贝类养殖吊笼水动力特性的实验研究

赵云鹏廖 鹏毕春伟李明智

（1大连理工大学，海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连116024；2大连海洋大学航海与船舶工程学院，辽宁大连116023）

贝类养殖吊笼水动力特性的实验研究

赵云鹏1，廖 鹏1，毕春伟1，李明智2

（1大连理工大学，海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连116024；2大连海洋大学航海与船舶工程学院，辽宁大连116023）

通过模型实验的方法分别探讨了规则波和均匀流作用下贝类养殖吊笼的水动力特性，并分析了贝类养殖密度对吊笼受力的影响。在波浪作用下，基于莫里森方程，通过最小二乘法计算水动力系数Cd和惯性力系数Cm值；在水流作用下，利用简化莫里森公式反推出Cd值；分析了Kc数、雷诺数Re和养殖密度对Cd和Cm的影响。结果显示：吊笼的运动幅度及受力随着波高、周期及流速的增大而增大；随着贝类养殖密度的增大，吊笼受到的水平力逐渐增大，而吊笼的运动幅度逐渐减小；在波浪效应下，随着Kc数、Re的增大，Cd有略微增大趋势，而Cm则先增大后趋于常数；在水流作用下，Cd值随着雷诺数Re的增大无显著变化；在同一工况下，Cd随着贝类养殖密度的增加而增大，而Cm相应减小。研究表明，本实验得出的吊笼水动力系数可作为计算吊笼波浪力和流阻力时的取值参考。

吊笼；水动力系数；规则波；均匀流；养殖密度

筏式吊笼养殖是贝类海水工业化养殖普遍采取的形式［1－3］。吊笼系统受力计算是浮筏养殖结构设计及优化的关键所在。由于吊笼直径远小于海浪波长，故工程上一般用Morison方程［4］对其进行受力分析。而运用Morison方程的关键在于水动力系数的选取。中国港口规范［5］对于实体圆柱给出经验取值，速度力系数Cd为1.2和惯性力系数Cm为2.0。吊笼为透空圆柱体结构，主要由圆柱形网衣和分层网片构成，在波浪和水流下网衣是主要受力构件。

近年来国内外学者围绕网衣的水动力特性开展了诸多研究，如：傅恩波等［6］通过实验测量了作用在平面网衣上的波浪力，得出波浪下的拖曳力系数与水流中的近似；赵云鹏等［7］通过网衣波浪实验分析了雷诺数与拖曳力系数和惯性力系数的关系；刘莉莉等［8］对单片网在振荡流中的水动力系数进行实验探究，给出了水动力系数随Kc数、雷诺数Re的变化规律；日本学者田内等给出的网片与水流垂直时受力计算经验公式中，速度力系数Cd为1.76［9］；苏联学者巴拉诺夫等建议Cd取1.5，而列维恩等认为Cd取 2.16［9］；Balash等［10］认为Cd随着雷诺数增大趋于稳定，网衣密实度是影响Cd的重要因素。但上述结论的研究对象仅是单片网衣，与吊笼的圆型网衣有所区别。詹杰民等［11］对平面网衣和圆型网衣的阻力进行比较分析，认为同样网面积下圆型网衣阻力较小。迄今关于养殖贝类水动力特性的研究不多。

中国台湾学者李冠颖［12］对水流下牡蛎的流阻力系数进行实验测量，得出其平均值为1.83；Plew［13］做了贻贝串在水流下的生物泵效应实验，认为贻贝的进食活动对贻贝串的速度力系数影响不大，贻贝串的Cd大致为1.3。再具体到吊笼及其中贝类养殖密度对水动力特性综合影响这方面研究还比较少。

基于上述分析，本文在小波流水槽开展规则波、均匀流及贝类养殖密度对吊笼模型水动力特性影响的实验研究，给出水动力系数与养殖密度、Kc数、雷诺数Re的关系，为吊笼水动力系数的取值提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 吊笼模型

在亚洲，采用吊笼养殖扇贝是一项很成熟的技术。贝类，吊笼模型及原型图如图1所示。

图1 贝类，吊笼模型及原型图Fig.1 Shellfish，lantern net model and its prototype

中国水产养殖领域普遍采用的吊笼有5层、10层、15层等不同类型。本研究参照5层原型吊笼，按照克列斯登生渔具模型试验准则［14］设计模型，模型与原型比例1∶2，吊笼模型底盘直径15 cm，层高5 cm，网衣和分层网片采用聚乙烯材质，目脚长0.5 cm，网线直径0.1 cm。

1.1.2 贝壳模型

贝壳模型选用已剥蚬壳内包橡皮泥，外口用胶枪融射胶棒密封，模型平均直径2 cm，换成原型直径4 cm。美国粮农研究中心［15－16］给出贝类吊笼养殖规范建议，当贝苗直径大于2.8 cm时，最优放养密度为800个／m2。中国水产养殖为保障存活率建议笼养扇贝3 cm苗放养密度为565～778个／m2。

在本实验中，每层每次投放贝壳模型两枚，分5次投放，直到每层10枚，以此模拟吊笼内贝类的不同养殖密度（此处养殖密度指每层中的贝壳个数除以吊笼的层面积）。设置3组养殖密度，分别为组Ⅰ（0个／m2）、组Ⅱ（226个／m2）和组Ⅲ（566个／m2）。

1.2 实验设备及布置

实验是在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室小波流水槽（长22 m，宽0.45 m，高0.6 m）中进行（图2）。实验水深0.45 m，水槽尾部布置消能装置，用以吸收波浪能量以减少波浪反射。三维测力计量程为10 N，两支水下拉力计量程为1 N，测力计精度均为0.01 N。波高仪采用TWG—600型测量仪，实验前先进行标定，标定线性度大于0.99。水流速度用声学多普勒点式流速仪（ADV）进行测量，仪器分辨率0.01 cm／s。

图2 模型布置示意图Fig.2 Layout diagram of the model

吊笼布置在水槽中部，吊笼顶端距水面0.05 m，左右距离槽壁均为0.15 m。布置形式分2种：固定式（三点约束），即吊笼上端悬挂于三维测力计，底部用两支水下拉力计水平约束，在波浪或水流作用下保持不动；悬吊式（单点约束），即吊笼仅仅通过上端吊绳悬挂于三维测力计上。实验数据全部由计算机自动采集和处理，采样间隔均为0.01s，每组工况至少重复3次，取平均值为实验最终结果。实验采用的波浪要素见表1。设置5组实验流速，分别为6.0、11.8、18.1、22.2和24.8 cm／s。

表1 原型与模型波要素表Tab.1 Wave parameters in prototype and model

1.3 水动力系数求解方法

本实验条件下，仅对固定式吊笼进行水动力系数计算。吊笼直径D与波长L相比很小，作用在吊笼上的水平波浪力F可以按照Morison方程进行计算。由于吊笼为镂空体结构，故不能直接按照同等大小的实心圆柱进行求解，需要对方程中的柱体体积和柱体投影面积进行重新定义。Morison方程改写如下：

式中：Fd和Fi分别为速度力和惯性力，N；Cd和Cm分别为速度力系数和惯性力系数（无因次）；u和分别为水质点的瞬时速度与瞬时加速度，m／s，m／s2；ρ为流体密度，kg／m3；A为吊笼沿水平方向轮廓投影面积，m2；Sn为吊笼侧面圆柱形网衣密实度［17］，经计算取为0.25；V是吊笼的排水体积，m3。本文通过排水法测得不同养殖密度下吊笼的排水体积V分别为0.075×10－3、0.22×10－3和0.435×10－3m3。

求解水动力系数的关键在于确定与吊笼受力对应的波浪的瞬时速度与瞬时加速度，这通常需要采用合适的波浪理论，在本实验条件下采用一阶线性波理论［18］进行求解。水平速度u和水平加速度计算公式如下：

式中：H为波高，m；T为波周期，s；h0为水深，m；k为波浪的波数，m－1；ω为波浪圆频率，rad／s；色散方程ω2＝gktanhkh0；x，z分别为水平和垂直坐标，m；静止水位z＝0；t表示时刻，s。假设力的瞬时实测值Fm（N），力的计算值Fc（N），则两者误差平方和为：

式中：n为实测数据点个数；i表示第i时刻，s。

由最小二乘法，选用的Cd与Cm值应使Q→Qmin，为此应有，从而可求出水动力系数Cd和Cm。将利用最小二乘法获得的吊笼水动力系数值代入Morison方程，可得吊笼的波浪力计算值。根据图3，吊笼所受到的波浪力过程线计算值与实测值符合良好。

图3 波浪力实测值与计算值的比较Fig.3 Comparison of the measured wave forces and the calculated wave forces

在纯流条件下，方程仅剩速度力项，吊笼的速度力系数Cd可按如下公式计算：

通常取Kc、Re作为水动力系数分析的重要参数。当吊笼结构的特征长度λ取为吊笼的网线直径时，式（6）和式（7）可以较好地表示吊笼直径相同但网线直径不同时的Kc与Re。

式中：umax取为吊笼中心点处水质点水平速度幅值，m／s；γ为水的运动粘性系数，m2／s；μ为水的动力粘滞系数，取为1.5×10－3kg／（m·s）。

2 结果

2.1 波浪和水流对吊笼受力的影响

当波高一定时，周期增加则吊笼受到的水平波浪力峰值随之增大；当周期相同时，波高增大则吊笼受到的水平波浪力峰值增大；在同一波况下，贝类养殖密度越大则吊笼所受到的水平波浪力峰值越大（图4a）。

图4 波浪或水流作用下吊笼的水平受力图Fig.4 Horizontal force of lantern net under wave or current loads

在波浪周期等于1 s（即频率为1 Hz）时，吊笼的波浪力几乎为最大，这可能是由于吊笼的自振频率也在1Hz附近，两者共振所致。流阻力F与来流速度u0基本呈幂函数关系，当养殖密度一定时，流阻力随着流速的增大而增大；在相同流速下，随着养殖密度的增大，流阻力也相应增大（图4b）。

2.2 波浪和水流对吊笼运动的影响

在吊笼中心位置及底部各安装一个发光二极管作为示踪光源，通过专用动态图像采集分析软件［19］进行运动分析。吊笼会随浪左右摇摆，随流出现稳定倾角。吊笼倾角θ为吊笼绕悬吊点偏移最大位置与竖直方向的夹角。当波高一定时，周期增大则吊笼倾角增大；当周期相等时，波高增大吊笼倾角亦增大；在同一波况下，随着养殖密度增大吊笼倾角相应减小（图5）。在同一养殖密度下，流速越大，吊笼倾角越大；在相同流速下，随着养殖密度的增大，吊笼倾角相应减小（图6）。

图5 吊笼倾角与波高－周期关系图Fig.5 Periodic relationship between the dips and wave height

图6 吊笼倾角与流速关系图Fi .g6 Relationship between the dips and current velocity

2.3 吊笼对周围流场的影响

实验采用ADV流速仪测量吊笼背流侧距中心点45 cm（即3倍吊笼直径）处的流速数据。在同一养殖密度下，随着来流速度的线性增加，3倍吊笼直径后的流速大致呈线性增大；当流速一定时，随着养殖密度的增加，吊笼背流侧同一位置处的流速呈下降趋势（图7a）。

定义一个无量纲参数—流速衰减因子γ＝u／u0来表示吊笼对流场的影响。随着来流速度的增大，流速衰减因子也有逐渐增大趋势，3倍吊笼直径后的流速大致衰减到来流速度的35%～ 55%。这表明吊笼的阻流效果随着流速增大而变弱（图7b）。

2.4 吊笼的水动力系数

当养殖密度一定时，在波浪作用下，随着Kc数和Re数的增大，速度力系数Cd略微增大，而惯性力系数Cm则先增大后趋于常数（图8、图9）；在纯流作用下，随着雷诺数的增大，速度力系数Cd值略有改变（先减小后增大），但总体平稳（图10）。在相同工况下，随着养殖密度的增大，速度力系数Cd增大而惯性力系数Cm减小。

图7 不同养殖密度下距吊笼中心点45 cm处流速值Fig.7 The flow－velocity at 45 cm away from the center of lantern net under different breeding densities

图8 波浪作用下Cd、Cm与Kc数关系图Fig.8 The relationship betweenKcandCd，Cmunder wave action

图9 波浪作用下Cd、Cm与Re数关系图Fig.9 The relationship betweenReandCd，Cmunder wave action

图10 水流作用下Cd与Re数关系图Fig.10 The relationship betweenReandCdunder current action

3 讨论

在海洋环境下，吊笼主要受波浪和水流荷载作用。Morison方程是小尺度构件波流力的实用计算方法，对于不同结构运用Morison方程时水动力系数取值一般不同，故吊笼水动力系数的正确选取将直接关系到筏式养殖设施结构设计及整体优化。由于吊笼是透空结构圆柱，其透水性主要受网衣密实度和贝类养殖密度影响。故张光发［20］将之简化为实圆柱体估算波流力偏于保守。本实验建议，在纯浪效应下，当吊笼空载（即养殖密度为0个／m2）时，Cd和Cm值可分别取为1.5和2.2；当养殖密度为566个／m2时，Cd和Cm值可分别取为1.8和1.3；在纯流效应下，当吊笼空载（即养殖密度为0个／m2）时，Cd值可取为1.2；当养殖密度为566个／m2时，Cd值可以取为1.5。本实验得到的速度力系数值小于田内［9］给出的经验系数1.76。原因有：一是相同网面积下的圆形网片流阻力小于平面网片的流阻力［11］；二是现代渔具中广泛应用的合成纤维网要比以往的植物纤维网具有更好的滤水性，其水阻力系数也就显著减小［21］。

4 结论

本研究结果表明，吊笼的运动及受力随着波高、周期及流速的增大而增大。贝类养殖密度增大，则吊笼受到的水平力增大，运动幅度减小。在波浪效应下，随着Kc数、雷诺数Re的增大，速度力系数Cd有略微增大趋势，而惯性力系数Cm则先增大后趋于常数。在水流效应下，速度力系数Cd值随着雷诺数Re的增大无显著变化。在相同工况下，随着贝类养殖密度的增加，速度力系数Cd增大，而惯性力系数Cm减小。本研究通过实验获得的贝类养殖吊笼在波浪、水流及不同养殖密度下的水动力系数，可在计算吊笼波浪力和流阻力时为水动力系数的取值提供参考。 □

［1］ 张继红，王巍，蒋增杰，等.桑沟湾夏季栉孔扇贝养殖笼内水质变化［J］.渔业科学进展，2010（4）：9－15.

［2］ 李明智，张光发，邓长辉，等.虾夷扇贝浮筏养殖作业改造与试验［J］.农业工程学报，2014（11）：195－204.

［3］ 蒋增杰，方建光.附着生物对贝类养殖的影响及其防除［J］.南方水产，2005，1（3）：65－68.

［4］ 李玉成，滕斌.波浪对海上建筑物的作用［M］.北京：海洋出版社，2015：303.

［5］ 交通运输部.JTS145－2015港口与航道水文规范［S］.北京：2015.

［6］ FU E B，SATO O，NASHIMOTO K，et al.Wave force action on plane nets［J］.Nippon Suisan Gakkaishi，1989，55（1）：65－75.

［7］ ZHAO Y，LI Y，DONG G，et al.An experimental and numerical study of hydrodynamic characteristics of submerged flexible plane nets in waves［J］.Aquacultural Engineering，2008，38（1）：16－25.

［8］ LIU LL，KINOSHITA T，WAN R，etal.Experimental investigation and analysis of hydrodynamic characteristics of a net panel oscillating in water［J］.Ocean Engineering，2012，47：19－29.

［9］ 桂福坤.深水重力式网箱水动力学特性研究［D］.大连：大连理工大学，2006：77－78.

［10］BALASH C，COLBOURNE B，BOSE N，et al.Aquaculture Net Drag Force and Added Mass［J］.Aquacultural Engineering，2009，41（1）：14－21.

［11］詹杰民，胡由展，赵陶，等.渔网水动力试验研究及分析［J］.海洋工程，2002（2）：49－53.

［12］李冠颖.外海浮筏式蚵架动力分析［D］.高雄：国立中山大学，2010：55－58.

［13］PLEW D R，ENRIGHT M P，NOKES R I，et al.Effect of mussel bio－pumping on the drag on and flow around a mussel crop rope［J］.Aquacultural Engineering，2009，40（2）：55－61.

［14］周应祺.渔具力学［M］.北京：中国农业出版社，2001：140－144.

［15］LEAVITTD.Grow－out culture of the bay scallop［R］.Maryland：Northeast Regional Aquaculture Center，2010：1－10.

［16］SURIER A，KARNEY R，GUO X，et al.CREATING A TETRAPLOID BROODSTOCK FOR THE BAY SCALLOP，ARGOPECTEN IRRADIANS［J］.JournalofShellfish Research，2009，28（3）：657.

［17］BI C，ZHAO Y，DONG G，et al.Experimental investigation of the reduction in flow velocity downstream from a fishing net［J］.Aquacultural Engineering，2013，57（6）：71－81.

［18］邹志利.水波理论及其应用［M］.北京：科学出版社，2005：17－25.

［19］GUI F，LI Y，DONG G，et al.Application of CCD image scanning to sea－cage motion response analysis［J］.Aquacultural Engineering，2006，35（2）：179－190.

［20］张光发，黄亚南，梁峻，等.外海延绳式浮筏养殖设施抗风浪能力估算方法研究［J］.渔业现代化，2014，41（6）：22－27.

［21］虞聪达，朱江忠，何千军.聚乙烯平面网片水动力特性研究［J］.浙江水产学院学报，1991，10（1）：40－45.

Experimental study on hydrodynamic characteristics of lantern net for shellfish culture

ZHAO Yunpeng1，LIAO Peng1，BI Chunwei1，LI MingZhi2
（1 State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China；2 College of Navigation and Shipbuilding Engineering，Dalian Ocean University，Dalian 116023，China）

In this paper，hydrodynamic characteristics of lantern net under regular wave and uniform current are respectively discussed by model test，and the influence of different densities of shellfish on the force of lantern net is analyzed.The hydrodynamic coefficientsCdandCmare calculated by the least square method based on the Morison equation under wave load；Drag coefficientCdis calculated using the simplified Morison formula in the effect of current；and the effects ofKcnumber，Reynolds number and breeding density of shellfish on hydrodynamic coefficientsCdandCmare analyzed.The results indicate that：The motion amplitude and force of the lantern net increase with the increase of the wave height，period and current velocity；The horizontal force of lantern net increases and the amplitude of the motion decreases as the shellfish breeding density increases；Drag coefficientCdincreases slightly with theKcnumber and the Reynolds number increases under wave load，while inertia coefficientCmincreases first and then remains stable；The drag coefficientCddoes not change significantly with the increase of Reynolds number under current action；Under the same conditions，the increase of shellfish breeding density leads to the increase of drag coefficient and decrease of inertia coefficient.The study shows that，the hydrodynamic coefficients for the lantern net obtained from this experiment could be used as reference in the calculation of wave and current loads of lantern nets.

lantern net；hydrodynamic coefficients；regular wave；uniform current；breeding density

S953.5

A

1007－9580（2017）02－006－08

10.3969／j.issn.1007⁃9580.2017.02.002

2017－01－05

国家自然科学基金（51239002，51579037，51221961，51609035）；中国博士后基金（2016M590224）；中央高校基本科研业务费专项（DUT16YQ105）

赵云鹏（1980—），男，教授，研究方向：筏式养殖设施水动力特性。E－mail：Ypzhao＠dlut.edu.cn