【摘要】：隨著海洋資源的開發(fā),海水網(wǎng)箱養(yǎng)殖已成為我國海洋經(jīng)濟(jì)的重要增長點,但由于過度的捕撈以及不合理開發(fā)造成了海洋生態(tài)環(huán)境日趨惡化,我國乃至世界各國都在尋求更好的養(yǎng)殖環(huán)境和更高質(zhì)量的養(yǎng)殖產(chǎn)品,因此深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖應(yīng)運而生。深海網(wǎng)箱往往要受到比近海更為惡劣的海況環(huán)境考驗。而作為一種高投入、高風(fēng)險、高產(chǎn)出的養(yǎng)殖設(shè)備,網(wǎng)箱的安全性能將關(guān)系到整個海洋養(yǎng)殖。目前,我國的深海網(wǎng)箱的裝備主要還是依靠引進(jìn)國外的同類產(chǎn)品,自主的研發(fā)工作較少,缺少對網(wǎng)箱設(shè)計的理論的支持。另外,雖然網(wǎng)箱整體的結(jié)構(gòu)龐大,但其構(gòu)成的部件,例如浮圈、網(wǎng)衣等結(jié)構(gòu)長細(xì)比較大,屬于小尺度漂浮柔性結(jié)構(gòu)物,而這類結(jié)構(gòu)物與波浪和水流的相互作用機(jī)理的研究亟待發(fā)展。因此,準(zhǔn)確預(yù)報網(wǎng)箱的水動力響應(yīng)正逐漸成為養(yǎng)殖工程裝備生產(chǎn)和建造領(lǐng)域的關(guān)鍵問題�；谏鲜鰡栴},本文首先以數(shù)值模擬為出發(fā)點,定性的研究了實尺度網(wǎng)箱在波流作用下的水動力特性;另一方面,首次嘗試網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)在實尺度KC/Re波浪下的水動力試驗,研究浮圈結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)衣的水動力特性。最后,基于有限元方法和本文的試驗結(jié)果,提出了一種數(shù)值-試驗的混合的方法用于計算實尺度網(wǎng)箱的水動力響應(yīng)。本文研究主要涉及的內(nèi)容有以下幾個方面:一、介紹了目前世界上主要使用的深海網(wǎng)箱,并對每一種網(wǎng)箱的優(yōu)缺點進(jìn)行了總結(jié),并對目前在深海領(lǐng)域使用最為廣泛的一種網(wǎng)箱----重力式網(wǎng)箱的水動力研究進(jìn)展進(jìn)行了介紹。二、在本文中,首先基于限元方法對實尺度網(wǎng)箱在不規(guī)則波流作用下的網(wǎng)箱的運動響應(yīng)以及錨鏈力進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明,當(dāng)波流同時存在的情況下,流的存在會增大浮圈的水平運動幅值,但對浮圈的變形影響不大。此外,還使用了模態(tài)疊加法對在不規(guī)則波流作用下的網(wǎng)箱的各階模態(tài)權(quán)重進(jìn)行了分析,分析結(jié)果表明,隨著波高的增加,水平和垂直兩個方向的各階模態(tài)權(quán)重均有增加;對于同一波高不同的流速條件下,水平方向上可以明顯增加剛體模態(tài)權(quán)重,而對彈性體模態(tài)的權(quán)重影響不大;但是流速對于垂直模態(tài)權(quán)重的大小沒有影響。三、考慮到深海養(yǎng)殖常以多網(wǎng)箱的形式存在,本文基于前面的單網(wǎng)箱模型建立起多網(wǎng)箱系統(tǒng),并對多網(wǎng)箱內(nèi)各網(wǎng)箱的運動響應(yīng)以及錨鏈張力的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明:當(dāng)錨鏈的預(yù)張力增加時,網(wǎng)箱在沿波浪傳播方向運動的平均值將會明顯減小,而且減小的幅度比縱蕩要大。另一方面,錨鏈的預(yù)張力對于浮圈的垂向運動影響不大,但是通過計算結(jié)果也可以發(fā)現(xiàn)浮圈的垂向運動幅值要小于波幅,也就是說浮圈結(jié)構(gòu)在漂浮的過程中將會伴有滿溢的現(xiàn)象,這一現(xiàn)象在水動力載荷計算的過程中需要注意。四、由于試驗條件的限制,目前尚無法進(jìn)行實尺度網(wǎng)箱在真實海洋環(huán)境下的水動力試驗。因此,本文基于自主研制的雙自由度同時進(jìn)行振蕩的裝置,開展了實尺度浮圈的分段模型在大KC/Re數(shù)振蕩流下的試驗,在研究過程中,主要考慮了不同浸沒下KC數(shù)、Re數(shù)和Vr對于其水動力系數(shù)的影響。研究結(jié)果顯示:在沒有出現(xiàn)滿溢現(xiàn)象時,半浸沒圓柱的阻力系數(shù)小于全浸沒圓柱的一半而附加水質(zhì)量系數(shù)大于全浸沒的一半;當(dāng)滿溢現(xiàn)象出現(xiàn)后,半浸沒圓柱的附加水質(zhì)量系數(shù)會出現(xiàn)急劇的增加,而且在高Re數(shù)區(qū)域內(nèi),阻力系數(shù)也會顯著增大。五、本文基于傅里葉級數(shù)展開的方法,提取出半浸沒圓柱在水平方向上的波浪力的前五階力的幅值。通過研究發(fā)現(xiàn):在純振蕩流下,隨著無因次化頻率(~β)和KC數(shù)的增大,半浸沒圓柱的前五階水動力系數(shù)也是隨之增大的。而在振蕩流伴隨流的情況下,前五階力的系數(shù)隨著KC數(shù)和Vr的增大而增大的。六、在拖曳水池中,進(jìn)行了浮筒帶網(wǎng)模型在不同流速、振蕩幅值以及周期下的強(qiáng)迫振蕩試驗,并對模型的水動力特性進(jìn)行了研究。基于此實驗結(jié)果以及之前浮圈分段模型試驗的結(jié)果,研究出一種試驗-數(shù)值的混合算法,用于預(yù)報三維實尺度網(wǎng)箱的水動力響應(yīng)。綜上,本文的目的在于認(rèn)識了解重力式網(wǎng)箱在波流載荷作用下的運動響應(yīng)特性,通過試驗方法研究部分浸沒圓柱在實尺度KC/Re數(shù)振蕩流下的水動力特性,并提出一種更為準(zhǔn)確可靠的實尺度網(wǎng)箱的水動力響應(yīng)預(yù)報模型,為網(wǎng)箱的設(shè)計提供新的思路。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：S967.3
【圖文】：

在深水抗風(fēng)浪網(wǎng)箱市場中占有較大份額，目前被很多國家如中國、挪威、日本、美國、澳大利亞等廣泛應(yīng)用。按形狀分類，重力式網(wǎng)箱主要有正方體和圓柱體兩種，其中以圓柱體形式較為常見，其形式如圖1-1所示：

圖1-2深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖系統(tǒng)[1]Fig. 1-2 The fish farming system in deep sea可以看出，未來深海網(wǎng)箱的養(yǎng)殖系統(tǒng)主要包含彈性網(wǎng)箱（Plastic Cage）、剛性網(wǎng)箱（Steel Cages）、補(bǔ)給系統(tǒng)（Feed System）、飼養(yǎng)船（Feed Barges）、工作船（WorkBoats）、攝像系統(tǒng)（Camera Systems）、水下照明裝置（Underwater Lights）、環(huán)境探測裝置（Environmental Sensors）、水下燈源（Underwater Lights）和漁網(wǎng)清洗（Net Cleaning）等部分組成。未來將會實現(xiàn)整個漁場的日常運營由控制臺的軟件自動進(jìn)行，只有少數(shù)工作人員留在海上。作為整個漁場的主要部分，其在深海海洋環(huán)境的水動力性能直接關(guān)系到經(jīng)濟(jì)收益和養(yǎng)殖物的安全。因此，本文也將對重力式網(wǎng)箱的水動力性能進(jìn)行重點研究。

在網(wǎng)箱內(nèi)部由一根中空的鋅鐵合金支柱支撐，周邊用十二根鋅鐵材料的空管組成型圈，其作用類似于自行車的輪轂，如圖1-3所示。中央的支撐圓柱可以充氣或灌水，用于調(diào)節(jié)網(wǎng)箱的升降，這種網(wǎng)箱的優(yōu)勢在于可以用在開放型海域進(jìn)行養(yǎng)殖生產(chǎn)，在有大風(fēng)或者風(fēng)暴潮來臨時，可以將網(wǎng)箱全浸沒到水中，用于規(guī)避海面的強(qiáng)風(fēng)浪，待大風(fēng)或者緊流過后，網(wǎng)箱還可浮出水面。但是它也存在于以下兩個缺點：1.碟形網(wǎng)箱的安裝和日常維護(hù)例如來投放飼料以及網(wǎng)衣清潔通常需要潛水員潛到水下，使得其設(shè)計較浮式網(wǎng)箱更為復(fù)雜，同時對于網(wǎng)箱的日常維護(hù)則需要更多的附屬設(shè)備以及管理人員；2.養(yǎng)殖的體積不如重力式網(wǎng)箱大，最大有效養(yǎng)殖體積只為重力式網(wǎng)箱的三分之一，所以產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效

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