六三型网箱的阻力性能研究

刘永利，王 磊，石建高，余雯雯，闵明华，王鲁民

（中国水产科学研究院东海水产研究所，上海 200090）

六三型网箱的阻力性能研究

刘永利，王 磊，石建高，余雯雯，闵明华，王鲁民*

（中国水产科学研究院东海水产研究所，上海 200090）

为了给南海海域使用六三型网箱选址、选型、锚泊等提供数据参考，以六三型网箱为研究对象，在主尺度为90 m×6 m×3 m的试验水池内进行模型试验，研究2种浮管框架（420 mm和315 mm），不同网深（8 m和10 m）以及配重为底圈和沉子时对六三型网箱受力的影响。结果显示：在同等条件下，315 mm双浮管网箱的受力大于420 mm单浮管网箱的受力；网深10 m的网箱受力大于网深8 m的网箱受力；配重为底圈的网箱受力大于配重为沉子的网箱受力，并且配重为底圈的箱体形状保持也好于配重为沉子的网箱。综合考虑框架成本、制造加工难易度和网箱的受力情况，建议在流速1m／s以内的海区使用420 mm单浮管框架结构的网箱。

六三型网箱；阻力性能；单点锚泊

自1998年海南省从挪威引进圆形双浮管重力式网箱以后，全国多家科研院所和企业联合攻关，已成功开发出聚乙烯框架、钢结构、浮绳式等多种型式的深水网箱［1-2］。各种网箱从南到北已遍布中国沿海海域，现使用最为广泛的是圆形重力式深水网箱。国内外很多学者对网箱的抗流特性［3-6］、配重形式［7-9］、阻流效果［10-13］、水动力［14-18］特性等都做了许多研究。东南沿海为台风多发地，每年的台风都给养殖渔民的生命财产造成重大损失。为了减少台风灾害对网箱养殖造成的损失，须对养殖用网箱进行升级和改造，尽量减小生产安全隐患，减小台风对网箱的损害。针对南海地区台风多发、海况环境复杂等特点，设计了一种六三型单点锚泊的网箱系统。由于该型网箱是单点锚泊，因此能够做到随海浪起伏“随波逐流”，可适应复杂的海况环境，有效降低风浪对网箱的破坏性。通过对六三型网箱进行模型试验，研究2种框架结构类型、不同网深规格、不同配重形式对六三型深水网箱受力的影响，了解和掌握六三型网箱在各种海况条件下的水阻力特性，获取相关数据，以期为网箱选址、设计、选型、海上设置安装及锚泊等提供关键数据支撑。

1 材料与方法

1．1 试验设备

网箱模型试验在中国水产科学研究院东海水产研究所网具模型试验水池进行。试验静水池主尺度90 m×6 m×3 m；拖车车速范围0．1～4．0 m／s，相对精度P≤1％；测力系统使用自行研制的经防水处理后的LH-S02微型力传感器，量程为0～20 kg，测力仪器的线性误差小于满量程的0．5‰；ROV水下摄影机一部。

1．2 原型网箱及模型网箱规格参数

六三型网箱是在圆形重力式网箱框架的基础上，外接一个三角形框架，在三角形的三个顶角分别加一条与内部圆相切的支架，整体构成外部三角形，内部六边形的框架结构。原型六三型网箱框架为HDPE材料，管径为420 mm的单浮管框架和管径为315 mm的双浮管框架结构（图1）。网箱箱体采用锥台形网袋，顶部周长40 m，底部周长30 m，网衣高度分为8 m和10 m两种，实物网箱网衣为聚乙烯无结网衣，网目大小为75 mm，网线直径3 mm，网衣装配缩结系数为0．707，设计使用水深为25 m，锚绳长度100 m。网箱采用单点锚泊方式进行锚泊（图2）。网箱沉力配备为400 kg，网箱配重形式分别设计了底圈和重锤沉子两种形式。模型网箱选用大尺度比λ为10．5，小尺度比λ′为3进行制作。模型网箱选取直径40 mm和30 mm的PPR管材，壁厚均为3．0 mm，采用热塑焊接制成40mm管径的单浮管框架和30 mm管径的双浮管框架；两种框架结构的网衣装配高度均为0．8 m和1．0 m两种，沉力配备为1．2 kg（配重为重锤时，重锤20个，每个60 g，均匀地挂在网箱底部四周：配重为底圈时，底圈重1．2 kg）；箱体采用聚乙烯经编网，网目尺寸25 mm、网线直径1．0 mm；网衣装配形式与原型网箱相同。

图1 六三型网箱框架Fig．1 Schematic of six-three sea cage

图2 网箱结构及锚泊图Fig．2 Constructional and anchoring diagram

1．3 试验方法

根据渔具模型试验准则［19］进行模型试验。在静水池拖车前端有一可水平和垂直调节的拖曳杆，将网箱框架固定在拖曳杆上，采用拖动模型网箱的办法来进行试验，根据运动转换定律［20］，拖车车速等同于水流速度。模型试验速度为0．17 m／s、0．26 m／s、0．35 m／s、0．43 m／s、0．52 m／s和0．61 m／s，对应实际流速为0．3 m／s、0．45 m／s、0．6 m／s、0．75 m／s、0．9 m／s和1．05 m／s。

1．4 力的测试和计算

模型网箱的锚泊方式为单点锚泊，力的测试通过LH-S02微型力传感器进行采集，在电脑软件上进行读取，然后根据阻力换算公式进行换算。阻力换算公式［21］：F实＝F模λ2λ′。式中：F实—实物网箱受力；F模—模型网箱受力；λ—大尺度比；λ′—小尺度比。

1．5 试验设计

针对2种框架结构（420 mm单浮管框架和315 mm双浮管框架）的网箱分别进行了2种网深（8 m和10 m）、2种配重形式（底圈和沉子）的网箱模型试验。

2 结果与分析

2．1 不同配重形式箱体受力

由图3比较可知420mm单浮管框架，8 m网深在流速低于0．75 m／s时，两种配重形式的网箱受力相差不多，配重为底圈的整体受力比配重为沉子的稍大1．7％～4．6％，当流速为1．05 m／s时，配重为底圈的要比配重为沉子的受力大14．4％；10 m网深时，随着流速的增加，箱体受力也随之变大，配重为底圈的受力比配重为沉子的受力大23％～33．6％。

315 mm双浮管框架，8 m网深在流速小于0．6 m／s时，配重为底圈的比配重为沉子的箱体受力大10．8％～12．3％，流速高于0．75 m／s时配重为底圈比配重为沉子受力大25．3％～33．2％。10 m网深时，流速小于0．75 m／s，配重为底圈比配重为沉子受力大1．8％～6．3％，流速高于0．75 m／s时，配重为底圈比配重为沉子受力大19．8％～28％。同等条件下随着流速的增加，箱体受力不断增大［22］，配重为底圈的受力要大于配重为沉子的受力。在相同流速、相同网深、相同框架结构等条件下，受力相差变化较大出现在流速高于0．6～0．75m／s，流速小于0．6m／s时相差1．7％～12．3％，流速大于0．75 m／s时，配重为底圈的受力增大幅度明显高于配重为沉子时的受力，相差19．8％～33．6％，这与赵云鹏［23］等的研究也相一致。究其原因，是因为配重为底圈时，底圈使网袋底部撑开，使得网袋整体形变量要小于配重为沉子时的形变量，从而导致配重为底圈的箱体受力面积比配重为沉子的箱体受力面积大，所以配重为底圈的受力要大于配重为沉子的箱体受力，由图4也可看出配重为底圈的箱体容积保持率也高于配重为沉子的箱体。

图3 箱体受力比较图Fig．3 Sea cage stress com parison chart

2．2 不同网深箱体受力

在相同流速、相同框架结构等条件下比较发现，配重为沉子时，10m深的网箱受力比8m深的网箱受力大4．2％～22．3％，配重为底圈时，10 m深的网箱受力比8 m深的网箱受力大1．5％～11．5％。在流速1．05 m／s时，420 mm单浮管框架网箱受力最大为16．2 kN，315 mm双浮管框架网箱受力达到20．1 kN。两种配重形式都是随着网深的增加受力变大，配重为沉子时受力增加幅度与网深的增加幅度基本一致，网深增加了25％，受力增大22．3％。

2．3 不同框架结构形式箱体受力

配重为底圈，8 m网深，在流速小于0．6 m／s时，315 mm的双浮管框架结构的网箱比420 mm单浮管框架结构的网箱受力大4．1％～7．3％，流速大于0．75 m／s时，315 mm的双浮管框架结构的网箱比420 mm单浮管框架结构的网箱受力大6．5％～12．4％；

10 m网深，流速小于0．75 m／s时，315 mm的双浮管框架结构的网箱比420 mm单浮管框架结构的网箱受力大2．4～5．4％；流速大于0．75 m／s时，315 mm的双浮管框架结构的网箱比420 mm单浮管框架结构的网箱受力大27．2％。

配重为沉子，8 m网深315 mm的双浮管框架结构的网箱比420 mm单浮管框架结构的网箱受力大7．1％～16．8％；10 m网深，315 mm双浮管框架的受力比420 mm单浮管的受力大2．1％～28．2％。

不难发现，不论是8m网深还是10m网深的箱体，都是双浮管的框架结构受力大于单浮管的框架结构，配重为底圈的受力大于配重为沉子的受力。315 mm双浮管框架的网箱浮管长度约为420mm单浮管框架浮管长度的2倍，而受力仅大了28．2％，这也说明水流作用下的单纯浮架受力在整体网箱的受力中所占比重不大［24］。

2．4 不同配重形式箱体形变比较

图4选取的是420 mm单浮管框架结构，10 m网深时不同配重形式的三种流速时，采用水下摄影方法，在固定位置定点、定焦获得影像资料，参考陈晓蕾等［12］关于网箱容积算法对影像资料进行整理。

随着流速的增加，沿着水流方向网箱箱体漂移不断增大，箱体形变也不断增大。配重为沉子的网箱迎流面的漂移形变量要比配重为底圈的大。因其吊挂的沉子均匀排布在网袋底部，两个沉子之间没有支撑物，水流冲击时便会向中间聚拢从而使得网袋整体形变量大增。配重为底圈的箱体，同样受水流的冲击，但其底部为一整体，使得各部分相互牵制，迎流面受到周围底圈的牵制作用，形变量就比单纯为沉子时的形变量要小，因此容积保持率要高于配重为沉子的箱体容积保持率。图4的网箱水下照片也能更为直观地看到两种网箱在同一条件下的不同状态。

图4 不同流速下两种网箱的水下照片Fig．4 Underwater photographs of two kinds of cages at different current velocities

3 结论

流速＜0．6～0．75 m／s时，315 mm双浮管框架网箱和420 mm单浮管框架网箱的受力情况相差不多。因起换网便于操作，建议使用配重为沉子的形式。当流速≥0．75 m／s时，建议使用配重为底圈的形式，虽然受力比配重为沉子形式的要大，但网形保持效果要好于配重为沉子的网箱。综合考虑到框架成本，制造加工难易度，以及网箱的受力情况，建议在流速＜1 m／s的海区使用420 mm单浮管框架结构的网箱比较合适。本文现仅做了网箱受力的研究，接下来将进一步对网箱的容积保持以及在各种流速下的影响作进一步探讨。

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Resistance performance test of six-three type sea cage

LIU Yong-li，WANG Lei，SHI Jian-gao，YUWen-wen，MIN Ming-hua，WANG Lu-min*

（East China Sea Fisheries Research Institute，Chinese Academy of Fishery Sciences，Shanghai 200090，China）

To provide reference for the sitting，type selection andmooring of six-three sea cagewhich will be used in the South China Sea，themodel test is conducted using this cage in experimental tankswith the size of 90 m×6 m×3 m．The effects of two floating frames（420 mm and 315 mm），various depths（8m and 10 m），and counter weight with bottom ring and sinker on tension of sea cage were investigated．The results showed that the tension of sea cage with 315 mm double floating frame was larger than that of cage with 420 mm single floating frame under equivalent conditions．The tension of cage with 10 m depth was larger than that of cage with 8m．And the tension of cage with bottom ring weights was greater than that of cage with sinker weight．In addition，the shape keeping of cagewith bottom ringwas superior to thatof cagewith bottom ring weights．Therefore，considering the costs of frame，manufacturing and processing，aswell as the tension of the cage，we recommends to use the cageswith 420 mm single floating frame when the flow velocity is less than 1m／s．

six-three sea cage；resistance performance；single-pointmooring

S 972．1

：A

2095-3666（2016）04-0293-06

10．13233／j．cnki．fishis．2016．04．008

2016-10-14

：2016-11-14

广东省海洋经济创新发展区域示范专项（GD2013-D01-001）

刘永利（1981-），男，助理研究员，研究方向：深水网箱性能的研究。E-mail：15921847103＠163．com

王鲁民（1963-），男，研究员，研究方向：渔用新材料研究与开发。E-mail：lmwang＠eastfishery．ac．cn