配重系统对HDPE圆形重力式网箱水动力特性影响研究

王 笑,黄六一,邬骞力,尤鑫星

(中国海洋大学水产学院,山东 青岛 266003)

海水养殖是中国水产养殖的重要组成部分,提供了约1/3的水产品,对于保障国家粮食安全发挥着重要作用[1]。近几十年来,由于受到近岸海域环境恶化、空间饱和等因素影响,中国海水养殖不断向深远海发展[2-4]。其中,深水重力式网箱养殖是深远海养殖的重要养殖模式和发展方向之一,2022年其产量达39.33万t,同比增长16.64%,在各类养殖方式中增速最快[5]。2023年6月农业农村部等八部委在《关于加快推进深远海养殖发展的意见》中指出今后一个阶段深远海养殖仍以深水重力式网箱为主。深水重力式网箱通常布设于深远海开放水域,易受到风浪和水流的影响,网箱的安全可靠是确保养殖成功的关键,因此如何提高网箱的耐流性和稳定性已成为重要研究方向之一[6-9]。

配重系统起着限制网衣变形,维持网箱有效养殖容积的作用,是重力式网箱的基本组成部分之一。国内外一些学者对网箱配重系统展开了相关研究:Lader等[10]采用物理模型试验方法,设计了3种不同配重的柔性圆形网箱,在不同来流速度下测试了这些网箱的受力和网衣变形速度,得出了圆形重力式网箱受力和变形之间的相互关系。李玉成等[11]设计了8种带有不同配重系统的网箱模型并测定了这些模型在不同波流条件下锚绳的受力,发现当配重大小相同的情况下,是否采用底圈会导致锚绳受力存在约30%的差异,但随着配重量的增加,这一差异呈下降趋势。赵云鹏等[12]利用集中质量法建立了网衣数值模型,对不同流速、配重大小作用下的重力式网箱网衣所受载荷和变形进行了模拟,并与试验结果进行比较,发现配重大小对两者影响较大。程晖等[13]利用有限元程序ANSYS对“钻石型”重力式网箱进行数值模拟,发现网箱底部添加底框、中部添加撑网圈后,在1 m/s时网箱的横向位移减少37.33%,网箱阻力减少12.98%。Cheng等[14]通过建立有限元模型研究不同的设计参数对于网箱水动力的影响,结果发现增加沉子重量可以减轻网箱变形,有助于维持大流速下的网箱容积,但当流速低于0.2 m/s时效果不明显。综上可知,目前针对配重系统的研究聚焦于配重量、安装位置等方面,但针对配重类型对网箱水动力特性影响的相关研究较少。目前,使用最广且数量最多的深水网箱类型为HDPE圆形重力式网箱,其占据深水网箱总量的95%以上[1]。

本研究以中国北方常见的周长40 m的HDPE圆形重力式网箱为研究对象,根据田内相似准则,设计并装配了4种类型和3种大小的配重系统,在循环水槽中开展一系列模型试验,进而对比分析不同的配重系统对于圆形重力式网箱水动力特性的影响,最后参考Qu等[15]提出的方法对不同配重系统进行评价,以期为HDPE圆形重力式网箱的配重系统选择和装配提供参考。

1 材料与方法

1.1 模型网箱

试验以周长40 m重力式网箱为原型,网箱参数详见表1。采用田内相似准则[16]设计模型网,根据现有的试验设备,采用大比例尺为λ=16,小比例尺为λ′=2制作网箱试验模型,参数详见表2。

表1 实物网箱参数

网衣的目脚长度和直径通过随机选取的10个位置取均值得出。浮管采用与原型HDPE材料性能接近的PPR管代替(HDPE密度为920～960 kg/m3;PPR密度为900～920 kg/m3),由于材料限制,模型使用的管材直径和壁厚与根据准则换算的数值有一定的差异,因此通过在双管间填充泡沫来调整浮管提供的浮力与理论计算结果一致。与原型网箱结构类似,侧网衣等间距装配16条纲索,为简化模型,取消了底网原有布设的纲索(图1)。

图1 模型试验网箱

图2 LED灯系附位置及夜间效果图

1.2 试验仪器与布设

试验地点为中国海洋大学水产学院增养殖水动力实验室,试验循环水槽观察段尺寸为 4.0 m(长)×1.2 m(宽)×1.0 m(深),流速范围为0～80 cm/s。网箱入水前系上25枚4色LED灯(3.5 mm×17 mm,0.15 g/个),考虑到网箱的对称性,故只于水槽观察方一侧添置。其中绿色、红色、黄色灯纵向等间距分布,横向间隔一条侧纲分布,紫色灯则与底部中心等间距分布。图 2展示了LED灯系附位置及其夜间呈现效果。模型网箱通过两根直径2 mm,长2.1 m的PP(聚丙烯)缆绳互相平行地连接至固定杆上且缆绳始终保持在水面。在缆绳距离网箱连接点20 cm的位置各安装1个定制水下拉力计(武汉理工大学流体力学实验室,量程0～10 kg,精度±0.69%),用于测量网箱的阻力,拉力计上系上浮球以消除其自重的影响。小威龙Vectrino点式流速仪(量程0～2 m/s,精度±0.5%)放置于网箱前1.5 m处,用于获取水槽实时流速。此外,在水槽下方和侧方各放置1部相机(索尼集团公司,4 000像素×3 000像素,60帧/s),镜头分别对准模型在水槽初始位置的侧面中心和网底中心。网箱整体布设详见图3。试验过程水温维持在22～23 ℃。

图3 试验装置示意图

图4 标量三积法计算网箱容积示意图

1.3 配重系统设计及试验工况设置

目前中国北方40 m周长HDPE重力式网箱的配重系统通常采用底框加配重400 kg,一般采用8个50 kg沉子,可根据海区的流速配重适当增加。本试验在此基础上,设计采用A(底框+沉子)、B(底框+铁链)、C(底框+撑网圈+沉子)、D(底框+撑网圈+铁链)4种配重系统,每种配重系统使用400 kg、600 kg、800 kg等3种配重。根据田内相似准则换算,模型总配重分别为781 g、1 172 g、1 562 g。不同配重系统见表3。

表3 不同配重系统

根据目前中国北方网箱养殖海域的实际海况以及现有试验条件选取实际流速20～100 cm/s,共设置9个试验流速,根据模型准则换算对应的试验流速见表4。

表4 实际流速与对应的试验流速

1.4 试验测量与数据处理

1.4.1 试验流速、网箱阻力测量

试验使用小威龙Vectrino点式流速仪和水下拉力计测量流速和网箱阻力。流速仪单次以20 Hz频率采集20 s共记录400个数据点,其均值作为试验流速。水下拉力计单次以50 Hz频率采集20 s共记录1 000个数据点,取其均值作为单次试验阻力大小。为提高数据准确性,每次试验前后对拉力计进行校准。

1.4.2 网箱容积保持率计算

通过两部相机在水槽下方和侧方分别拍摄系在模型网箱上的标记点(LED灯)位置,记录网箱的变形,采用ImageJ软件提取标记点坐标进而获得网箱的三维形状。

网箱的有效容积计算方法参考Decew等[17]:将标记点的三维坐标导入MATLAB软件后采用插值法来补充数据,之后将整个网箱划分为M层,每层都分为N块,每一小块又分为3个四面体(图 4)。

利用标量三积法(Scalar Triple Product Method)计算得到每个四面体体积,将所有四面体体积求和即可得到网箱的有效容积,公式如下:

(1)

网箱的容积保持率K计算如下:

(2)

式中:VA为某一流速下网箱的有效容积;V0为网箱在静水时的有效容积。

2 结果

2.1 LED灯对试验的影响

为判断LED灯对试验结果的影响程度,本研究对网箱在有无装配LED灯的情况下进行了对比试验。图5a配重为716 g,网箱在有无LED灯情况下,阻力随流速的变化关系。从图中可以观察到,在不同流速下,两者之间的差异较小。最大相对误差百分比出现在流速为21.2 cm/s时,为10.93%,而总体平均差异仅为2.37%。图5b、c分别展示了在小流速28.3 cm/s和大流速70.7 cm/s下,网箱的变形情况。在低流速28.3 cm/s下,X方向和Z方向的最大相对误差百分比分别为7.77%和5.16%,而平均相对误差百分比分别为1.3%和0.4%。在高流速70.7 cm/s下,Z方向的最大相对误差百分比分别为10.72%和10.8%,平均相对误差百分比分别为3.11%和2.73%。综上所述,LED灯的使用对网箱受力和变形的影响较小,表明后续采用LED灯来体现网箱坐标变化的方法可行。

图5 LED灯对网箱阻力的影响和不同流速下网箱变形图

2.2 网箱阻力

图6为不同配重系统下网箱阻力与不同来流速度的关系图。在各配重系统下,网箱所受阻力均随着流速的增加而迅速增加,阻力与来流速度基本呈现出幂函数关系,其表达式为“D=aUb”(a,b为系数),具体拟合结果详见表5。

图6 不同配重系统下网箱阻力与流速关系

表5 不同配重系统下网箱阻力与流速拟合结果

网箱阻力均随着配重的增加呈现出不同程度的增长且随着流速的增加差异逐渐加大。在最大流速70.7 cm/s及4种不同配重类型的情况下,配备1 562 g的网箱阻力比配备781 g的网箱阻力分别高出20.21%、9.44%、23.68%和12.29%。相同流速和配重,配备铁链的网箱与配备沉子的网箱所受水阻力相差不大,但配备撑网圈的网箱所受水阻力相对于无撑网圈的网箱更大。

2.3 网箱有效容积

图7为不同配重系统的网箱在不同来流下的形状图。由图可知,不同配重类型下,网箱的变形程度均随着流速的增加而有不同程度增加,且迎流面网衣变形程度大于背流面。网箱底网向后上方发生倾斜,并与来流方向形成了一定的夹角,且夹角随着流速的增加逐渐增大。图8为不同配重系统下网箱容积保持率变化。

图7 不同配重系统的网箱在不同来流下的形状图(配重781 g)

图8 不同配重系统下网箱容积保持率与流速的关系

从不同配重大小来看,配重的增加能够有效提升网箱的容积保持率。对于当下使用最为普遍的配重类型A,当流速达到70.7 cm/s时,781 g、1 172 g和1 562 g的容积保持率分别达到52.38%、59.09%和64.03%。从不同配重类型看,配重类型C对于维持网箱容积效果最佳,而装配类型B则效果不佳。配重量均为781 g时,配重类型C、D分别比传统的配重类型A高25.91%和22.83%,而配重类型B比A低1.84%。流速为70.7 cm/s时,配备C类型配重的网箱在3种不同配重量下的容积保持率分别比配备B类型配重的网箱高出28.27%、21.76%和21.29%。此外,随着流速的增加,撑网圈的优势逐渐体现,在流速较大时可以更好地维持网箱容积:在70.7 cm/s时,配备类型D的网箱比传统的配重类型A在781 g、1172 g和1562 g的容积保持率要高出24.71%、14.61%和11.55%。

通过对网箱容积保持率K与流速U的拟合可知,二者呈现出逻辑斯蒂曲线变化,表达式为“K=(1-a)/{1+exp[-b×(U-c)]}” (a、b、c为系数),拟合结果具体参数见表6。

表6 不同配重系统下网箱容积保持率与流速拟合结果

2.4 网箱配重系统的评价

本研究通过单位体积阻力(同一流速下网箱所受阻力与剩余有效容积之比)的大小对网箱配重系统性能进行评价。由图9可知,不同类型配重之间的单位体积阻力随着流速的增加而增加,呈现出幂函数递增的规律,且配重类型之间的差异随着流速的增加而逐渐增大。

图9 不同配重系统下网箱单位体积阻力与流速关系

当流速较小时(小于28.3 cm/s),配备4种配重类型的网箱其单位体积受力均相差不大;在最大流速70.7 cm/s时,配备类型C的网箱在3种配重大小下相对最大单位体积阻力分别降低了25.26%、16.16%和20.40%。在不同工况以及配重大小下,配备类型D的网箱单位体积所承受的阻力总体上相对较大而配备类型C的网箱单位体积阻力达到最小,因而本研究认为配重类型C的实际应用效果最佳。

3 分析与讨论

3.1 网箱阻力

网箱阻力直接关系整个系统的安全性,准确计算网箱阻力对网箱的设计和优化至关重要。本研究表明网箱阻力随着配重的增加呈现出不同程度的增长,呈现出幂函数关系,但增加的幅度存在差异。虽然增加配重或撑网圈可提高网箱抗变形能力,减少形变和位移,但也增大了其迎流面积,导致网箱阻力上升。理论上网箱阻力与流速成正比关系,而本研究不同配重系统下阻力与速度的1.58至1.95次方成正比(表 5),与黄六一等[18]研究结果相似。导致此结果的原因主要有:一方面由于网箱产生的尾流效应导致网箱前后受力不一致[19- 20],另一方面由于柔性网衣在大流速作用下会产生向来流的后上方漂移,导致局部网衣重叠增大了网衣密实度[21]。此外,由于箱体网衣采用菱形网目,在浮框和底框的共同作用下,箱体侧面中部网衣产生收缩导致网箱初始形态并非为理想圆柱形(图1),也是导致该结果的原因之一。

3.2 网箱容积保持

网箱的耐流特性影响网箱的容积保持率,是学者们关注的重点。区别于框架式网箱,重力式网箱网衣系统通过浮框的浮力和配重系统的重力共同作用来维持养殖鱼群的生活空间,但在水流作用下易发生形变,从而造成网箱有效容积的损失[22]。由图 7可知,水流作用下网箱迎流侧网衣发生内凹,而背流侧网衣则略微外凸,底网发生了倾斜,这与Zhao等[23]通过试验观察到的结果一致。为提升网箱耐流特性,一般通过增加悬挂在侧纲上的沉子配重[24-25],试验表明这一方式在一定程度上能提升网箱的有效容积,然而增加沉子会导致网箱阻力增加,许智静等[26]发现增加配重会导致侧网衣的纵向张力增加,在流速较大时有网衣撕裂的风险。另外,有学者对比了沉子配重与底框配重两种方式,结果表明添加底框的网箱在来流方向上的位移更小,容积保持率也更高[27-29]。安装了撑网圈的网箱在较大流速下的容积保持效果要高于未添加的网箱(图7),这是因为撑网圈的存在减少了柔性网箱中间部位的变形,这与程晖等[13]在“钻石型”重力式网箱中的研究结果一致,而在未装配撑网圈的网箱中,悬挂沉子相对于铁链的配重方式容积保持更大,这可能是由于铁链使得网箱整体重心上移造成。

3.3 网箱阻力与容积保持之间的关系

图10 标准化阻力与标准化网箱容积之间关系

网箱的变形程度与其受到的阻力密切相关,但在实际养殖海域中,受限于海况、测量装置、成本等因素,直接测量网箱阻力存在一定难度。当前,一定数量的深度传感器(Depth Sensors)可用于检测实际海域中网箱的变形,进而计算得到网箱的有效养殖容积变化[31],之后可将其代入上式计算得到网箱阻力,这为实际海域中养殖网箱的设计、维护等提供了新方法。

4 结论

配重系统是网箱的组成部分之一,对于维持网箱容积具有重要作用。本研究通过模型试验,系统地研究了不同配重系统对圆形重力式网箱水动力特性的影响,结合网箱阻力、容积保持率等参数,对不同配重类型进行评价。研究表明:在各种配重系统下,网箱阻力均随着流速以及配重重量的增加而增大,且阻力与流速之间呈现出明显的幂函数关系;“底框+撑网圈+沉子”这种配重组合方式在一定流速下使得网箱容积保持最大,其单位体积阻力也最小,表现出最优的性能;网箱容积保持率与流速呈现出“逻辑斯蒂曲线”变化关系;将网箱阻力与有效容积无量纲化后发现两者呈现出较强的负相关性,两者存在定量关系,通过拟合得到的经验公式可为预估实际海域中的网箱受力提供了一种新的定量分析方式。

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