波流作用下浮式网箱动力响应分析方法研究

Due to the limitaions of near shore spaces and increased environmental pollution, the fish farming industry has the tendency to move to offshore area. Since the sea environment in deep water is more harsh compared to near shore area, the fish cage system will suffer severe dynamic responses, which will lead new challenge to the safety and reliability of fish cage. In this project, a precise and efficient analysis method will be presented and developed to predict the dynamic responses of net cage system in waves and currents. The volume reduction of net cage and floating collar's deformation will be systementally studied. An efficient numerical code for solving net cage hydrodynamics problem and a data base of hydrodyamic coefficients of netting structures will be established.

由于近海空间利用的限制以及越来越严重的近海环境污染问题，网箱养殖不断向深海发展。深水浮式网箱所处的海洋环境更为恶劣，网箱在波浪和海流的作用下会发生剧烈的动力响应，对网箱结构的安全性和可靠性提出了新的挑战。本项目拟提出与完善一种波流作用下深水浮式网箱动力响应的高效、准确分析方法，揭示网箱在波流海洋环境中的位移、体积变化机理。本项目中将给出一套基于试验数据的浮筒结构与网衣结构水动力系数数据库，并给出一套求解网箱在波流作用下水动力响应的高效数值程序。

由于近海空间利用的限制以及越来越严重的近海环境污染问题，网箱养殖不断向深海发展。深水浮式网箱所处的海洋环境更为恶劣，网箱在波浪和海流的作用下会发生剧烈的动力响应，对网箱结构的安全性和可靠性提出了新的挑战。本项目通过大量阅读文献对网箱各部分系统从理论分析、数值实现、现场试验和实验室试验等研究方法进行总结，完成了一篇综述文章，为支持水产养殖工程技术的进一步发展提供了统计资料、表格、公式和数字。本项目以重力式网箱为研究对象，推导了波浪与浮圈系统垂荡运动之间的传递函数及浮圈垂荡运动响应谱，证实了不同波浪谱对浮圈垂荡运动的不同影响。通过不同波浪谱与弯曲应力公式相结合，将浮圈上最可几最大归一化弯曲应力分布的结果由圆频率为0扩展到圆频率为任意值，丰富了计算工况，修正了原有的计算方法，构建了弯曲应力的修正数学模型。同时，对重力式网箱进行了模型试验，研究了在极端条件下，重力式网箱的非线性垂直加速度和系泊荷载，分析了一阶二阶垂向加速度与浮圈模型的波幅之间的比例关系，进行了误差分析，得到了低频强烈影响加速度的高次谐波分量的结论。此外，利用计算流体力学方法研究了单只贻贝养殖延绳的阻力和尾流。通过二维层流模拟和三维大涡模拟，确定了阻力系数范围为1.1～1.2。该研究从流体物理角度揭示流体与带附着物的延绳之间的水动力相互作用的机理。最后，通过水槽模型试验，在90°攻角下进行了强迫振动试验，并通过数值分析方法进行验证。利用重叠网格技术在移动网格区域求解雷诺平均Navier-Stokes方程，自由面和湍流分别用VOF方法和SST k-ω湍流模型描述。建立了水动力系数数据库，给出了水动力系数随KC数变化的经验公式，能够为网箱的水动力分析计算提供合适的水动力系数。