海上養(yǎng)殖網(wǎng)箱內(nèi)部及周圍波流場特性研究.pdf

1、浩瀚的海洋蘊藏著豐富的海洋生物資源，合理開發(fā)利用海洋已成為解決因人口增長而帶來的資源短缺問題的重要出路。近年來海洋捕撈產(chǎn)量逐漸趨于停滯，為了滿足全球?qū)．a(chǎn)品的需求，海水養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展。然而，由于近海養(yǎng)殖活動已超過了生態(tài)環(huán)境的承載量，發(fā)展離岸深水養(yǎng)殖已成必然。網(wǎng)箱的水動力特性問題是關乎海上養(yǎng)殖網(wǎng)箱設計、使用和維護的關鍵性問題。其中，網(wǎng)箱內(nèi)部及其周圍的波流場特性更是與養(yǎng)殖魚類、網(wǎng)箱設施及周圍環(huán)境密切相關。離岸養(yǎng)殖網(wǎng)箱整體結(jié)構(gòu)雖然龐大，但其網(wǎng)

2、衣、浮架等構(gòu)件相對而言仍屬于小尺度漂浮柔性結(jié)構(gòu)物，這類結(jié)構(gòu)物與水流和波浪的相互作用機理復雜。盡管在過去的幾十年中，國內(nèi)外學者們已針對網(wǎng)箱的水動力特性問題開展了大量的研究。然而迄今為止，仍有很多基礎性技術問題需要深入、系統(tǒng)地研究。
　　本文主要利用物理模型實驗和數(shù)值模擬的方法，對海上養(yǎng)殖網(wǎng)箱內(nèi)部及周圍波流場展開研究，主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)采用粒子圖像測速(PIV)技術對網(wǎng)衣周圍流場的空間分布進行了研究。利用PIV技術分

3、析了網(wǎng)衣周圍某一特征面上的流速矢量分布特性，并與ADV流速儀對若干特征點處的測量結(jié)果相結(jié)合，系統(tǒng)地討論了網(wǎng)衣密實度、網(wǎng)衣傾角、網(wǎng)衣間距和網(wǎng)衣數(shù)目等因素對網(wǎng)衣周圍流場的影響。探明了網(wǎng)衣下游的流速衰減規(guī)律，為研究網(wǎng)箱內(nèi)部及周圍流場奠定了基礎。
　　(2)建立了模擬網(wǎng)衣動態(tài)響應與流場變化的流固耦合模型。該模型通過將計算網(wǎng)衣周圍流場的多孔介質(zhì)模型和計算網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)運動變形集中質(zhì)量模型交替迭代求解，實現(xiàn)水流作用下柔性網(wǎng)衣周圍流場與網(wǎng)衣運動變形的

4、耦合計算。首先采用該模型對水流作用下的單片以及雙片平面網(wǎng)衣模型進行了數(shù)值模擬，并將數(shù)值模擬結(jié)果與相應的物理模型實驗結(jié)果進行對比驗證，結(jié)果表明該模型具有較高的計算精度。與以往的單純模型相比，本模型對網(wǎng)箱的受力、網(wǎng)箱內(nèi)部以及周圍流場的計算精度有了較大提高。在此基礎上，對不同流速工況下單體網(wǎng)箱、不同配重模式的單體網(wǎng)箱以及組合式網(wǎng)箱內(nèi)部及其周圍流場進行了分析，揭示了網(wǎng)箱內(nèi)部及其周圍流場的分布規(guī)律。
　　(3)首先采用物理模型實驗對網(wǎng)箱對波

5、浪的阻尼作用進行研究，依據(jù)實驗結(jié)果分析了波浪周期、波高、網(wǎng)箱個數(shù)、網(wǎng)衣密實度、測點位置和網(wǎng)箱形狀等參數(shù)對網(wǎng)衣阻尼作用的影響。通過對基于網(wǎng)衣目腳直徑的雷諾數(shù)的分析，判定模型實驗結(jié)果對原型網(wǎng)箱的適用性。其次建立了模擬網(wǎng)衣與波浪相互作用的數(shù)值模型，并將數(shù)值模擬結(jié)果與對應的物理模型實驗結(jié)果進行對比驗證。利用該數(shù)值模型計算網(wǎng)箱周圍波浪場（波高、水質(zhì)點速度）的分布特性，為物理模型實驗中浪高儀測定的離散的數(shù)據(jù)提供補充。本部分通過研究模型網(wǎng)箱對波浪的阻