基于CFD模擬的單點系泊船型網箱浮架結構分析與設計

陳俊池, 劉祚時, 陳俊華, 陳炫光

基于CFD模擬的單點系泊船型網箱浮架結構分析與設計

陳俊池1, 劉祚時1, 陳俊華2, 陳炫光3

(1. 江西理工大學 機電工程學院, 江西 贛州 341000; 2. 浙江大學寧波理工學院 機電與能源工程學院, 浙江 寧波 315100; 3. 寧波大學 機械工程與力學學院, 浙江 寧波 315211)

針對單點系泊(SPM)網箱系泊力大于傳統網箱, 離岸環境承受風浪時風險更高的問題, 研究設計了一種相較傳統圓形網箱擁有更小系泊力的船型網箱, 運用正交原理制定了三因素三水平的試驗方案, 對網箱浮架進行了計算機數值模擬, 分析網箱在波流共同作用下的水動力特性變化。研究表明, 在兼顧經濟成本與網箱安全性的條件下, 長24 m, 寬9 m, 頭部角度為60°的網箱浮架具有較優良的水動力性能和相對較低的養殖成本。該網箱系統能隨著潮流改變方向而在錨點周圍移動, 從而極大減小網箱底部的養殖殘渣堆積并降低錨固安裝成本, 可為我國深水網箱的發展提供一定的理論參考依據。

抗風浪船型網箱; 單點系泊; 水動力分析; 結構設計

隨著海洋漁業資源的不斷減少, 以及近海養殖日益嚴重的環境污染, 現階段我國提出了“發展外海, 拓展遠洋”的漁業養殖發展方針, 海洋養殖業正向著深遠海發展[1]。深遠海域漁業資源豐富, 水體交換強, 有利于海水養殖, 但也存在著海流強、風浪大的特點。因此, 提高養殖網箱在外海惡劣環境下的安全性和可靠性正成為現在養殖網箱研究的熱點問題之一[2-3]。程暉等[4]對投放于黃海冷水團的“鉆石型”單點系泊網箱的箱體結構進行了數值模擬, 用于改進其水動力特性。徐為兵等[5]建立了碟形網箱的數值計算模型, 對其多海況下的水動力特性進行了研究。Drach等[6]通過有限元軟件設計分析了一種用于外海養殖的“金字塔”型單點系泊銅合金網衣網箱。Shainee等[7]設計了一種自潛式單點系泊籠式網箱, 并進行了數值模擬以分析其浸沒特性和浮力變化。

目前我國在深水網箱養殖領域普遍采用圓形重力式深水網箱, 錨泊方式為多點固定并與海底樁柱連接。這種固定式養殖網箱的養殖殘渣沉積在一塊養殖區域, 會對當地海洋環境造成一定污染[8]。若采用單點系泊方式錨泊網箱, 則可有效改善這一狀況。單點系泊(SPM)網箱系統可以隨著潮流改變方向而在錨點周圍移動。這種流動性有助于在相對較大的區域內散布未吃的食物和魚糞, 從而減輕當地海洋環境的惡化[9], SPM籠系統可以將固定魚籠下廢物的底棲積累減少2~70倍。此外, 與當前的多點系泊系統相比, SPM系統的使用將錨固安裝成本降低了50%以上[10]。然而, 由于SPM網箱系泊力遠大于傳統的圓形網箱, 離岸環境承受風浪時SPM網箱系統的風險極高。

針對這一問題設計了船型浮架結構的網箱。浮架的結構參數對網箱的抗風浪能力有著至關重要的影響, 因此選擇較優的浮架結構參數組合十分重要。影響網箱水動力性能的因素很多, 若使用全面設計方案, 水動力數值計算及結果處理很龐大。筆者采用了正交設計理論, 通過計算機流體力學數值模擬(CFD)技術, 運用極差分析法處理計算結果, 選出較優的浮架結構設計參數。

1 單點系泊船型網箱簡介

船型網箱屬于重力式網箱, 依靠上部結構(網箱浮架)提供浮力和下部結構(沉子或底圈)重量的組合來維持魚類養殖體積, 圖1為船型網箱結構圖。在單點系泊的條件下, 船型結構物在受到方向不同的波流力時可以很快調整自身位置, 使浮架與來流方向形成一定角度, 以減小波流力, 降低網箱在臺風大浪時的失效風險。

圖1 船型網箱結構圖

本文研究的船型網箱除了浮架結構外其余部分均與傳統圓形中重力式網箱相同, 所以本文只研究船型網箱的浮架結構部分, 對錨泊, 沉子和網衣系統不作討論。表1為浮架各結構的部件參數。

表1 網箱浮架部件參數

注: “*”單位為kg/個

我國目前使用中的圓形重力式深水網箱浮架周長大多在50~80 m。本文設計的船型網箱浮架結構周長也與之相仿。

2 試驗方案設計

影響船型浮架抗風浪性能的因素有很多, 包括組成浮架的HDPE管的規格和連接方式、浮架頭部角度、框架的長度和寬度以及波浪的波高和波頻等。由于影響因素眾多, 且各種因素之間還會有交互作用, 若采用傳統的全面試驗則需要進行大量計算, 在試驗時, 無論是數據量的計算規模, 還是人工修改計算參數等都十分繁雜, 需要耗費大量人力物力, 在實際應用中無法實現。

正交試驗設計是多因素多水平的優化設計, 通過對各試驗參數的合理安排, 科學分析各試驗因素, 從眾多試驗條件中找到最具代表性的參數組合, 科學安排試驗, 使花費盡可能少的試驗次數就能得到較優的方案。本文采用正交設計方法, 解決船型浮架結構的參數設計問題。

2.1 試驗目的及考察指標的確定

本文通過數值模擬試驗方法, 探討船型浮架不同結構參數對網箱所受波流力的影響, 并選取較優的參數組合方案, 從而達到減小網箱所受波流力的效果, 得到較優的船型浮架結構設計方案。

網箱在臺風大浪中的失效原因主要是承受的波流力超過了本身的極限。作用在網箱浮架上的力難以測量, 錨繩受力可以比較清晰地反應浮架所受的波流力。但網箱越大, 所受波流力越大, 為了從數據上衡量船型網箱的性能優劣, 引入了網箱系數這一考察指標, 這里定義: 網箱系數=網箱錨繩力×浮架周長/浮架面積。

網箱錨繩力為望小特性, 越小說明網箱越不容易失效; 浮架周長指浮架內浮環所用HDPE管材的總長度, 越小說明網箱成本越低; 浮架面積指網箱內浮環所圍成的面積, 網箱的養殖體積=浮架面積×網深, 這里假設網箱網深相同, 則浮架面積越大, 網箱養殖體積越大, 故浮架面積為望大特性。由上可知, 網箱系數越小, 說明該組設計參數越優秀。

2.2 試驗因素及水平的確定

波浪的波高、波頻以及海水流速等波浪海流條件可以根據鋪設地實際條件來選定, 網箱的錨碇系統采用單點系泊的方式。

考慮到控制成本和浮力配給, 以及以往重力式網箱浮管的連接方式, 船型浮架采用內外兩根HDPE管組成雙浮管結構, 浮管間距為0.5 m, 每隔2 m設置一個三通連接支架。HDPE管外直徑選擇250 mm, 壁厚15 mm。

在排除上述條件后, 剩余還有船型網箱的浮架頭部角度, 浮架長度和浮架寬度3個因素。

1) 浮架長度

浮架主體受到的波流阻力可分為摩擦阻力和剩余阻力。摩擦阻力F與黏性水和浮架濕表面的關系為[11]:

式中,F為摩擦阻力系數;為水的密度;為船體濕表面積;為浮架相對海流速度。

由此可知, 當浮架長度增加時, 濕表面積增加, 浮架主體所受波流力也隨之增加。對剩余阻力來說, 長度增加, 則長度與寬度的比值增加, 船型浮架相對更加瘦長, 網箱所受波流力也隨之減小。故需要設計優化一個較為合理的浮架長度。

2) 浮架寬度

對于海上漂浮物, 浮體的寬度是影響橫搖的主要因素。網箱的橫搖周期指完成一次完整橫搖的時間, 公式如下[12]:

式中,為浮架寬度;G為浮架重心距水面高度;M為浮架重心到穩心的高度。

從公式(1)可知, 由于網箱浮架為寬短縱長的船型, 浮架寬度的增加對摩擦阻力影響不大。但對剩余阻力而言, 浮架寬度增加時, 會加大興波阻力及漩渦阻力, 同時, 浮架過寬會使迎浪面增大, 風浪中的附加阻力也會增加。

3) 浮架頭部角度

浮架頭部角度指船型浮架兩側HDPE管彎折所形成的角度。船型浮架的頭部角度也是影響浮架所受波流力的重要因素。對剩余阻力來說, 浮架頭部角度的減小, 會使浮架頭部興波區域的型線變的平緩, 興波作用相對減小, 網箱所受波流力也隨之減小。同時角度減小使浮架框架曲度變化緩和, 能夠減小漩渦的產生, 降低形狀阻力。

綜合考慮浮架長度、寬度和頭部角度對網箱所受波流力的影響后, 對上述3個因素各安排3個水平, 圖2為各因素示意圖, 具體因素水平安排如表2所示。

圖2 船型浮架設計尺寸

表2 試驗因素水平表

本試驗有3個因子, 每個因子有3個水平, 所以選用9(34)的正交表。由于本試驗不考慮各因子之間的交互作用, 可以把因子放在任意的列上, 一個因子占一列。

3 數值計算方法

由于網箱的浮架結構只有兩根主浮管和連接支架直接與海面接觸, 故可將上部結構包括扶手管、三通、立柱等的質量簡化到主浮管上, 忽略其余部分的影響。浮架結構每個部件的尺寸與海浪的波長和波高相比較小, 采用小尺度波浪結構物的計算方法, 用改進的Morison方程[13]計算浮架受力。

其中D和I分別代表阻力和慣性力, 它們都與流體的運動狀態有關。因為水流和波浪對運動流體的水動力影響最大[15], 可以引入表示均勻流和滿足拉普拉斯方程的漸進波的線性波速勢:

利用式(5)對(,,)和求導, 分別得到了三維速度場和加速度場。利用線性波理論進一步簡化水深, 可以得到波峰下的水平流速為:

其中a是一個波周期的振幅。接下來, 如果我們只考慮等式(5)的黏性阻力部分, 并將其應用于等式(8), 我們得到以下表達式:

建立數值分析模型需要模擬波浪周期、頻率和波高。網箱的鋪設地位于浙江省象山縣, 根據當地水文環境的調查研究[16], 網箱試驗的波浪條件可以基本確定。選取當地平均波高3 m, 波頻選擇6 s。根據實際鋪設地海況設計仿真環境條件, 水深為20 m, 錨繩長度為50 m, 采用懸鏈線錨繩, 波浪和水流均沿軸正方向入射, 水流速度為1 m/s。為了便于分析, 考慮到以后開展模型試驗時造波類型的局限性, 將波浪視為規則波。

4 計算結果及分析

4.1 網箱水動力數值計算

基于以上的表頭設計, 采用了CFD方法, 開展了網箱船型浮架的數值計算。圖3為9組試驗的網箱浮架外形圖, 并將浮架進行了無系泊條件下的水動力分析, 并得到浮架在波浪下的框架應力圖。進而進行浮架水動力的時域系泊分析, 得到單點系泊船型網箱在給定海況下的運動情況與錨繩力隨時間的變化曲線。將錨繩力在每個周期下的變化取最大值, 計算結果如下表3所示。

在所用浮管同規格的情況下, 浮架周長能代表網箱成本, 浮架面積能代表網箱養殖容量, 周長除以面積就代表了單位養殖體積網箱所花造價, 將其命名為成本系數, 并將計算獲得的錨繩受力峰值乘成本系數得到本試驗的考察指標網箱系數, 網箱系數綜合考慮了養殖網箱的抗風浪性能和養殖成本, 能一定程度上代表船型網箱的性能優越性。

從表3的試驗結果可以直觀看到, 隨著浮架周長和面積的增大, 網箱在周期下的受力峰值并不一直增大, 而是呈現波動。直接分析試驗結果比較困難, 采用極差分析對結果進行判斷。船型浮架各因子對網箱優劣的影響程度大小可從各個因子的“極差”來判別。極差指該因子各水平下的平均值的最大值與最小值之差, 該值越大, 改變這一因子水平對指標造成的影響也就越大, 反之亦然。對同一因子不同水平下的試驗結果之和取平均值, 可代表該因子對結果的影響。

圖4為船型浮架長、寬、頭部角度在不同水平下的試驗均值變化, 圖中A1, A2, A3為浮架長度的3個水平; B1, B2, B3為寬度的3個水平; C1, C2, C3為浮架頭部角度的3個水平。

4.2 各因素對網箱所受波流力的影響

從圖4中可看出浮架各因素水平情況下網箱錨繩力的變化情況, 該變化反應了網箱所受波流力的變化。觀察折線A的水平變化可得, 當浮架長度增加時網箱受力先減小后增大。這可能是因為浮架長度增加時, 濕表面積增加, 摩擦阻力隨之增大。同時長度的增加使船形浮架型線更加平緩, 興波作用緩和, 興波阻力隨之變小, 并且船型浮架的去流段增長使船體曲度變化緩和, 減少漩渦的產生, 降低形狀阻力。故錨繩力在浮架長度增加時呈現先減小后增大的趨勢。從B因素變化折線可知錨繩力隨浮架寬度的增加而增加。從C因素變化曲線得浮架頭部角度從60°變化為75°時錨繩力增加值很小, 但增大為90°時錨繩力增加較多。

4.3 各因素對網箱橫搖的影響

網箱的橫搖是衡量網箱優劣的重要條件之一, 如圖4可知, 當浮架長度由18 m增加到24 m時網箱橫搖減小較多, 從24 m增加為30 m時橫搖降低較少; 浮架寬度增加時, 網箱橫搖先減小后增大; 浮架頭部角度增大時, 網箱橫搖先減小后增大。

4.4 各因素對網箱成本系數的影響

網箱成本系數為周長/面積所獲得的值, 可以代表養殖一個單位魚類所需要的網箱造價成本。從圖4可以看出, 隨著浮架長度、寬度、頭部角度的增加, 網箱成本系數逐漸降低, 但減小成本的同時浮架面積的增大也增加了深水網箱在受到風浪時受損的風險。

4.5 各因素對網箱系數的影響

從對圖4的極差分析可看出, 船型浮架的長度與寬度對網箱系數的影響較大。隨著網箱船型浮架長度和寬度以及頭部角度的增加, 網箱整體受力會隨之增加, 但同時網箱的養殖面積也會增大, 所以需要綜合考慮養殖風險與經濟效益之間的平衡關系。由圖4可知, 浮架長度和寬度的變化對網箱系數影響較大, 而浮架的頭部角度則對其影響較小。在浮架長度取24 m, 浮架寬度取9 m, 浮架頭部角度為60°時網箱系數最小, 即此參數的網箱具有較好的經濟性與安全性。

圖3 各因子水平下的網箱浮架結構及其受力分析

表3 系泊分析試驗結果

注: 表中(1) (2) (3)分別為正交試驗的試驗條件, 網箱系數=浮架周長/浮架面積

圖4 浮架各因素極差變化圖

4.6 結論的合理性驗證

在鋪設地象山港水深20 m, 承受波高6 m, 周期6.8 s大浪的工況下, 通過仿真計算得到本設計的網箱浮架所受應力最大值為6 MPa左右, 小于同工況條件下同周長圓形HDPE網箱所受7 MPa的應力。同時本設計所選用直徑250 mm, 壁厚15 mm的HDPE浮管屈服強度為24.1 MPa, 大于其在6 m大浪時所受應力。初步驗證本設計的網箱浮架在惡劣海況下失效概率較低, 能較好地完成設計任務。

5 結語

目前人們對海產品日益增長的需求, 很大程度上可以通過水產養殖來滿足。當近岸養殖達到飽和并引發日益嚴重的養殖污染時, 離岸養殖便成了唯一的解決方案。在相對惡劣的離岸環境下進行網箱設計是一項挑戰, 也是一項不斷發展的技術, 為此世界各地的研究人員提出了各種符合當地海洋環境的離岸式網箱解決方案。本研究通過CFD數值模擬仿真的方法, 在模擬海洋環境下對不同結構參數的船型浮架進行了分析, 發現船型網箱受力并不是隨著浮架長度的增加而一直增加, 而是存在一個較優長度, 并結合制造成本對網箱參數進行了選擇, 得出了一個較為合理的方案。本研究提出的船型網箱豐富了在單點系泊網箱領域的研究, 為我國的養殖網箱深水化發展提供了一定的理論參考依據。

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Structural analysis and design of single point mooring cage floating frame based on CFD simulation

CHEN Jun-chi1, LIU Zuo-shi1, CHEN Jun-hua2, CHEN Xuan-guang3

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China; 2. College of Mechatronics and Energy Engineering, Ningbo Institute of Technology, Zhejiang University, Ningbo 315100, China; 3. School of Mechanical Engineering and Mechanics, Ningbo University, Ningbo 315211, China)

Thesingle point mooring (SPM) cage system has attracted considerable attention because of its ability to move around anchor points with the current in different directions. This mobility can considerably reduce the accumulation of aquaculture residue at the bottom of the cage and reduce the installation cost of anchorage. However, because the mooring force of the SPM cage is greater than that of a conventional circular cage, the risk of the SPM cage system is very high when exposed to wind and waves. A ship-type of a floating frame with a mooring force that was smaller than that of a conventional circular cage was designed to solve this problem along with a three- factor and three-level test scheme that was formulated based on the orthogonal principle. To analyze the changes of the hydrodynamic characteristics of the cage when exposed to both waves and current, computer numerical simulation of the cage floating frame was conducted. The results show that the stress of the cage will initially decrease followed by an increase that is caused by the length increasing when the width of the floating frame is constant. The stress of the cage will continue to amplify with the increase of the width of the floating frame and the angle of the head. Taking economic costs and cage safety into consideration, the analysis shows that a cage floating frame with a length of 24 m, a width of 9 m, and a head angle of 60° has excellent hydrodynamic performance and a relatively low breeding cost. This provides a solution to address to the risk faced by the SPM deep-water cage and provides a theoretical reference for developing deep-water cages in China.

anti-wave ship cage; single-point mooring; hydrodynamic analysis; structural design

Jul. 15, 2019

[Scientific and Technological Major Project of Ningbo, No.2015C110015; Science and Technique Plans of Ningbo, No.2015C50061]

S953.4

A

1000-3096(2020)04-0116-08

10.11759/hykx20190715003

2019-07-15;

2019-08-29

寧波市重大科技攻關項目(2015C110015); 寧波市科技計劃項目(2015C50061)

陳俊池(1994-), 男, 浙江舟山人, 碩士研究生, 主要從事海洋養殖裝備的研究, E-mail: 1448707570@qq.com; 陳俊華,

, 男, 教授, 主要研究方向為海洋智能養殖裝備、海洋能開發, E-mail: cjh@nit.zju.edu.cn

(本文編輯: 劉珊珊)