波浪作用下潜降式网箱及锚泊系统水动力特性研究

吴锦涛，崔勇，关长涛，秦升杰

(1.浙江海洋大学国家海洋设施养殖工程技术研究中心，浙江舟山 316022；2.中国水产科学研究院黄海水产研究所，山东青岛 266071)

中国从挪威引进了圆形双浮管重力式网箱之后便开始研究抗风浪网箱国产化技术，针对国内台风多发以及开放海域浪大流急等特点，急需研发能够适用于中国海区的潜降式网箱。2002 年，国内研制出具有自主知识产权的HDPE 双浮管升降式深水网箱[1]。目前，离岸网箱养殖采用最为广泛的结构形式主要为HDPE 深水网箱[2]，并在此基础上不断改进。KIM，et al[3]开发了一种采用空气控制的自动潜降网箱系统，进行了一系列模型试验，以检验网箱的自动潜水特性。由于潜降式网箱主要布设于开放海域，其在高海况条件下的水动力特性研究具有重要意义。

国内外学者运用物理模型试验和数值模拟对不同形式的离岸网箱在波流作用下的水动力特性开展了详细的研究[4-16]。ZHAO Yunpeng，et al[17]通过物理模型试验，研究了一个包含8 个网箱的大型渔场的水动力特性。崔勇等[18]设计了4 组不同网目形状与网目尺寸的网箱模型，利用粒子测速技术(PIV)与多普勒流速计(ADV)试验技术，分析方形网箱二维流场特性、流速分布及其减速情况。梁家铭等[19]设计了一种新型网箱浮架系统，并与传统双浮管浮架系统进行了分析对比，得到方形网箱与圆形网箱的水动力特性的差异以及各自的优缺点。此外，DRACH，et al[20]在北大西洋和南太平洋对刚性和柔性2 种重力式网箱进行现场试验，并对2 种网箱的性能进行了相应的分析。黄滨等[21]通过海上网箱沉浮试验和分析，研究了升降网箱下沉的关键技术。

上述研究针对离岸网箱的浮框受力、运动变形、锚泊系统优化等方面进行了较为全面的阐述，其中，锚泊系统的稳定是在极端海况下确保网箱设施和养殖对象安全的关键。对于潜降式网箱，锚泊系统主要由浮绳框、系框绳、浮球、锚绳和锚锭组成。目前关于浮绳框深度与浮球体积对潜降式网箱水动力特性影响的研究还比较少，本文采用物理模型试验的方法，运用双尺度模型相似准则[14]分析波浪作用下HDPE 圆形潜降式网箱的锚绳受力与运动特性，探究浮绳框深度和浮球体积对网箱水动力特性的影响，为潜降式网箱锚泊系统设计提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验模型

原型采用周长40 m、网高7 m 的HDPE 圆形潜降式网箱，网箱有漂浮和下潜两个状态。在本次模型试验中，采用双尺度模型相似准则模拟网衣系统，网箱的整体尺寸选用大尺度比λ=20，网目大小和网线直径采用小尺度比λ′=1，并把网箱网衣系统的修正质量折算到沉子系统中。

1.1.1 锚泊系统

网箱采用水下八点网格式锚泊系统。在模型中，系泊网格由4 条1.25 m 的浮框绳组成，位于水面以下不同深度。浮绳框通过系框绳与网箱连接。在浮绳框与系框绳的每个节点上都安装1 个直径为8 cm(或10 cm)的浮球，且每个网格节点处都连接了2 条1.68 m 的锚绳，2 根锚绳呈地面投影垂直。在每条锚绳接近锚链处都安装上拉力传感器，用于测量锚绳张力(图1)。

1.1.2 浮架系统

根据几何相似准则，浮架参数的规格如表1 所示。基于重力相似准则，原型浮架单位长度的重量为22 kg，相应的模型浮架单位长度重量为55 g。原型扶手和立柱单位长度重量为3 kg，相应的模型扶手和立柱单位长度重量为7.5 g。在本试验中，选取单位长度重量为52 g 的PVC 管作为模型浮架的制作材料。选取直径5.5 mm、单位长度重量为7 g 的PVC 管作为模型扶手和立柱的制作材料。通过调整连接组件的质量来调节模型与原型的重量差异。

表1 网箱组件原型和模型规格Tab.1 Specifications of prototype and model cage

1.1.3 网衣系统

在本次模型试验中，采用双尺度模型相似准则选取原型网衣作为等效网衣。使用等效网衣可保证受到的水流力相同[14]，但使用等效网衣存在重量差，需要对等效网衣的重量进行修正以满足重力相似准则。试验中等效网衣使模型网衣的重量增加了15.8 g，为满足重力相似准则需要将模型网箱的重量减去15.8 g。

1.1.4 配重系统

原型网箱的配重底圈的重量为502.4 kg，根据模型大尺度比λ=20，模型网箱的配重为62.8 g，减去等效网衣15.8 g 的质量差异，网箱模型试验配重应为47 g，故本次试验采用直径62 cm、质量47 g 的不锈钢圈作为配重。

1.2 试验设备

本次试验在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室中进行。试验中所用水槽长度为60 m，宽度为4 m，最大水深为2.5 m，工作水深0.2～2.0 m，波浪周期为0.5～5.0 s。

模型网箱的试验布置示意图如图1 所示，网箱采用水下网格式锚泊，试验水深1.2 m，对应于原型水深24 m。模型网箱布置采用右旋三维笛卡尔坐标系。在此坐标系中，x 为波浪的正方向，y 垂直于水平面上的波浪方向，z 为重力加速度的反方向。

图1 模型网箱试验布置示意图Fig.1 Schematic diagram of model test

1.3 试验工况

如表2 所示，本次试验设置了9 种波况，波高分别为0.06、0.12 和0.18 m，波浪周期采用1.0～1.8 s。

表2 试验波浪参数表Tab.2 Wave conditions in the experiment

在研究浮绳框深度对网箱水动力的影响时，分别考虑网箱漂浮和下潜40 cm 两种状态。网箱在漂浮状态下设置了10 cm(1/12 水深)、20 cm(1/6 水深)和30 cm(1/4 水深)3 种浮绳框深度，分别用U1、U2 和U3 表示。网箱在下潜状态下设置了2 种浮绳框深度，分别为10 cm 和20 cm。如图2 所示，在下潜状态下，网箱的下潜深度为浮球连接浮绳框的锚绳长度和浮架到浮绳框的垂直距离相加。hg代表浮绳框深度，hf代表网箱下潜的深度。网箱下潜时根据浮绳框深度，通过调节系框绳的长度达到所需要的下潜深度。在研究浮球体积对网箱水动力的影响时，分别考虑网箱漂浮和下潜20 cm 两种状态，浮球直径选择8 cm 和10 cm 2种规格，对应的质量分别为4.3 g 和8.1 g。

图2 潜降式网箱漂浮及下潜状态示意图Fig.2 Schematic diagram of the floating and submerged state

1.4 数据分析

在研究锚绳受力时，当试验条件达到稳定后进行数据采集，采集时间为40 s，最终的试验数据为对应时间段的最大值。由于锚绳及网箱的对称性，取左右两侧锚绳的平均受力作为分析对象。

根据圆形潜降网箱的对称性，网箱浮架的运动主要分析垂荡、纵荡以及纵摇这3 个自由度。在研究网箱浮架运动特性时，使用CCD 高速相机追踪两个示踪点的运动轨迹来代替浮架的运动，利用运动分析软件分析浮架的运动轨迹[14-15]。

2 结果与分析

2.1 浮绳框深度对锚绳受力的影响

如图3(a)所示，网箱漂浮状态下，从总体趋势来看，锚绳受力随着浮绳框深度的增大而增大。当波高为6 cm时，锚绳受力基本上处在0.1～0.3 N 之间，锚绳力与浮绳框深度无明显关联。当波高18 cm，周期1.8 s 时，浮绳框深度U3 的锚绳受力较浮绳框深度U1 的锚绳受力增大了1.27 N，增大幅度为135%。图3(b)为网箱下潜状态锚绳受力情况，试验中控制网箱的下潜深度为40 cm。在波高为6 cm 和12 cm 时，由于网箱总体下潜了40 cm，此时的波浪力已产生明显衰减，对网箱的作用力变小，2 种网格深度的锚绳受力均小于0.1 N，且变化幅度较小。当波高为18 cm，周期1.8 s 时，浮绳框深度U2 的锚绳受力较浮绳框深度U1 的锚绳受力增大了0.15 N，增大幅度为88%。网箱下潜时的总体趋势仍是锚绳受力随着浮绳框深度的增大而增大。

图3 漂浮和下潜状态下不同浮绳框深度的锚绳受力Fig.3 Mooring line force of different grid depths under floating and submerged state

2.2 浮绳框深度对网箱运动特性的影响

如图4(a)、(c)、(e)所示，漂浮状态下当浮绳框深度增加后，网箱在垂直方向上的运动幅度减少。垂荡值与波高呈正相关，而与波周期无关。浮绳框深度U2 和U3 的纵荡运动值无明显差别，且在波高12 cm 和18 cm 时，较浮绳框深度U1 纵荡运动值有所增大，最大增大幅度约为15%。当波高为6 cm 时，纵摇运动值的总体变化趋势为随浮绳框深度增大而减小，最大减小幅度约为26%；当波高为12 cm 和18 cm 时，纵摇值变化幅度较小。如图4(b)、(d)、(f)所示，下潜状态下，浮绳框深度与网箱垂荡运动无明显关联，U1 和U2 的垂荡值均随着波高和周期的增大而增大。网箱纵荡运动值均随浮绳框下潜深度的增大而减小，各个波况下的减小幅度为16%～46%。网箱的纵摇运动值随浮绳框深度的增大而增大。当波高为18 cm，周期1.8 s 时，浮绳框深度U2 的网箱纵摇运动值5.4°较浮绳框U1 的网箱纵摇运动值4.2°增大了1.2°，增大幅度为29%。

图4 漂浮和下潜状态下不同网格深度的网箱运动Fig.4 Cage motion of different grid depths under floating and submerged state

分析浮绳框深度对锚绳受力和网箱运动的影响时可以看出，网箱漂浮与下潜时，锚绳受力及网箱各自由度的运动幅值变化与浮绳框深度的变化并未呈现单一的线性关系。究其原因可能与系框绳的角度与长度变化亦有关系。当网箱漂浮时，浮框绳的深度增大，系框绳和浮架的夹角变小。当网箱下潜时，浮框绳的深度增大，系框绳和浮架的夹角变大。同时，系框绳的长度也随着浮绳框深度变化而改变。

2.3 浮球体积对锚绳受力的影响

如图5 所示，2 种状态网箱的锚绳受力均随浮球体积的增大而增大。漂浮状态下，其中当波高18 cm、周期1.8 s 时，直径10 cm 浮球所对应的锚绳受力较直径8 cm 浮球所对应的锚绳受力增大了130%。对于两种规格的浮球，网箱锚绳受力均随波高的增加而增加，与丁泽祥[22]研究结果相似。下潜状态下，其中在波高12 cm、周期1.2 s 时，直径10 cm 浮球的锚绳受力较直径8 cm 浮球的锚绳受力增大幅度为1 200%。

图5 漂浮和下潜状态下不同浮球体积的锚绳受力Fig.5 Mooring line force of different buoy volumes under floating and submerged state

2.4 浮球体积对网箱运动特性的影响

如图6(a)、(c)、(e)所示，漂浮状态下，浮球体积对网箱垂荡运动和纵摇运动无明显影响。在波高为6 cm和12 cm 时，总体来看浮球体积的增大使得网箱纵荡运动值增大。在波高18 cm、周期1.8 s 时，直径10 cm浮球较直径8 cm 浮球所对应的网箱纵荡运动值有所减小。如图6(b)、(d)、(f)所示，下潜状态下，浮球体积对网箱垂荡运动无明显影响。在波高为6 m 和12 cm 时，浮球体积的增大使得网箱纵荡运动值增大；在波高18 cm 时，浮球体积对纵荡运动无明显影响。网箱的纵摇运动值随着浮球体积的增大而增大。在同一波高内，纵摇运动值与周期无明显关联。在波高为18 cm 时，直径8 cm 浮球对应网箱平均纵摇为4.6°，直径10 cm浮球平均纵摇8.1°较8 cm 浮球增大了3.5°，增大幅度为76%。

图6 漂浮和下潜状态下不同网格深度的网箱运动Fig.6 Cage motion of different buoy volumes under floating and submerged state

由上可知，增加浮球体积对网箱锚绳受力影响较大，究其原因与浮球体积增大质量增大有关。在波浪作用下，质量较大的浮球惯性力也较大。而当浮球体积增大时，只有部分网箱自由度的幅值会随之增加，这可能由于浮球通过浮绳框和系框绳与网箱连接，从而减缓了浮球受力对网箱运动的影响。

3 结论

本文通过物理模型试验分析了HDPE 圆形潜降式网箱在波浪作用下的水动力特性，探究浮绳框深度和浮球体积对锚绳受力和网箱运动的影响，得出如下主要结论：

1)当波高和周期一定时，网箱在两种状态下，锚绳张力的总体变化趋势为随着浮绳框深度或浮球体积的增加而增加。

2)漂浮状态下，浮绳框深度增大时，网箱垂荡值减小，纵荡值增大，而纵摇值变化较小；下潜状态下，浮绳框深度增加时，网箱垂荡运动无明显影响，纵荡值减小而纵摇值增大。浮绳框深度的改变不能同时对网箱所有自由度均起到减缓的作用。

3)漂浮状态下，增加浮球体积对网箱垂荡运动和纵摇运动无明显影响，使得网箱纵荡值增加；下潜状态下，增加浮球体积对网箱垂荡运动无明显影响，使得网箱纵荡和纵摇运动值增加。减小浮球体积可降低部分网箱自由度运动幅值。

由此建议，在潜降式网箱锚泊系统设计中，当确定浮绳框深度时，可适当减少浮绳框深度来减少锚绳张力，进而保证网箱锚泊系统的安全与稳定性。当选择浮球规格时，在保证浮球可提供足够浮力情况下，减小浮球体积可降低网箱运动受力的同时节约成本。