2024年3月26日发(作者：电脑蓝屏死机)

第39卷第4期

圆园20年7月

第4期

浙江海洋大学学报穴自然科学版雪

允燥怎则灶葬造燥枣在澡藻躁蚤葬灶早韵糟藻葬灶哉灶蚤增藻则泽蚤贼赠穴晕葬贼怎则葬造杂糟蚤藻灶糟藻雪

灾燥造援39晕燥援4

July熏圆园20

文章编号

押2096原4730穴圆园20雪园4原0347原06

网片出水条件下波高和水深对其水动力特性的影响

(1.浙江海洋大学船舶与海运学院袁浙江舟山

杨熙

1

袁刘灿

1

袁潘

316022曰2.国家海洋设施养殖工程技术研究中心袁浙江舟山

昀

1

袁冯德军

2

袁施圣铃

2

袁桂福坤

2

316022)

摘要：

海洋围网养殖工程是养殖环境友好尧品质接近野生的一种极具应用前景的海洋生态养殖模式袁波浪荷载作用下

网片的安全是桩柱式围网养殖生产成败的关键遥波浪对桩柱式围网养殖工程网片水动力特性在出水条件下和完全淹没(始终

在波谷波面以下)条件下存在较大差别袁因此针对该问题使用集中质量点法计算和模拟了不同波高和水深下的网片偏移量尧

网线拉力分布及最大网线拉力遥结果表明袁网结上4根网线最大拉力分布并不在同一位置袁需要更加关注波峰至波谷范围以

内网片位置的加固设计和防破坏措施曰在相同的波高条件下袁仍需要考虑低潮位时期围网工程的安全遥

关键词：

线性波浪曰出水条件曰桩柱式曰围网养殖曰水动力

中图分类号：

S967.2

文献标识码：

A

EffectofWaveHeightsandWaterDepthsonHydraulic

CharacteristicsofNetunderOutoftheWaterSurfaceConditions

(SchoolofNavalArchitechtureandMarinetimeofZhejiangOceanUniversity,Zhoushan

YANGXi,LIUCan,PANYun,etal

316022,China)

etyofthenetunderwaveloadisthekeytothesuccess

sabigdifferencebetweenthehydrodynamiccharacteristicsofthe

aquaculturenetunderoutofthesurfaceofwaterconditionandcompletesubmersion(alwaysbelowthetrough

surface).Tosolvethisproblem,thenetmotiondisplacement,thedistributionofthreadtensionandthe

maximumthreadtensionunderdifferentwaveheightsandwaterdepthsarecalculatedandsimulatedbyusing

ore,itisnecessarytopaymoreattentiontothereinforcementdesignand

safetyofpurseSeineatlowwaterlevelstillneedstobestudied.

ultsshowthat,themaximumtensiondistributionofthefourthreadsis

hesamewaveheightcondition,the

Abstract:Theshallowseanet-enclosureaquacultureisanemergingecotypebreedingmode,whichis

收稿日期

院2019-06-01

基金项目

院浙江省自然科学基金(LQ19E090007)曰国家级大学生创新创业训练计划项目渊2冤曰浙江省大学生科技创新项目渊2019R411054冤

作者简介

院杨熙(1997-)袁男袁浙江台州人袁研究方向院波浪与结构物相互作用.E-mail:****************

通信作者

院潘昀.E-mail:*****************.cn

348

浙江海洋大学学报穴自然科学版雪第39卷

characteristic

Keywords:linearwave;outofthesurfaceofwater;pile-columntype;netenclosureaquaculture;hydraulic

海洋围网养殖工程一般可依托于外侧海岛进行一面或多面围拦袁养殖鱼类尧贝类等水产经济动物袁是

新近发展起来并极具应用前景的一种生态养殖模式遥近些年随着新材料尧新工程工艺尧海洋环境适应能力

等的快速发展袁新的围网养殖工程结构型式也不断出现

[1-3]

遥因此袁以提高养殖水产的产量和质量为目的袁

研究围网养殖工程的水动力安全特性以及研发适用于围网养殖的养殖装备和高效养殖技术袁成为大型围

网养殖工程设计和研发的前沿问题

[3-4]

遥

以时间和水域空间为主线袁围网养殖的发展主要分为两个阶段院第一阶段袁由20世纪20年代日本的

河流拦网养殖到20世纪50年代中国湖泊尧滩涂围栏养殖袁一般在滩涂3耀5m的浅水区域进行养殖曰第二

阶段袁由2008年我国出现的海洋围网养殖到2012年成功投入运营的养殖水域面积大尧工程结构安全性能

高尧运营管理高效的大面积海洋围网养殖工程袁养殖水深达到10耀15m以上遥以水产养殖业及海岸工程技

术的发展为主线袁由早期的竹筏围网逐渐发展成为采用HDPE管道和桩网结构(钢管桩尧预制桩尧金属网尧

柔性网)围成多种形状(方形尧多边形尧圆形)的单体围网或组合式围网袁同时结合连岸工程尧防护工程尧运输

工程尧综合管理平台袁正努力向机械化尧智能化尧休闲渔业产业化的方向发展遥从已获得的经济效益可以得

出袁海洋围网养殖工程为海洋养殖提出了崭新的发展方向和技术理论遥近年来袁随着人们对水产养殖业养

殖品质和养殖效益的提高袁助推了养殖模式和养殖工程技术的发展袁海洋生态围网养殖应运而生遥相比滩

越大(养殖水体达3伊10

4

m

3

)

[5]

遥围网养殖工程的安全是养殖生产成败的关键袁研发新型的围网养殖工程结构

首要是提高养殖工程的抗风浪性能和适应复杂的海洋动力环境遥

围网养殖工程水平尺度为百米级至千米级袁垂直尺度为十米级袁主要由网衣系统尧网衣支撑系统尧浮力

和锚泊系统尧底部防逃逸系统等部分构成袁各系统构件的几何尺寸又在几毫米至几十米之间袁材料差异性

构成单元(比如桩网结构

[6-7]

尧浮体

[8-9]

与锚泊

[10]

)进行研究遥陈天华等

[11-13]

采用集中质量点法数值模拟了波浪和

较大袁所以目前对整体围网养殖工程的安全评估的研究较少袁往往针对围网养殖工程的各个系统或者重要

涂围栏养殖和港湾围网养殖袁生态围网养殖在工程结构型式上出现多样化袁养殖水体和养殖水域面积越来

3个角度出发袁分析了波高尧波向尧网片尺寸尧固定方式和纲绳因素对桩柱式围网网片水动力特性的影响遥

深究上述研究发现袁围网网片均在完全淹没(始终在波谷波面以下)条件下所得出的结论袁而波浪对桩柱式

围网养殖工程网片水动力特性在出水条件下和完全淹没条件下既有相似之处袁亦有差别遥因此袁在原有采

用集中质量点法建立围网养殖工程网片波浪水动力模型的基础上添加网片出水判断模块袁深入探讨网片

网结的最大偏移量和网线的最大拉力大小和位置受波浪高度和水深变化的影响规律遥实际围网养殖工程

网片垂直高度为固定值袁在不同的波浪要素条件下袁网片出水(高于波峰波面)为常态袁因此出水条件下探

讨波浪对网片水动力的影响非常有意义遥

水流作用下桩柱间网片不同部位的运动及受力分布特性袁从网片的网线张力分布尧结节偏移和系缚点受力

1数值模拟方法

主要使用集中质量点法计算和模拟桩柱式围网养殖工程网片在波浪作用下的受力和运动遥网片主要

由网线和网结构成袁网片除自身重力外袁波浪作用下还受到波浪力和相邻网线的拉力遥网片的波浪力根据

莫里森波浪力公式计算袁其中网线概化成圆柱杆件袁网结视为球体遥相邻网线的拉力根据相邻两网结的空

间位置袁概化成弹簧袁使用胡克定律进行计算遥具体数值模拟方法均已经发表在文献[11-13]中袁所以本节

内容仅描述围网网片出水条件下波浪理论和网片受力计算的处理方法以及网片结构尺寸的不同之处遥

1.1

波浪理论

波浪的水质点速度和水质点加速度与文献[11-13]中的方法保持一致袁使用线性波理论袁统一波浪的

波陡(H/L)为0.05袁波浪周期根据弥散方程计算遥与之不同的是在计算任意网片集中点位置(x袁y袁z)的水质点

速度和水质点加速度时袁首先根据相同时刻的波面线(式(1))进行判断是否出水袁再对z进行修正袁如式(2)

第4期

杨熙等院网片出水条件下波高和水深对其水动力特性的影响

349

所示把zd作为z的修正位置进行计算遥计算修正后的zd位置的波浪水质点参数更符合出水条件下实际

特点遥

z+d

-d

zd=d窑

浊+d

浊=acos(ky-棕t)(1)

(2)

式(1)和式(2)中以静水面位置为x轴袁垂直向上为z轴袁规定波浪沿y正方向传播遥浊为水面变化袁a为

波浪振幅袁k为波数袁棕为圆频率袁d为水深袁zd为修正后的位置坐标遥

网片出水条件的判断方法为相同时刻网片质量集中点的z坐标与波面线浊的关系院如果z大于浊袁水

质点速度和加速度均为0曰如果z小于或等于浊袁水质点速度和加速度使用式(2)中zd的值进行计算遥

1.2

网片波浪力计算

假定网片是由有限的无质量弹簧连接的集中质量点

所构成袁通过计算集中质量点在波浪和边界条件作用下的

位移袁获得网片的形状

[11-13]

遥模型的集中质量点设于每个网

目目脚的两端袁每个集中质量点包含网目的1个网结和2

个目脚袁如图1所示袁其中任意集中点4根网线的拉力沿

顺时针方向依次命名为f1耀f4遥

运动网衣受到的波浪力可根据莫里森方程计算袁需要

使用相对水质点速度

[6]

袁如式(3)遥假定网目的结节为圆球袁

其水动力系数在运动方向上是恒定的曰把目脚看作为圆柱

射方向与网线夹角时目脚的波浪力遥

V

R

=V

water

-V

0

图

1

Fig.1

网片集中质量点模型及网线拉力示意图

schematicdiagramofthreadtension

Modeloflumpedmasspointofnetand

形杆件袁笛卡尔坐标系下取3个方向的水动力系数袁详细见表1遥在目脚上建立局部坐标系袁计算当波浪入

(3)

特别指出的是袁当网片质量集中点的z坐标大于波面线浊的时袁

V

water

=0袁但在某同一时刻V

0

并非为0遥所以袁网片出水条件判断

后袁V

R

也应根据z坐标与波面线浊的关系进行判断是否强制为

0遥

1.3

网片几何参数

式中V

R

为水质点相对速度曰V

water

为波浪的水质点速度曰V

0

为网片集中点的运动速度遥针对式(3)需要

根据已建设的桩柱式围网养殖工程袁概化出了如图2所示

的网片作为主要研究对象袁网片所有网线上尧左尧右所有网目系

缚在水平桩柱和垂直桩柱上袁水平尺寸为5m袁垂直高度为12m袁

静水深为10m袁即有2m的网衣露出水面遥网目的缩节系数为

水平缩结系数0.66袁垂直缩结系数0.75遥考虑计算效率袁数值模

型中采用网目群化方法将相邻64个网目合并为一个等效大

网目遥表1中所列的模型计算参数与文献[11-13]相同袁计算结果

与相应物理模型试验结果验证良好遥

Tab.1

参数

网线

网结

材料

PE

PE

目脚/m

2伊0.04

-

直径/m

0.003

0.003

[14]

图

2

Fig.2

围网养殖网片数值计算模型

typenetenclosureaquacultureengineering

Numericalmodelforthenetofpile-column

表

1

密度

953

Netmodelsettingparameters

拖曳力系数C

D

0.80.8

0.9

0.6

惯性力系数C

S

0.20.2

0.5

0.2

弹性系数C

1

弹性系数C

2

345.3伊10

6

-

1.0121

-

网片几何和模型计算参数

渊/kg窑m

-3

冤

953

注院网线的波浪力系数分为局部坐标的三方向.

350

浙江海洋大学学报穴自然科学版雪第39卷

1.4

模型计算组次

针对波浪的基本要素和围网网片的出水特点袁设计了波高组和水深组分别探讨波高和水深对网片水

动力特性的影响袁具体工况见表2遥所列工况中仅考虑了网片与波向夹角为90毅的情况袁因为网片正面遭受

波浪作用的破坏强度最大袁并且以网线中线为对称轴袁网片两侧的波浪水动力特性相互对称袁所以不再考

虑网片与波向夹角对网片水动力特性的影响遥其中袁每组工况均模拟计算30s袁网片运动在1个波浪周期

内达到稳定袁因此结果分析数据选取后15s的稳定值遥

Tab.2

表

2

Simulationconditions

波长/m

20

40

60

80

100

60

60

60

60

模拟工况

组次

波高组

水深组

序号

1

2

3

4

5

1

2

3

4

波高/m

1

2

3

4

5

3

3

3

3

波周期/s

3.6

5.3

7.0

8.8

10.7

7.0

7.0

7.0

7.0

水深/m

10

10

10

10

10

6

8

12

13.5

2波浪对网片水动力特性的影响

网片由网线和网结构成袁因此从网线

的运动偏移和网线拉力袁即微观细节上分

析波浪高度对出水条件下网片水动力特性

的影响遥如表2所计算组次所示袁波高和水

深是影响网结偏移和网线拉力分布影响的

主要因素遥

2.1

波高对网片偏移量及网线拉力分布的影响

由于波浪90毅正面入射作用与围网网

片上袁而网片所有的结点系缚固定在垂直

桩柱和水平桩柱及海底袁所以如图2所示袁

j=13列网结伴随波浪运动的偏移量应是最

大值遥对应表2中的波高组波浪条件袁图3

图

3

不同波高波浪作用下网片最大偏移量位置处

(j=13)15s

内运动轨

迹及最大偏移量变化

Fig.3Motiontrajectorywithin15s(j=13)atthepositionofmaximum

为j=13列所有网片网结在1个波浪周期

motiondisplacementofthenetunderwaveactionofdifferentwaveheights,

andchangeofmaximummotiondisplacement

渊具体周期见表2冤内的运动轨迹遥可以得

出袁网片在出水条件下袁负偏移值即为波谷时扫掠过的轨迹袁与波峰时的正偏移值并不对称曰与不出水条件

下结论一致袁网片的运动偏移量以及扫掠轨迹的大小均与波高成正比遥从图3(6)可以看出袁最大偏移量在

波浪传播方向(波峰)和反方向(波谷)上的值并不相等袁反而反方向上的偏移量略大遥

讨论波浪作用下网线的最大拉力分布的位置与最大拉力值同样重要袁由于网线的拉力与网结(集中

点)的空间位置有关袁也就是在网片运动偏移量达到最大时袁网线拉力达到最大遥所以首先讨论网片最大偏

移量以及相应发生的时刻就显得十分重要袁通过判断和记录图1中所有波高组次发生网片最大偏移量所

对应的时刻袁然后分别比较所有网结f1耀f4(图1所示任意结点顺时针方向命名)的大小袁分波浪传播正方向

和反方向寻找到最大的f1耀f4的大小及z方向位置遥通过分析结果发现袁最大网线拉力的位置的f1和f4

的值基本相等袁f2和f3的值基本相等袁说明网线拉力是按照f1-f4-f1-f4-f1噎噎和f2-f3-f2-f3-f2噎噎传递

于各个结点袁这与文献[11-13]所得结论一致遥因此袁图4(1)仅分正尧负偏移方向f1和f2进行了z方向位置

展示遥可以得出院波峰时袁随着波高的增大袁最大f1尧f4和f2尧f3的位置在静水面上方且受波高的影响较小曰

第4期

杨熙等院网片出水条件下波高和水深对其水动力特性的影响

351

不同水深和相同波高(H=3m)作用下袁

同样j=13列网结伴随波浪运动的偏移量

(1)最大网线拉力f1耀f4z方向所在位置变化(2)最大网线拉力受波高影响变化

图

4

最大网线拉力分布及受波高影响

是最大值遥对应表2中的水深组波浪条件袁

Fig.4Themaximumthreadtensiondistributionandtheeffectofwaveheights

图4为j=13列所有网结在1个波浪周期

渊7s冤内的运动轨迹遥可以得出袁网片在出水

条件下袁负偏移值即波谷时扫掠过的轨迹

面积随着水深的增大而增大袁当水深较小

时(如图5中(1)和(2)尧(3))可以看出左侧的网

结轨迹在出水条件下出现杂乱的抖动袁这

与水下的网线瞬时的张力有关遥从图5(6)

可以看出袁最大偏移量在波浪传播方向(波

峰)和反方向(波谷)上的值并不相等袁反而

在大水深时反方向的偏移量略大遥

同理袁通过判断和记录图1中所有水

深组次发生网片最大偏移量所对应的时

刻袁然后分别比较所有网结f1耀f4(图1所示

任意结点顺时针方向命名)的大小袁分波浪

图

5

不同水深波浪

(H=3m)

作用下网片最大偏移量位置处

(j=13)15s

内

运动轨迹及最大偏移量变化

传播正方向和反方向寻找到最大的f1耀f4

Fig.5Motiontrajectorywithin15s(j=13)atthepositionofmaximum

的大小及z方向位置遥与波高组工况结果

motiondisplacementofthenetunderwaveactionofdifferentwaterdepths,

一致袁最大网线拉力位置的f1和f4的值基

andchangeofmaximummotiondisplacement

本相等袁f2和f3的值基本相等遥因此袁图6

(1)仅分正尧负偏移方向f1和f2进行了z方

向位置展示遥可以得出院水深为10m时袁不

仅正方向最大网线拉力的位置达到最高袁

而且也发生转变渊随水深增加而降低冤曰负

方向最大网线拉力的位置受水深变化的影

响较小遥图6(2)给出了最大网线拉力值随

(1)最大网线拉力f1耀f4z方向所在位置变化(2)最大网线拉力受水深影响变化

着水深的变化的情况袁最大网线拉力随着

图

6

最大网线拉力分布及受水深影响

(H=3m)

水深的增大而减小袁但当网片顶端与静水

Fig.6Themaximumthreadtensiondistributionandtheeffectofwater

depths渊H=3m冤

面齐平时渊即水深为12m冤袁最大网线拉力

将发生转变袁稍微增大遥

波谷时袁随着波高的增大袁最大f1尧f4和f2尧

f3的位置在静水面下方且受波高的影响较

大袁最大f2尧f3的位置比最大f1尧f4底2耀

4m遥图4(2)中最大网线拉力值随着波高的

变化与以往的研究并无较大差异遥

2.2

水深对网片偏移量及网线拉力分布的影响

3讨论

波浪对桩柱式围网养殖工程网片水动力特性在出水条件下和完全淹没(始终在波谷波面以下)条件下

网片网结的最大偏移量和网线的最大拉力大小和位置受波浪高度和水深变化的影响规律既有相似之处袁

亦有差别遥实际的围网养殖工程网片垂直高度为固定值袁在不同的波浪要素条件下袁网片出水(高于波峰波

面)为常态袁因此出水条件下探讨波浪对网片水动力的影响非常有意义遥陈天华等

[11-13]

在完全淹没条件下得

出袁波高对网线最大拉力和结点最大偏移都有显著的影响袁网线最大张力和结节最大偏移随波高的增大迅

352

浙江海洋大学学报穴自然科学版雪第39卷

速增加遥由图3(6)和图4(2)明显看出袁该结论与出水条件下一致遥不同之处是最大偏移量在波浪传播方向

(波峰)和反方向(波谷)上的值并不相等袁反而反方向上的偏移量略大遥深究网片结点上所有网线的拉力大

小和分布袁发现图1中网线拉力f1和f4的值基本相等袁f2和f3的值基本相等袁也就是说明网线拉力是按

照对角形式传递于各个结点遥波峰时袁随着波高的增大袁最大f1尧f4和f2尧f3的位置在静水面上方且受波高

的影响较小曰波谷时袁随着波高的增大袁最大f1尧f4和f2尧f3的位置在静水面下方且受波高的影响较大袁最

大f2尧f3的位置比最大f1尧f4底2耀4m遥这些规律与完成淹没条件下网线最大张力发生在网片上端两侧袁结

节最大偏移发生在网片上部袁位置都不受波高影响等有很大不同遥

为了进一步阐明出水条件下网片的波浪水动力特性袁论文还对比分析了定波高(H=3m)袁多组水深条

件下网片网结偏移量和最大网线拉力的分布变化遥研究发现袁存在2个特殊的水深导致网片最大网线拉力

位置和大小发生明显变化院渊1冤当网片顶端与波峰波面较为接近时袁网结上4根网线的拉力极值垂向分布

差异较大袁此时网片受到全部波浪的作用袁网片的受力所以发生转变曰渊2冤网片顶端与静水面齐平时袁网片

只受到波谷至静水面部分波浪的作用袁所以最大网线拉力并不再随着水深的增加而减小袁相当于网片下沉

受到了水体的保护遥

4结论

对出水条件下桩柱式围网养殖工程网片波浪水动力特性进行了数值模拟研究袁分析探讨了不同波高

和水深下的网片偏移量尧网线拉力分布及最大网线拉力袁得到以下基本结论院

(1)网片最大偏移量在波浪传播方向(波峰时刻)和反方向(波谷时刻)数值不相等袁反方向上的偏移量略

大袁而淹没条件下(网片垂直高度低于波谷波面)接近对称分布遥

(2)网片网线拉力沿对角形式传递于相邻结点遥随着波高的增大袁最大网线拉力在波峰时刻的位置在

静水面上方且受波高的影响较小袁而在波谷时刻的位置在静水面下方且受波高的影响较大遥

(3)当网片的垂向高度与波峰波面较为接近时袁网片网线的拉力极值垂向分布差异较大袁当网片的垂

直高度与波峰波面齐平时袁最大网线拉力并不再随着水深的增加而减小遥

由以上主要结论可知袁实际应用中袁由于网结上4根网线最大拉力分布并不在同一位置袁任一网线达

到极限拉力值都将导致网片破裂袁需要更多关注设计波高条件下波峰至波谷范围内网片的加固设计和防

破坏措施遥在相同的波高条件下袁仍需要考虑低潮位时期围网工程的安全遥

参考文献：

周文博,石建高,余雯雯,等.中国海水围网养殖的现状与发展趋势探析[J].渔业信息与战略,2018,33(4):259-266.

王磊,王鲁民,黄艇,等.柱桩式铜合金围栏网养殖设施的发展现状与分析[J].渔业信息与战略,2017,32(3):197-203.

崔勇,关长涛,黄滨,等.浮绳式围网水动力特性研究[J].渔业现代化,2018,45(5):14-18.

陈远,李大成,王志松,等.滩涂围网养殖文蛤不同密度对生长的影响[J].水产科学,2009,28(9):531-533.

林可,王飞,马家志,等.离岸型智能化浅海养殖围网应用及效益分析[J].水产科技情报,2017,44(5):268-272.

ZHAOYunpeng,WANGXinxin,DECEWJ,ativestudyoftwoapproachestomodeltheoffshorefishcages[J].

ChinaOceanEngineering,2015,29(3):459-472.

[7]deLAPRADAA,GONZ魣ingthesuitabilityofgradient-basedenergyminimizationmethodstocalculatethe

equilibriumshapeofnettingstructures[J].Computers&Structures,2014,135:128-140.

[8]YAOYeming,CHENYinglong,ZHOUHua,calmodelingofcurrentloadsonanetcageconsideringfluid-

structureinteraction[J].JournalofFluidsandStructures,2016,62:350-366.

[9]孟昂,桂福坤,姚晓杰,等.波浪条件下养殖浮球水动力系数的试验研究[J].水动力学研究与进展A辑,2015(5):587-595.

[10]ZHUXiangqian,calmodelingofasphericalbuoymooredbyacableinthreedimensions[J].Chinese

JournalofMechanicalEngineering,2016,29(3):588-597.

[11]陈天华,潘昀,孟昂,等.桩柱式围网单元网片在水流作用下的水动力特性研究[J].水动力学研究与进展,2017,32(4):

511-519.

[12]桂福坤,陈天华,赵云鹏,等.固定方式对桩柱式围网网片波浪力学特性影响研究[J].大连理工大学学报,2017,57(3):285-292.

[13]陈天华,孟昂,桂福坤.波浪高度及方向对桩柱式围网养殖系统网片水力特性的影响[J].农业工程学报,2017,33(2):245-251.

[14]苏炜,詹杰民.等效网面法在模拟网的水动力特性中的应用[J].水动力学研究与进展,2007,22(3):267-272.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]