17级台风工况下玄武岩纤维大型海洋网箱的水动力特性研究

郑思宇 张宇萱 魏名山 杨中甲

摘要：网箱浮架是我国深水养殖的重要设施装备，其水动力特性直接关系其工作稳定性。文章针对3层桁架式海洋网箱浮架建立有限元模型，采用流固耦合方法对17级台风正面来流条件下的网箱浮架水动力特性展开模拟计算，并对比分析有无网衣时网箱浮架水动力特性的变化规律。结果表明：在台风正面来流的情况下，网箱浮架的饵料舱侧向支撑点、上层步道板连接管迎浪侧和中层承力结构交叉点是应力集中的主要区域;当浮架悬挂网衣结构时，其垂荡距离减小，但纵摇程度加剧，即网衣结构有利于浮架结构在垂直方向上的稳定，但增加其纵摇运动强度;当悬挂网衣结构时，由于浮架在垂直方向上更为稳定，其饵料舱侧向支撑点、上层步道板连接管迎浪侧的最大应力分别降低5.1%和3.2%，中层承力结构交叉点的最大应力变化不明显，而迎浪侧中下层连接管的最大应力降低8.7%。

关键词：玄武岩纤维;海洋网箱;水动力特性;流固耦合;数值模拟

中图分类号：S967.1;P75 文献标志码：A 文章编号：1005-9857（2023）10-0129-08

1 研究背景及意义

当前我国临海重工业、滨海旅游业发展迅速，部分近岸海域污染严重，近海养殖业的发展空间被进一步压缩，海水养殖向离岸深水发展已成为业界共识。深水网箱通常设置于较深海域，具有养殖水产品品质好、产量高、效益大等优势，已成为我国拓展深水养殖空间的重要设施装备[1]。

玄武岩纤维是新型无机环保绿色高性能纤维材料，由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化铁和二氧化钛等氧化物组成。玄武岩纤维不仅强度高，而且具有电绝缘、耐腐蚀、耐高温、可降解等多种优异性能[2-3]，已在造船材料、隔热材料、汽车工业以及防护设备等领域得到广泛的应用。玄武岩纤维及其树脂基复合材料具有抗海水腐蚀、绿色环保的特性，可解决海洋牧场采用金属网箱的诸多弊病，因此成为目前海洋网箱结构材料的热门选择[4]。

近年来，随着海洋网箱大型化的发展，浮架形变问题不容忽视，过大的形变甚至会导致浮架失效或破坏，从而造成重大经济损失。因此，学者们针对不同环境下各种形式的大型海洋网箱水动力特性开展大量的实验及仿真研究。物理等效模型试验是常见的研究手段[5-6]，但小比例网箱模型在满足几何相似的条件下无法满足刚度相似的条件，等效试验难以准确观测浮架的形变特征，因此数值模拟成为当前研究大型深海网箱水动力特性的主要方式。Huang等[7]基于有限元法模拟研究高密度聚乙烯材料网箱浮架的水动力特性，提出浮架在波浪流的冲击下具有明显的形变，且越大的深水网箱的形变越大;崔勇等[8]研究2.4～12.0m 波高的海浪作用下半潜式养殖网箱的水动力特性，结论表明当波高一定时，网箱锚绳受力与波浪周期改变无明显关联，而网箱的垂荡、纵荡及纵摇均与波高呈正相关;崔勇等[9]针对双层网底鲆鲽网箱的水动力特性开展数值模拟研究，结论表明双层网底网箱下层网底的最大位移小于单层网底网箱，而最大倾角大于单层网底网箱;黄小华等[10]针对高密度聚乙烯深水网箱浮架的形变特性展开对比分析，在不同波流组合工况下发现，浮架形变随波高或流速的增加而增大，但受波浪周期的影响很小;曹宇等[11]采用应用质量集中法及Morison方程，研究重力式海洋网箱系统的受力分布及形变，结果表明工作海况下网衣受力最大的区域出现在靠近系泊缆部位，且迎浪流方向的网绳受力较大。从上述文献中可以看出，在恶劣海洋环境载荷作用下，深海网箱产生的摇荡和漂移运动直接影响网箱浮架的受力特征，也直接关系到深海网箱的工作稳定性，因此对深海网箱开展水动力特性分析具有重要意义。

本研究以3层桁架式海洋网箱为研究对象，网箱主体结构以玄武岩纤维制作，采用多物理场流固耦合分析方法，模拟分析恶劣海洋环境工况即大波浪、强风速、强流速下海洋网箱浮架结构的受力情况，获得该网箱浮架随波浪传播的运动规律，明确网箱所受风浪的载荷压力以及网箱主体结构的应力分布特征，对玄武岩纤维海洋网箱的应用具有一定的理論与工程指导意义。

2 研究方法

2.1 海洋网箱浮架模型及计算模型

3层桁架式海洋网箱采用玄武岩纤维复合材料，网箱整体最大质量可达85t，其中包括网箱主体结构质量54t、最大网衣质量16t、最大饵料装载量5t、饵料舱质量10t。网箱主体结构尺寸为36m×36m，分为上、中、下3层，每层间距约为1.45m，其中上层为步道板连接管、中层为主承力结构浮管、下层为增稳浮管。桁架上设置饵料舱、投饵设备和步道板。

考虑硬件资源和计算效率，对网箱几何模型进行简化处理。将中、下层连接件厚度与主浮管厚度一致设为10mm，将上层管件及连接杆件厚度设为5mm。由于外部风浪直接作用于饵料舱外部壳体，饵料舱内部设备等不受外部风浪载荷影响，可简化舱内结构，只保留饵料舱外部壳体，并对外部壳体封底。此外，在模型简化中去掉螺栓法兰，将上、中、下层的浮管、支撑杆、连接头、步道板和饵料舱等部件组合成整体。网箱的原始和简化结构如图1所示。

整体计算流体域总长为280m，水域及空气域总高度为65m，Y 方向宽度为120m。波浪和浮架的流固耦合分析分为2个部分：①外部波浪场建模，忽略浮架固体域，用外壁面等效为浮架整体，作为六自由度刚体在波浪中运动，同时监测浮架所受流体载荷力;②对固体域进行流固耦合分析，得到浮架所受应力情况。同时，为降低计算成本，将计算模型进行对称处理，在Y 方向上取网箱几何模型的50%，在仿真计算时将中间平面设为对称面，计算流体域如图2所示。

2.2 网格划分及边界条件

在商业软件Star-CCM+中进行网格划分，对浮架固体域和流体域分别使用四面体网格和切割体网格。为兼顾流体域网格质量和计算成本，流体域四周远场的网格尺寸设置较大，并在水面波浪处和浮架附近设置网格加密;网格尺寸最大为10 m、最小为0.06m，网格总数约1200万个;使用重叠网格，避免浮架随波浪传播运动造成的网格重构，节省计算时间。固体域整体为非结构网格，网箱管壁结构保证至少3层网格，网格尺寸最大为0.1m、最小为0.015m，网格总数约625万个。计算域网格如图3所示。

网箱外部流体域的流动方向为-X 方向到+X 方向，在远场设置速度入口和压力出口的边界条件，将四周设为壁面条件。波浪参数参考《热带气旋等级》（GB/T19201-2006），选择17级台风对应的海洋环境工况参数为本模型计算海况，其中流速为1.5m/s、风速为60m/s、波高为8.5m、周期为8s。计算域入口设置为速度入口，风速为60m/s、流速为1.5m/s;计算域出口设置为压力出口，相对压力为0Pa。

2.3 数值计算方法

对瞬态海洋波浪以及空气运动的模拟采用雷诺平均方法（RANS），以标准k-e 方程作为湍流模型，并采用隐式非稳态方法求解。由于海洋网箱漂浮于空气与海水的交界区域，自由界面为气液共存状态，可采用VOF波模型进行模拟。在实际应用中，网箱铺设地水深为30m，因此在计算浮架吃水线位置时只考虑浮架、饵料舱及饵料装载质量，暂不考虑网衣质量。下浮管中心位置坐标为（0，0，0），水面位置在X-Y 平面下方265mm 处，因此水面位置取-0.265m。

此外，真实情况下的海洋网箱设有16 条粗4mm的聚丙烯锚绳（图4），仿真时根据真实情况设置锚绳，下层浮管的锚绳固定于海底。为模拟浮架在波浪中的真实运动情况，选用DFBI模型并设置其能够在波浪作用下垂荡（沿Z 轴平移）和纵摇（绕Y 轴转动）。

本研究的求解计算分为2个步骤：①将网箱结构设为刚体，模拟波浪以及网箱在风浪中的运动，并计算海浪运动对网箱刚体施加的流体载荷;②在流体仿真结束后，将记录的每个时间步流体载荷按求解时间步施加到网箱固体外表面（载荷数据从流体边界映射到固体边界），开始求解固体域，并得到固体域所受应力情况。

3 结果与分析

3.1 正面来流下网箱浮架的水动力特性

初始波浪场在没有强风速作用时的波高最大，作用载荷也最大。随着波浪向前传播，60m/s的风速会对波浪产生影响，使得波形和海面流速发生变化，因此在波浪达到稳定传播状态时展开分析。第8个周期（T =57～64s）内不同时刻的流场分布如图5所示。

由图5可以看出，波峰处的流体速度远高于波谷处，波峰到波谷的变化可视为由深到浅的水深变化;这是由于海底具有摩擦作用，且浅水处的海底摩擦作用比深水处明显。

在此周期内，网箱浮架的垂荡和纵摇运动曲线如图6 所示。其中，垂荡运动向上最大距离为1.75m、向下最大距离为4.25m，纵摇运动顺时针旋转最大角度为10.1°、逆时针旋转最大角度为8.6°。在此周期内，不同时刻浮架所受流体载荷分布如图7所示。

由图7可以看出，3层浮架中下层表面的流体载荷大于上层，这是由于中下层是主要承力结构，其中下浮管所受流体载荷最大。因此，流体总载荷中的水流载荷占比高于风力载荷。选取浮架所受流体载荷最大的T =56s时刻，分析浮架所受应力情况（图8）。

由图8（a）可以看出，浮架结构迎浪侧的整体结构应力远高于其他区域，其中上层结构应力最为集中;其原因是波浪拍打至浮架时的流体载荷最大，由于上层结构管径是3层结构中最细的，其结构应力最明显并远高于中层和下层，且中下层管路受到海水剪切力的作用，其连接支撑结构处的应力也较明显。由图8（b）可以看出，饵料舱支撑点处的应力集中，饵料舱两侧撑脚连接处也出现应力集中现象;其原因是饵料舱主要依靠4个方向上的8根支撑管加固连接，当浮架结构随波浪浮动时，饵料舱同时受风力载荷和自身重力的影响，其舱体连接处必然应力集中;此外，由于饵料舱在沿波浪方向上存在倾覆的趋势，两侧管路对舱体具有拉紧作用，在沿来流方向的两侧撑脚连接处也存在应力集中。由图8（c）可以看出，浮架尾部远离波峰，所受流体载荷最小，因此浮架尾部的整体结构应力集中现象不明显;然而由于力的傳递作用，中层承力结构的十字交叉结构处存在一定的应力集中。

综上所述，根据最大应力由大到小排序，网箱浮架结构应力集中区域依次为饵料舱侧向支撑点、上层步道板连接管迎浪侧、中层承力结构交叉点、步道板连接管与饵料舱撑脚以及迎浪侧中下层连接管（表1）。

3.2 正面来流下网衣对网箱浮架水动力特性的影响

网衣质量为16t，在海洋生物附着的情况下其质量占比可达网箱整体的25%，因此有必要考虑悬挂网衣对网箱浮架水动力特性的影响。在几何结构处理时，将网衣与中层结构连结成一体并垂直于固定的桁架结构上。由于网衣位于水下，海洋生物附着会堵塞网衣的孔眼，当海水冲击网衣时会产生明显的表面载荷。为兼顾计算准确性及成本，本研究不将网衣视为多孔介质，而将网衣视为1块薄板，其长、宽、高与真实网衣保持一致，分别为15 m、15m和13m，薄板的厚度参考真实网衣钢绳直径取12mm，其简化模型如图9所示。此外，由于网衣底部受海水作用力不明显，薄板底部不进行封闭处理，这样既可模拟海水冲击网衣对浮架结构应力的影响，也能模拟海水完全浸没网衣的真实效果。

当浮架连接网衣后，垂荡运动向上最大距离为0.82m、向下最大距离为4.53m，与不带网衣的浮架结构相比分别减少0.93m 和增加0.28m，可见当浮架挂载网衣时受波浪冲击的垂荡运动更为平稳，网衣结构有利于浮架结构在垂直方向上的稳定。当浮架连接网衣后，纵摇运动顺时针旋转最大角度为9.1°、逆时针旋转最大角度为11.0°，与不带网衣的浮架结构相比分别减少1.0°和增加2.4°，可见当浮架挂载网衣时受波浪冲击的纵摇幅度有所增加（图10）。

将稳定后57～64s的3层浮架流体载荷数据作为固体域的边界条件，施加于浮架结构的固体域外表面，从而求解网箱浮架在17级台风工况下所受应力。需要说明的是，由于网衣受到流体载荷时的结构应力仍反映在主体浮架结构上，在结构应力分析中仅赋予浮架结构的外部载荷，并不赋予简化网衣所受载荷。T =56s时刻网箱浮架的运动状态及其在海浪中的位置如图11所示。

由圖11可以看出，浮架结构迎浪侧整体的结构应力依然远高于其他区域，其中上层结构应力最为集中;饵料舱支撑点以及两侧撑脚连接处也出现应力集中现象;浮架尾部远离波峰，所受流体载荷最小，因此浮架尾部整体的应力集中现象不明显。然而由于力的传递作用，中层承力结构的十字交叉结构处仍存在一定的应力集中。

考虑网衣影响时浮架各区域的最大应力如表2所示。

由表2可以看出，通过与不考虑网衣影响时的最大应力进行对比，除中层承力结构交叉点的最大应力变化不明显外，其他应力集中区域的最大应力均有不同程度的降低。因此，在海浪波峰拍打浮架时，网衣的存在不仅减弱浮架结构的垂荡运动，还使浮架结构沿波浪方向所受载荷减小以及流体剪切力降低。

4 结论

本研究利用有限元方法，对玄武岩纤维材料制作的3层深远海网箱建立数值模型，分析正面来流条件下网箱浮架的水动力特性，并对比分析有无网衣时网箱浮架的运动及所受应力情况，得到网衣结构对网箱浮架水动力特性的影响效果。

（1）在正面来流条件下，根据最大应力由大到小排序，网箱浮架结构应力集中区域依次为饵料舱侧向支撑点、上层步道板连接管迎浪侧、中层承力结构交叉点、步道板连接管与饵料舱撑脚以及迎浪侧中下层连接管。在后续的结构优化研究中，须对饵料舱侧向支撑点及上层连接管路进行加固处理。

（2）当网箱浮架悬挂网衣结构时，网衣结构有利于浮架结构在垂直方向上的稳定，但增加其纵摇运动强度。

（3）在网衣结构的影响下，由于网箱浮架垂荡距离减少，饵料舱侧向支撑点、上层步道板连接管迎浪侧的最大应力分别降低5.1%和3.2%，中层承力结构交叉点的最大应力变化不明显，迎浪侧中下层连接管的最大应力降低8.7%。

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