流場中圓形養(yǎng)殖網(wǎng)箱動態(tài)響應(yīng)的數(shù)值模擬研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、隨著捕撈漁業(yè)的下降,水產(chǎn)養(yǎng)殖在滿足人們對水產(chǎn)品的需求上發(fā)揮了積極的作用,而近二三十年快速發(fā)展的海水網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè),成為海水養(yǎng)殖的又一支柱產(chǎn)業(yè),已成為人類擴大生存空間,發(fā)展海洋產(chǎn)業(yè)的一個新的經(jīng)濟增長點。由于阿箱處于海洋環(huán)境中,要受到波浪和水流的共同作用,因此,為了提高網(wǎng)箱的可靠性及安全生產(chǎn),在網(wǎng)箱設(shè)計與安裝之前,有必要運用工程分析方法研究網(wǎng)箱的力學(xué)性能。網(wǎng)箱由柔軟的網(wǎng)衣、繩索以及剛性的框架等組成,屬于柔性體與剛性體的復(fù)合體,研究這類結(jié)構(gòu)的力學(xué)

2、性能時通常采用的方法有實地觀測、模型試驗、數(shù)值模擬。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展,數(shù)值模擬越來越受到普遍重視并得到廣泛應(yīng)用,因此,本文集中于網(wǎng)箱的數(shù)值模擬研究,開發(fā)可行的數(shù)值工具,進(jìn)而利用計算機模擬來分析與探討網(wǎng)箱的一些基本性能。 本文運用工程上的集中質(zhì)量方法建立了網(wǎng)衣的數(shù)值模型,把網(wǎng)目目腳視為線性桿元,并假設(shè)元素只承受軸向的拉力;集中質(zhì)量點設(shè)置在元素的兩個端點上,并將元素的質(zhì)量平均分到這兩個端點上,由此,獲取集中質(zhì)量點上的質(zhì)量;對

3、于元素上的水動力,按照圓柱體構(gòu)件進(jìn)行計算,并將所有的外力平分到元素的端點上,即認(rèn)為所有的外力作用在質(zhì)量點上;因此,整個網(wǎng)衣便可以采用由許多質(zhì)量點和輕桿元素構(gòu)成的離散模型來模擬。最后運用牛頓第二定律對集中質(zhì)量點建立運動方程。為了簡化計算,將網(wǎng)箱的浮框和底框上假設(shè)為剛體,按照水下自由剛體的運動特征,對網(wǎng)箱框架建立了控制方程。將網(wǎng)衣結(jié)點的運動方程和網(wǎng)箱框架的運動方程聯(lián)合,得到整個網(wǎng)箱的運動方程組。由于網(wǎng)箱的運動方程是非線性的,本文采用了可變步

4、長的Runge-kutta方法進(jìn)行求解,得出網(wǎng)箱在時域內(nèi)的運動過程。相對于流場中網(wǎng)箱的靜態(tài)模擬方法,本文方法不但可以得到網(wǎng)箱的靜態(tài)行為,還可以獲得網(wǎng)箱的動態(tài)行為。 本文假設(shè)網(wǎng)箱受到定常水流的作用,模擬出了網(wǎng)箱從靜止開始運動直至再次處于平衡狀態(tài)的運動過程。根據(jù)本文模型,開發(fā)出了相應(yīng)的計算機程序,運用程序計算出研究對象在時域內(nèi)的運動過程,在此基礎(chǔ)上,由程序進(jìn)行相應(yīng)的后處理,包括顯示網(wǎng)箱變形后的形狀、可視化網(wǎng)衣的張力分布,獲取網(wǎng)箱的阻

5、力、容積損失等,可以非常方便地獲取網(wǎng)箱的一些性能參數(shù)。 本文計算了定常流場中5個網(wǎng)片和3個網(wǎng)箱的動態(tài)響應(yīng),分析了定常流場中網(wǎng)片、網(wǎng)箱的動態(tài)行為以及網(wǎng)箱的一些基本性能。為了檢驗本文模型的正確性,進(jìn)行了水槽試驗,比較了平衡狀態(tài)時的計算結(jié)果與試驗結(jié)果。 本文模型計算的網(wǎng)片平衡形狀與觀測圖形基本吻合,相對于試驗網(wǎng)片,計算的網(wǎng)片橫向位移和上升高度稍微小一些,為了定量比較網(wǎng)片形狀的計算結(jié)果與試驗結(jié)果,從網(wǎng)片上取了幾個特征值。對于參考

6、試驗網(wǎng)片2,I/H計算值的平均誤差為4%;對于本文試驗中的3個網(wǎng)片,特征尺寸的平均誤差最大為6.3%。由于水動力系數(shù)的設(shè)置及模型沒有考慮網(wǎng)衣結(jié)點上的阻力等原因,模型低估了網(wǎng)片平衡狀態(tài)時的阻力。對于參考試驗網(wǎng)片2,計算阻力值的平均誤差為6.5%,對于本文試驗的3個網(wǎng)片,網(wǎng)片B的阻力計算值誤差較小,平均誤差為8.45%,網(wǎng)片C的阻力計算值誤差較大,平均誤差為23%。 在低速流時,計算的網(wǎng)箱形狀與試驗結(jié)果比較接近,當(dāng)流速較高時,計算結(jié)

7、果的誤差變大。在網(wǎng)箱上取了3個特征值,結(jié)合底框的傾斜角,定量比較網(wǎng)箱平衡形狀的計算結(jié)果與試驗結(jié)果。如果不考慮0.8m/s流速時的結(jié)果,多數(shù)特征尺寸平均誤差小于8%,底框傾角的平均誤差介于8.8-18.3%之間。在0.8m/s流速時網(wǎng)箱阻力的計算值高于試驗值,而其他3個流速時的阻力計算值低于試驗值。模型低估網(wǎng)箱阻力的平均誤差介于6.4-11.3%之間。 本文的計算結(jié)果與試驗結(jié)果均顯示,在水流的作用下,網(wǎng)箱網(wǎng)衣容易發(fā)生變形,有效的養(yǎng)

8、殖容積減小,迎流面面積變小;當(dāng)配重方式相同時,流速越大網(wǎng)箱的變形越大,網(wǎng)箱有效的養(yǎng)殖容積越小,網(wǎng)箱的阻力越大:對于本文的網(wǎng)箱模型,當(dāng)流速低于0.4m/s時,水流引起的網(wǎng)箱變形不大,當(dāng)流速超過0.4m/s后,網(wǎng)箱變形對水流的響應(yīng)變大,即流速的增加很容易引起網(wǎng)箱的變形,結(jié)果表明,在流速0.4-0.6m/s范圍內(nèi),存在網(wǎng)箱的變形點,即當(dāng)流速低于變形點的流速時,網(wǎng)箱對流速響應(yīng)較小,因此,可以利用變形點確定配重的大?。挥捎诰W(wǎng)箱受流作用后發(fā)生相應(yīng)的

9、變形,部分地抵消了流速增加的作用,因此,網(wǎng)箱的阻力與流速不成平方關(guān)系,二者基本成線性關(guān)系;三種配重方式的結(jié)果比較顯示,配重增大,網(wǎng)箱的變形變小,養(yǎng)殖容積與迎流面面積增大,這說明增加配重可以在一定程度上改善網(wǎng)箱的變形,由于網(wǎng)箱變形得到改善后,網(wǎng)箱的迎流面面積變大,使得網(wǎng)箱的阻力增加;模擬的網(wǎng)線張力分布表明迎流面上的網(wǎng)線具有較大的張力,尤其是靠近浮框部分的網(wǎng)線。 本文在第5章引入波浪場,介紹了波浪場中網(wǎng)箱主要構(gòu)件的處理方法,并通過算

10、例,模擬了波浪場中固定的網(wǎng)片結(jié)構(gòu)和漂浮式網(wǎng)箱模型的動態(tài)響應(yīng)。結(jié)果表明本文模型可以應(yīng)用于波浪場中網(wǎng)箱的模擬,但是如果要利用本文模型研究波浪場中網(wǎng)箱的響應(yīng)特征,還需要借助水槽試驗等手段較為精確地確定出模型中的一些基本參數(shù)。 總體而言,本文模型可以有效地模擬出網(wǎng)片、網(wǎng)箱這類結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng),可用來研究與分析網(wǎng)箱的力學(xué)性能,計算結(jié)果可為改善網(wǎng)箱的設(shè)計與安裝等提供理論上的參考依據(jù)。為了提高計算結(jié)果的精度,今后需要進(jìn)一步完善本文的模型,并借助

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