波流复合工况下缝边式围栏网衣水动力特性

王　顺，冯德军，桂福坤

波流复合工况下缝边式围栏网衣水动力特性

王顺，冯德军，桂福坤※

（浙江海洋大学国家海洋设施养殖工程技术研究中心，浙江省海洋养殖装备与工程技术重点实验室，舟山 316022）

围栏养殖是一种发展迅速的新型生态养殖模式。网衣系统是围栏养殖设施的核心组成部分，与设施的安全密切相关。该研究针对缝边式围栏网衣系统，采用集中质量点法研究其在波流复合工况下的受力特性。研究结果表明：在波高4～6 m、流速1.0 m/s、入射角度0°时，纲绳最大受力出现在距水面下1～2.5 m处的第二、三根横向纲绳两端处；网线最大受力出现在水面下第二根横向纲绳与中间两根竖向纲绳连接处；网衣受力呈现对称分布，整片网衣的载荷主要来自上半部分网衣，约占总荷载的80%；随着入射角度的增大，纲绳和网线的最大受力以及网衣的最大偏移量逐渐减小；同等波高条件下，入射角度0°～40°时，围栏网衣受力及最大偏移量下降速率较慢，入射角度40°～80°时，下降速率较快；位于两侧桩柱上的系缚点的最大受力出现在水面下第二、三根横向纲绳两端处。在工程运用过程中，建议将以上最大受力部位进行加固处理，以提升围栏网衣抗破坏能力。该研究结果可为围栏实际工程建设和维护阶段提供技术支撑。

水产养殖；模型；力学性能；网衣；波流复合工况

0 引 言

围栏养殖工程，因其有养殖面积大、养殖对象品质更近生态等诸多优点备受养殖企业青睐[1]。起初在池塘、湖泊、沿海滩涂用毛竹插入泥沙底部的方式进行养殖[2]，然后由内海向优质水体的外海推进，出现浮绳式、围栏等结构形式。但是目前所有的围栏养殖中都存在不同程度的网衣破坏，无论是在网衣强度设计、结构设计，还是后期维护阶段，围栏网衣设施安全性能评估成为当今研究热点。

桩柱和网衣是围栏养殖工程的两个核心构成单元。桩柱一般可参照《港口工程桩基规范》[3]或《建筑桩基技术规范》[4]进行设计和建造。围栏养殖工程的建造是在深水抗风浪网箱投入应用之后，最近10年迅速发展的水产养殖产业，抗风浪网箱网衣的研究发展为围栏养殖工程网衣提供了方法和手段。最初的研究以试验[5]为主，后又引入数值模拟的方法[6-9]，建立了通用的网箱的数值模拟方法和程序[10-14]，并被广泛应用于网箱浮架、网衣、锚碇等系统的水动力特性研究。

围栏养殖工程和浮绳式围网都是圈围一定量的海面，上至海面、下至海底，但是在结构形式上，浮绳式围网采用浮球支撑网的重力，围栏则是利用桩柱固定网衣，在支撑网衣上存在一定的不同。叶卫富[15]通过模型水槽试验对浮绳式围网进行了研究，初步得到围网设施水动力变化规律，但只研究一个入射方向上的水流和波浪工况，也未对围网形状变化进行研究，且仅仅针对框架纲和系泊纲进行研究。崔勇等[16]通过物理试验和数值模拟手段，对围网浮子的最大位移和网衣张力进行研究。徐克品等[17]采用正弦波理论和莫里森方法理论对浮绳式围网网衣进行研究，得到局部网衣在垂直方向的受力情况。以上均为针对浮绳式围网进行的研究。针对围栏网衣水动力研究，桂福坤等[18-19]采用集中质量点法建立了网衣的运动响应数学模型，得到固定方式和纲绳直径、网格形状对围栏网衣力学性能的影响，但为了研究方便，将网衣全部放置水底，网衣最高处置于波浪波谷处，即波浪作用于网衣时不露出水面。陈天华等[20-21]采用数值模拟的手段，分析单因素（波高、流速）对网衣的影响，这里需要指出其是针对四边加纲绳形式的单元网衣进行研究，且也为了研究方便网衣全部置于水底。杨熙等[22]研究了波浪载荷作用下网片出水和完全淹没条件的水动力特性，分析得出网衣出水与不出水在受力、位移等方面存在较大差异，其研究也是单因素波高对网衣的影响。

综上所述，以上研究均存在工况单一等问题，均未考虑波流复合工况及其入射角度对其的影响。该研究针对波流复合工况（波高+流速），结合不同入射角对围栏网衣力学性能进行系统的研究。并以实际工程围栏网衣为研究对象，以确定围栏网衣的最大受力、最大偏移、系缚点最大受力，为围栏设计安装以及后期维护等提供技术支撑。

1 材料和方法

1.1 围栏养殖工程原模型

该研究以实际工程浙江省鹿西岛围栏网衣布置为研究背景（图1）。该围栏养殖工程主要由桩柱、网衣、系网杆、抱箍等组成，其特点是长方形网衣固定在系网杆上，系网杆通过抱箍固定在桩柱上。网衣纵向有4根间隔1.2～1.5 m竖纲绳固定，其中左右两端为了防止养殖鱼类的逃逸，通过固定绳固定在系网杆上。网衣横向根据水深分布每隔1 m左右布置一根纲绳，上方通过固定绳固定。为了防止养殖鱼类从网衣底部逃逸，将铁链加装在底部纲绳上并嵌入海底。

1.桩柱 2.抱箍 3.系网杆 4.网线 5.竖向纲绳 6.横向纲绳 7.系缚点 8.铁链 9.固定绳

1.2 数值模拟方法

围栏网衣的纲绳和网线属于柔性结构物，具有小尺度、多自由度、大变形的特点，所以采用集中质量点的方法[24]进行模拟。通过计算集中质量点在波浪和边界条件下的运动，来确定网衣的变形，进而确定网衣的运动。网线和纲绳的集中质量点分别设于网目目脚的两端和纲绳与网线结节接触处，该研究集中质量点的计算主要分为4类（图2a）。以1号结节处集中质量点为例，网衣集中质量点受力主要包括：重力、浮力、张力、波浪力（速度力和惯性力）。1号结节处所受重力和浮力由一个结节、两个目脚、一根横纲和一根竖纲提供（图2b），其受力分析如图2c所示。

注：B为集中质量点的浮力，N；W为集中质量点的重力，N；FD、FI分别表示集中质量点的速度力和惯性力，N；T1、T2、T3、T4为纲绳作用于结节的张力，N；T5、T6、T7、T8为网线作用在结节上的张力，N；1～4为网衣的4类集中质量点。

集中质量点张力其主要计算式[23-24]如下：

式中为此段网线（或纲绳）直径，m；0为网线原始长度，m；为变形后的长度，m；(x,y,z)、(x,y,z)分别表示该集中质量点的初始位置和移动后的坐标，m；1、2为构件材料弹性系数；

网衣运动主要由波浪力提供，波浪力的计算可以采用莫里森方程[25]进行计算。根据网衣的结构特点，网线的目脚和纲绳两端集中质量点为圆球，圆球在各个方向的投影面积相等，故水动力系数取恒定值。网线的目脚和纲绳假设为圆柱体杆件，杆件在运动过程各个方向投影有差别，故需要考虑波浪入射方向与网线夹角之间的关系，故需在目脚和纲绳上建立局部坐标系（，，），由于目脚和纲绳的非结节处波浪力计算相同，取纲绳的一段，受力分析如图3所示。

注：τ轴方向为沿纲绳方向，ξ轴在τ轴和水质点相对速度组成的平面内与τ轴垂直，η轴与ξ轴和水质点组成的平面互相垂直；V为波流共同作用的水质点速度，m⋅s-1；q为波流入射方向与y轴的夹角，（°）；其他变量含义与图2相同。

该段纲绳在波流复合工况下波浪力主要计算式[25]如下：

波浪水质点速度的主要速度势计算式[25]如下：

式中表示水质点速度势；表示波速，m/s；表示波浪波数；表示波浪角频率，rad/s；表示集中质量点深度（z方向）的相对位置，m；表示水深，m；表示集中质量点在方向的位置，m；表示水质点运动的时间，s；表示由（波高）与⋅决定的参数；表示波长，m；123表示式（5）累积项F，N。

在整体坐标系下将各集中质量点所包含的结节和目脚的受力进行累加，并将其分配到集中质量点上，然后利用牛顿第二定律建立集中质量点运动方程：

式中、Δ分别表示各集中质量点的质量和附加质量，kg；表示集中质量点的加速度，m/s2。

利用Fortran软件进行程序编写，给定网衣的初始状态，计算各个Δ时间，网衣质点运动的位移、速度和加速度等，最后利用MATLAB软件对结果进行可视化分析。

1.3 模型验证

为了验证网衣数学模型的正确性和有效性，在浙江海洋大学拖曳力水槽进行验证性试验，具体试验过程同文献[20]和[23]。拖曳力水槽长度130 m、宽度6 m、深度3.44 m。本试验中网衣的材料采用聚乙烯（PE）材质，网的尺寸0.64 m´0.20 m。试验水深0.7 m，波浪周期在1.6 s，由于造波机最大波高0.35 m，图4给出波高0.05～0.25 m网衣最大水平波浪力的计算结果。可得网衣水平波浪力最大值的模拟值与试验值误差在4.9%，说明该研究数值模拟计算的结果可真实反映网衣受力特性。

1.4 计算参数及试验设计

实际工程结构中，围栏网衣有成千上万个网目，计算机难以处理众多网目单元形成的计算矩阵，所以采用网目群化的方法。计算原始网目数为13 824，采用“8×8网目群化”方法[26-27]，群化后网目数为216。围栏网衣尺寸：3.80 m×5.76 m，由从上而下5根横向纲绳，从左至右4根竖向纲绳和网线组成，水平缩结系数0.66，垂直缩结系数0.75，采用材料具体的参数如表1所示。结节水动力参数[28-29]取：C=1.45，C=0.50；网线水动力参数取：C=1.45，C=1.45，C=1.45；C=0.20，C=0.20，C=0.20。网衣的运动状态是三维的，z方向为网衣集中质量点位置信息，运动方向为z方向，初始状态下，轴的坐标为0，将网衣露出水面0.5 m，如图5所示。该研究通过比较波面水质点位置()与网衣集中质量点的位置()[30]判断网衣是否出水。当时，水质点的速度和加速度都为0；当时，运用式（5）的速度势公式计算水质点速度和加速度。根据道式波级[31]，波高分为十个等级，在中国近海有效波高4.0 m以上就定义为灾害性波浪，所以设计波高4、5、6 m，流速1.0 m/s，根据围栏养殖工程建设的位置，将围栏可能面临的海浪拍打方向即入射角（式4）分为0°、10°、40°、60°、80°，组合共设计15组组合工况。波浪和流速同向，其中0°代表波浪垂直拍打围栏网衣。

图4 网衣最大水平波浪力试验装置及模拟值和试验值对比

表1 网衣参数

图5 网衣运动的初始状态

该研究主要通过数值模拟的方法，针对围栏网衣水动力特性的4个方面展开研究：1）研究围栏网衣纲绳和网线的最大受力；2）研究围栏网衣的最大偏移量（最大偏移量是指网衣变形后结节到网衣初始平面的最大距离）；3）研究围栏网衣网线的受力。4）研究围栏网衣系缚点的受力。

2 结果与分析

2.1 入射角度对围栏网衣最大受力的影响

波高4 m、流速1.0 m/s、入射角0°、10°、40°、60°、80°时，网衣的受力如图6所示。从图中可以直接看出随着入射角的增加，网衣的受力是逐渐减小的。入射角0°时，纲绳和网线受力最大；入射角80°时，纲绳和网线受力最小。波流复合工况下入射角0°时，围栏网衣受力比较均匀，受力成对称分布，随着角度转变围栏网衣右侧区域（图中红色虚线矩形框）网衣的纲绳和网线受力要明显大于左侧（图中黑色虚线矩形框）。为了对比左右两端网衣受力随入射角变化情况，研究取由上而下第二根和第三根左右两端横向纲绳受力进行对比。研究结果表明波流复合工况入射角度0°时，网衣左右两边纲绳受力相等。随着入射角度的转变，围栏网衣受力向右侧倾斜。波流复合工况入射角度10°时，右侧纲绳受力要比左侧纲绳受力大27.04%；波流复合工况入射角度40°时，右侧纲绳受力比左侧纲绳受力大42.44%；波流复合工况入射角度60°时，右侧纲绳受力比左侧纲绳受力大86.01%；波流复合工况下入射角度80°时，右侧纲绳受力比左侧纲绳受力大92.15%。

注：红色实线矩形框为纲绳最大受力处，黑色实线椭圆框为网线最大受力处，红色虚线框为右侧网衣区域，黑色虚线框为左侧网衣区域。

在工程建造和实际运用中，一方面，在网衣设计制造时，网衣受力最大处需要采用特殊材料或者加固处理；另一方面，在复合恶劣工况结束后，最大受力处的纲绳和网线需要进行重点检查，以防养殖鱼类的逃逸。图7为围栏网衣在不同波高时的纲绳和网线最大受力随入射角的变化，从最大受力数值上看，纲绳最大受力在入射角0°～40°时，斜率变化是平稳的，受力逐渐减小。但在入射角40°～80°纲绳受力减小速率加快。网线最大受力在入射角10°～60°时，网线最大受力下降速率较快。总体上看，波流复合工况下正向拍打网衣，网衣承受受力最大。随着入射角的增大，波流共同作用的于网衣的水质点速度在降低，纲绳和网线最大受力减小，角度的变化本质上共同作用的水质点速度在变化。综合纲绳和网线受力下降速率，网衣的纲绳和网线受力在入射角40°～60°变化时，受力下降速率较快。

注：实线为纲绳受力，虚线为网线受力。

2.2 入射角度对围栏网衣最大偏移量的影响

图8为波流复合工况下，围栏网衣在不同入射角下的最大偏移图。从图中可以看出随着入射角的增加，网衣运动变形的形状从大的半椭圆慢慢变小，沿方向运动最大偏移量的值会逐渐减小。最大偏移的位置是跟随入射角的位置变化。图9给出网衣最大偏移数值随入射角的变化情况。从图中可以看出入射角在0°～40°时，围栏网衣最大偏移是等比例减小的。入射角在40°～80°时，围栏网衣最大偏移量减小速率加快，也间接反映网衣最大受力值较小。入射角度相同的情况下，随着波高的增加围栏网衣的最大偏移量也越大。入射角的改变对网衣偏移的影响很大，同等波高条件下，入射角从0°转到40°、80°时最大偏移量分别降低了16.01%、58.40%。从偏移量变化的数值上看，网衣在入射角40°～80°时，对网衣最大偏移量影响较大。

图8 波流不同入射角下的围栏网衣最大偏移量图

图9 不同波高时围栏网衣最大偏移值随入射角的变化

2.3 入射角度对围栏网衣网线受力的影响

研究结果表明由上而下前3根横向纲绳之间区域的网线受力要远远大于下而上后3根横向纲绳之间区域的网线受力，为了进一步研究该区域的网线受力，将前3根横向纲绳和4根竖向纲绳将网衣网线划分成6个区域，将网线的目脚按顺时针编号目脚1～4，如图10所示。结合图5网衣受力分布，波流入射角0°时，A1、A3和A4、A6区域网线受力沿中轴线对称。研究结果表明A1、A4区域中，目脚2和3的受力是远远大于目脚1和4；在A3、A6区域中，目脚1和4的受力是远远大于目脚2和3，其正好和A1、A3区域相反。中间部位A2、A5区域，目脚1、2、3、4的受力几乎相等。当波流复合工况入射角度10°时，网衣网线受力几乎和入射角0°相似。但入射角度40°、60°、80°时，A3、A6区域受力要大于其他区域网线受力。并且在这两个区域网线的目脚1和4承受较大受力。

注：A1～A6为网衣划分的6个区域；1～4为目脚编号。

2.4 入射角度对围栏网衣系缚点受力的影响

波流复合工况下，波高的改变，只会改变系缚点的受力数值大小。入射角度的改变会改变系缚点的受力部位。在入射角0°时，围栏网衣系缚点受力成对称分布，网衣承受的波浪力主要由系缚点P1～P6承担（图11），其中系缚点P2、P5的受力最大。当入射角度的增大，系缚点P4、P5受力较大。以P2、P5系缚点为例，在入射角0°时，左右两边系缚点受力大小相同；在入射角10°时，P5受力比P2受力大22.62%；在入射角40°时，P5受力比P2受力大36.43%；在入射角60°和80°时，P5受力比P2受力分别大76.28%和97.99%。此外，也进一步说明入射角从40°到60°变化后，网衣受力下降速率快。

研究结果表明系缚点受力要大于纲绳和网线受力，需要在建设过程中仔细观察系缚点是否固定好；在复合恶劣工况结束后需对各个系缚点进行重点检查和加固，需重点关注系缚点P1、P2、P4、P5。

a. 围栏网衣系缚点a. The joint points of net of net enclosureb. 系缚点最大受力b. The maximum force magnitude of joint points

3 讨 论

实际海况往往是波浪、水流以及不确定其入射方向的复杂环境，浪大流急是围栏网衣所要面临的重要环境荷载。与以往文章研究不同的是：以往文章仅考虑单因素（波高或流速）工况对围栏网衣的影响，该研究针对波流复合（波高+流速）工况及其入射角对网衣展开系统的研究。

对比波流复合工况和单因素（流速）工况[21]，以流速1.0 m/s，入射角度0°为例。单因素流速与波流载荷变化显著不同的是：单因素流速作用下根据式（4）u为定值、=0，仅存在速度力在各个深度也相同；在静水面下纲绳和网线都呈现出相同的力学特性，水流作用于网衣具有整体性的特点，不会随着水深的增加而能量降低。1）从纲绳和网线的最大受力角度看：首先从最大受力的数值来看，波流复合工况下纲绳和网线最大受力的数值比单因素工况纲绳和网线受力分别大85.42%和41.30%左右；其次纲绳和网线的最大受力部位发生改变，单因素工况下纲绳和网线最大部位分别出现在上下缘纲和网片上下端两侧位置，由于受力均匀，网衣的纲绳还是网线受力几乎对称；波流复合工况情况与上同，不在赘述。2）从网衣网线最大偏移量的角度看：首先从数值来看，在最大位移上波流复合工况位移相对于单因素工况位移几乎相同；网衣的最大偏移量的位置也发生改变，单因素工况最大位移出现在网片偏上和偏下两个位置。3）从系缚点受力的角度来看：首先从受力的数值来看，波流复合工况系缚点的最大受力在同等条件下大81.20%左右；且最大系缚点受力的部位也发生改变，单因素工况最大受力出现在上下缘纲左右两端。

在围栏养殖工程中，围栏网衣在结构、尺寸、大小等有所区别，但是该研究针对缝边式围栏网衣力学特性进行了深入研究，可以为围栏网衣设计、加固、以及后期维护等提供可靠依据。下一步将研究围栏网衣破坏机理与设计理论的研究，以期更加科学的指导生产实践。

4 结 论

该研究针对缝边式围栏养殖设施中的网衣系统在波流复合工况下的水动力特性进行了分析，获得围栏网衣在波流复合工况下各力学及偏移参数，得到以下结论：

1）围栏网衣受力是随波流复合工况入射角度的增加逐渐减小的，入射角度0°时，网衣受力最大，随入射角度的增大受力越来越小。除入射角度0°外，围栏网衣受力向右侧倾斜，入射角度10°时，右侧网衣比左侧大27.04%；入射角度80°时，右侧网衣比左侧大92.15%。在实际工程运用中，在围栏网衣建设过程中需对纲绳和网线最大受力处进行加固或采取特殊材料。

2）在围栏建设过程中，辅助设备的安装应避开网衣的运动，以防发生摩擦破坏。在波流复合工况入射方向0°～40°时，围栏网衣最大偏移量下降速率相同，入射方向40°～80°时围栏网衣偏移量下降速率增大。

3）波流复合工况下，上半部分纲绳（由上而下前三根横向纲绳）之间的网线受力要大于其他纲绳之间区域网线受力且左右两侧区域网线受力最大。

4）研究结果表明波流复合工况下，系缚点最大受力从开始的入射角0°时两侧受力相同，随着入射角度的增大，右侧系缚点受力要大于左侧。入射角在40°～80°变化时，左侧系缚点受力显著小于右侧系缚点受力。在实际工程建设过程中，需要仔细观察系缚点是否固定好。

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Hydrodynamic characteristics of the net of seam-edge type net enclosure under the combined wave-current loads

Wang Shun, Feng Dejun, Gui Fukun※

(,,316022,)

Net enclosure aquacultureis one of the most important ways for farming fish and economic animals.Among them, nets, piles, ropes and iron chains can be used to delineate a certain water column in the shallow seas. More than 10 net enclosure facilities have been built across the countryfrom the Shandong to Guangdong Province in China in recent years.However, only a few studies have been focused on the hydrodynamic performance of net enclosure aquaculture and emerging marine aquaculture facilities. The net enclosure facilities are still in the early stages. It is also lacking under the extreme ocean load resistance of aquaculture engineering structures. In addition, there is no such structural design theory or standard specifications for the net enclosure design and installation, particularly on the safety assessment. In this study, a net enclosure aquaculture facility was numerically investigated using the lumped mass model. A Newton’s second-law-based motion equation was then solved using Euler’s method. Finally, the MATLAB platform was used to visualize the calculations.The results showed that the maximum force of ropes was found in the second horizontal rope and the third horizontal rope under the still water level. Furthermore, the maximum forces of ropes and net twine were get the wave-current directions of 0°, 10°, 40°, 60°, and 80°, respectively, when the wave and current were 4 m, and 1.0 m/s, respectively. The force on the netting was tilted to the right (incident direction), as the incident angle was changed gradually. As such, the force on the right side of the rope was much greater than that left side. The maximum force on the right side of the horizontal rope was 27.04% higher than that on the left side at the wave-current incident direction of 10°. Moreover, the maximum forces on the right side were 42.44%, 86.01% and 92.15% higher than that on the left side in the wave-current incident direction of 40°, 60˚ and 80°, respectively. The maximum displacementof the net decreased greatly, as the incident angles increased and the maximum positions of the net moved to the left. The force of the net significantly increased with the waves. The load of the entire net was mainly from the top half of the net. The main force of the net twines was distributed in the six areas that were divided by the first three horizontal ropes and the two vertical ropes. The maximum force on the net twines occurs at the position on both sides above the second horizontal rope under the water surface. The force of net twines on the right side of the rope was greater than that on the left side, with the change of the incident direction. The maximum force decreased rapidly at the incident angle of 40°-80° under the combined wave-current conditions.The maximum force of joint points appeared at positions 1, 2, 3, and 4. The numerical simulation was then performed on the net of the seam-edge type net enclosure aquaculture facility in use. The force distribution and deformation were achieved in the seam-edge type net enclosure. The finding can provide the theoretical basis for the design, installation, and reinforcement of aquaculture facilities. In addition, it was necessary to focus on the inspection and reinforcement after the event of extremely bad weather.

aquaculture; models; mechanics properties; net; wave-current conditions

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.19.007

S954.1

A

1002-6819(2022)-19-0060-09

王顺，冯德军，桂福坤. 波流复合工况下缝边式围栏网衣水动力特性[J]. 农业工程学报，2022，38(19)：60-68.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.19.007 http://www.tcsae.org

Wang Shun, Feng Dejun, Gui Fukun. Hydrodynamic characteristics of the net of seam-edge type net enclosure under the combined wave-current loads[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(19): 60-68. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.19.007 http://www.tcsae.org

2022-06-17

2022-09-29

国家重点研发计划项目（2019YFD0900902）；国家自然科学基金项目（32002441）

王顺，研究方向为海洋养殖工程装备技术。Email：1622426519@qq.com

桂福坤，博士，教授，博士生导师，研究方向为海洋养殖工程装备技术。Email：gui2237@163.com.