小于实验值，但流速变化随水深等具体变化数值较为复杂，有待进一步研究。

3.2 网箱的下潜深度

张力腿网箱与常规的浮式网箱比较是可以在恶劣海况条件下，依靠水流作用，网箱沉入水中，根据波浪与风生流理论可知，波浪能量与风生流的水流速度随水深增加逐渐减小，可以使张力腿网箱避免风浪的冲击，降低网箱系统被破坏的概率以及提高箱体在水中的稳定性。因此，下潜深度是影响张力腿网箱抗风浪性能的重要因素。根据郑琦[10]的研究，网箱浮架下潜至水深的1/3处，锚绳受力和网箱浮架运动衰减较快，可有效避开海面风浪的冲击。在流速0.8 m/s时，本试验中网箱在30 m水深条件下，可以下潜11.91～17.79 m，能够满足上述要求，达到抗风浪目的。另外浮架的浮力对下潜深度有明显控制作用，浮力的增加可使网箱下潜深度变小。因此可根据海区浪流特点、作业需要调整浮力，使网箱顶部沉降深度达到一个合理的风浪作用较小的水层。

3.3 容积损失率

试验结果表明，各网箱随着流速的增加投影面积逐渐减小，在低流速条件下各网箱投影面积没有减少反而增大，这是由于在网衣制作过程中网片缝合工艺以及网箱肩颈部网衣在漂浮时被挤压，导致网箱在低流速下拉伸肩颈部网衣导致网箱投影面积出现增大，这与桂福坤等[9]研究结果一致。低流速下容积损失差异较小，在高流速下增加浮架浮力和配重对容积损失率均可产生明显的影响。由此可知，网箱的容积损失由网箱配重和浮架浮力共同作用。根据黄小华等[26]的研究，圆形网衣在配重400 kg、流速0.75 m/s时，网衣容积损失率达到50%以上。而本试验中各类网箱在流速0.8 m/s时容积损失率，最大为32.5%，可以发现在较高流速时张力腿网箱的容积损失率小于其他重力式网箱。

4 结论

通过水槽模型试验从缆绳张力、下潜深度和容积损失率3个角度分析了张力腿网箱在纯流作用的水动力特性。张力腿网箱缆绳最大张力出现在迎流面缆绳上，且随流速增加而增大。在低配重条件下，缆绳最大张力与流速呈线性关系，在高配重条件下侧面缆绳张力明显增加，使网箱缆绳受力更加均衡。浮架浮力和配重的增加，使得网箱最大缆绳张力有所增加。张力腿网箱可以在水流作用下下潜至适宜的深度，从而达到抗风浪的目的。在低流速下张力腿网箱容积损失率较小，在高流速下增加浮架浮力和配重会使容积损失率有一定的增加。

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