CN113092065A - 一种潜降式网箱水动力特性计算的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种潜降式网箱水动力特性计算的分析方法，具有如下步骤：潜降式网箱结构总体建模参数确定；划分网格；网衣单元模拟；确定约束条件；进行波流载荷计算；开展潜降式网箱结构在不同下潜深度的动态分析。本发明可用于确保潜降式网箱养殖设施的安全性和稳定性。

Description

一种潜降式网箱水动力特性计算的分析方法

技术领域

本发明涉及深远海养殖装备工程领域，特别涉及到一种潜降式网箱水动力特性计算的分析方法

背景技术

开拓离岸深远海养殖空间，发展大型基站式深远海养殖装备技术，是中国水产养殖发展的战略需求和未来走向。可以预计，深远海养殖作为鱼类工业化养殖与可持续发展的重要支撑，面临着前所未有的良好发展机遇。其中，深远海养殖网箱的研发将极大推动我国水产养殖空间拓展和生产方式转变，提升我国深远海水域及渔业资源的利用能力。

与传统深水网箱不同，这些大型网箱设施通常布置于深远海域，与近海相比更加容易受到强水流、巨浪和台风的影响。此类网箱通常具有潜降功能，当台风来临时可潜入水中躲避台风等灾害的影响。潜降式网箱结构由主框架、网衣、浮筒和锚泊系统组成，由于此类网箱在恶劣的海洋环境载荷作用下会产生摇荡和漂移运动，因此对其开展水动力特性分析具有重要意义。

目前，由于缺乏对大型潜降式网箱的系统性研究，网箱结构设计和工程技术仍很不成熟，抗风浪和耐流能力有待提高。此外，潜降式养殖网箱不同于传统的浮式网箱，该网箱主体为桁架式钢结构，可通过调节底部储水仓以实现潜降的工作状态。同时，桁架式钢结构的周围装配有网衣结构，钢结构与柔性体网衣在波流作用下的耦合作用十分复杂，如果发生网衣破损和逃鱼的情况，会给网箱养殖生产带来巨大的损失。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供了一种潜降式网箱水动力特性计算的分析方法，所述方法分析网箱在不同下降深度时的运动与受力，从而对网箱结构的安全评估提供理论依据，确保潜降式网箱在高海况条件下的安全性和可靠性。

本发明是通过如下技术方案来实现的：

一种潜降式网箱水动力特性计算的分析方法，所述方法包括如下步骤：

(1)潜降式网箱构件包括主框架、网衣、浮筒和锚泊系统；潜降式网箱在静水自由表面上做六个自由度摇荡运动时，一阶不定常速度势Φ满足以下条件使联立方程得到定解：

在自由表面：

湿表面条件：

海底边界条件：

无穷远处边界条件：

式中g为重力加速度，t为时间；U为湿表面某处速度，n为湿表面某处法线方向；H为海底距水平面距离；R为空间一点到分析处的距离，k为波数，Z为垂直坐标，I为起点，j为湿表面某点；

总速度势是由入射波速度势、绕射速度势和幅射速度势组成：

式中

为总速度势，φ_I为入射速度势，φ_D为绕射速度势，ω为入射角频率，ξ_j为任意处的波形方程，φ_Rj为任意处的速度势；

利用源汇法得到网箱水动力湿表面上每一个水动力网格上的速度势：

式中β_ij为影响系数，σ_j为分布源密度，N为网格数；

求得网箱湿表面上的速度势，运用动量方程得到作用在网箱表面上的动压力值：

沿湿表面上的压力积分得到作用在网箱结构上的波浪力的水平分力、垂直分力及力矩：

式中F_x,F_y,M_z分别为波浪力的水平分力、垂直分力及力矩；ρ为流体密度，n_x为某处法线方向沿x轴的分量，n_y为某处法线方向沿y轴的分量，S为任意曲面；

(2)潜降式网箱模型通过3维建模软件Creo Elements/Pro进行建模；潜降式网箱模型包括浮筒和主框架，其中主框架包括立柱和弧管，在进行建模时，先建立潜降式网箱模型的各个浮筒和立柱单元，再以各个浮筒和立柱为基础，补齐弧管和其它构件；潜降式网箱模型完成后导入ANSYS中进行模型前处理；由于ANSYS进行水动力计算前需要确定潜降式网箱模型的包括回转半径和质心在内的参数，所以建模完成后需先打开Creo Elements/Pro的模型属性模块，通过查看质量属性得到潜降式网箱模型的包括回转半径和质心在内的相关参数；将潜降式网箱结构简化模型导入Workbench中进行网格划分，只需建立其湿表面模型，即能够分析网箱结构的水动力响应数据；潜降式网箱模型单元选择包括Shell63在内的Panel单元，网格划分按照以下原则：1)划分的网格单元一般为四边形，单元尺寸小于入射波波长；2)单元的纵横比统一且大于1/3；3)网格单元覆盖结构湿表面；4)一个波长最少覆盖模型的7个最大单元尺寸；

(3)网衣单元的模拟：潜降式网箱模型网格划分完毕后，通过AQWA求解器进行求解；先通过流体软件Star-ccm+计算出有网衣和无网衣潜降式网箱在不同流速下的压差，再将压差换算为阻力系数输入到AQWA中，从而模拟潜降式网箱在装配网衣时的水动力情况；

(4)确定约束条件：根据潜降式网箱的锚泊方式，将锚泊点设为约束点；

(5)潜降式网箱拖曳力计算：与水质点产生相对运动的潜降式网箱构件会受到波浪的拖拽力作用，拖拽力是波浪力的重要组成部分，采用改进后的Morison经验公式进行计算，波浪对潜降式网箱拖拽力的Morison经验公式为：

其中，

为拖拽力，ρ为流体密度，C_D为拖拽力系数，A为网箱结构在流速方向的投影面积大小，

为波流场流速；

潜降式网箱构件与水质点同时运动时，可将Morison公式改写为静态方程：

其中，

为运动构件与水质点的相对速度，

为构件的运动速度；由于构件具有长度，水质点速度取构件中点处速度，构件运动速度取构件质心所在点的运动速度；

将

分解为沿着构件切向、法向和垂向的三个速度：

构件三个方向的投影面积分别为A_τ、A_n、A_s：

A_n＝Δh*dl (13)

A_s＝Ld*dl (14)

可以求得构件三个方向上受到的拖拽力分别为

投影面积为潜降式网箱构件投影面积之和，可求得三个方向的拖拽力为：

(6)惯性力计算：Morison公式中潜降式网箱构件的惯性力可表达为：

C_M＝1+K_m (19)

当潜降式网箱构件与水质点一同运动时，静态Morison方程可写为：

其中

为惯性力，C_M为惯性力系数，K_m为质量系数，V_f为入水浸没体积；其中水质点加速度

为网箱构件质点的加速度；

(7)潜降式网箱构件的动力分析：计算潜降式网箱构件在随时间任意变化的波流载荷作用下的动力响应，得到网箱在不同下潜深度随时间变化的运动响应和锚绳受力。

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)本发明作为一种潜降式网箱水动力特性计算的分析方法，通过有限元方法对潜降式网箱建立数值模型，分析网箱在不同下降深度时的运动与受力，从而对网箱结构的安全评估提供理论依据。

(2)本发明通过划分适当量的网格，输入准确的计算参数，从而确保有限元计算结果能够与实际相符。本发明通过流体软件Star-ccm+计算出有网衣和无网衣网箱在不同流速下的压差，再将压差换算为阻力系数输入到AQWA中，从而模拟网箱有网衣时的受力情况。

附图说明

图1潜降式网箱整体结构图；

图2网格划分示意图；

图3锚绳连接方式示意图；

图4网箱锚绳力计算值与实验值比较。

具体实施方式

为使本发明的实施例的技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。

实施例1

本发明一种潜降式网箱水动力特性计算的分析方法，主要包含以下步骤：

(1)潜降式网箱构件包括主框架、网衣、浮筒和锚泊系统；潜降式网箱在静水自由表面上做六个自由度摇荡运动时，一阶不定常速度势Φ满足以下条件使联立方程得到定解：

在自由表面：

湿表面条件：

海底边界条件：

无穷远处边界条件：

式中g为重力加速度，t为时间；U为湿表面某处速度，n为湿表面某处法线方向；H为海底距水平面距离；R为空间一点到分析处的距离，k为波数，Z为垂直坐标，I为起点，j为湿表面某点；

总速度势是由入射波速度势、绕射速度势和幅射速度势组成：

式中

为总速度势，φ_I为入射速度势，φ_D为绕射速度势，ω为入射角频率，ξ_j为任意处的波形方程，φ_Rj为任意处的速度势；

利用源汇法得到网箱水动力湿表面上每一个水动力网格上的速度势：

式中β_ij为影响系数，σ_j为分布源密度，N为网格数；

求得网箱湿表面上的速度势，运用动量方程得到作用在网箱表面上的动压力值：

沿湿表面上的压力积分得到作用在网箱结构上的波浪力的水平分力、垂直分力及力矩：

式中F_x,F_y,M_z分别为波浪力的水平分力、垂直分力及力矩，ρ为流体密度，n_x为某处法线方向沿x轴的分量，n_y为某处法线方向沿y轴的分量，S为任意曲面；

本实施例潜降式网箱建模的结构参数：如图1所示，具体尺度参数如表1所示。

表1网箱主要参数

(2)潜降式网箱模型通过3维建模软件Creo Elements/Pro进行建模；潜降式网箱模型包括浮筒和主框架，其中主框架包括立柱和弧管，在进行建模时，先建立潜降式网箱模型的各个浮筒和立柱单元，再以各个浮筒和立柱为基础，补齐弧管和其它构件；潜降式网箱模型完成后导入ANSYS中进行模型前处理；由于ANSYS进行水动力计算前需要确定潜降式网箱模型的包括回转半径和质心在内的参数，所以建模完成后需先打开Creo Elements/Pro的模型属性模块，通过查看质量属性得到潜降式网箱模型的包括回转半径和质心在内的相关参数；将潜降式网箱结构简化模型导入Workbench中进行网格划分，只需建立其湿表面模型，即能够分析网箱结构的水动力响应数据；

网箱模型单元选择Shell63等Panel单元，网格划分按照以下原则：1)划分的网格单元一般为四边形，单元尺寸小于入射波波长；2)单元的纵横比统一且大于1/3；3)网格单元覆盖结构湿表面；4)一个波长最少覆盖模型的7个最大单元尺寸。网箱网格划分后有限元模型如图2所示。

(3)网衣单元的模拟：潜降式网箱模型网格划分完毕后，通过AQWA求解器进行求解；先通过流体软件Star-ccm+计算出有网衣和无网衣潜降式网箱在不同流速下的压差，再将压差换算为阻力系数输入到AQWA中，从而模拟潜降式网箱在装配网衣时的水动力情况；

数值模拟计算的海域水深为120m，海水密度为1025kg/m³。频域分析中，波浪周期范围为8.87s-19.72s，浪向角为0°。时域分析中时间步长设为1s，时长为500s。网箱采用4点锚泊形式，锚绳长度为360m，锚绳连接方式如图3所示。

(4)计算设置12种波浪工况，如表2所示。该网箱平台可通过调节底部储水仓以实现半潜的工作状态，为比较不同吃水条件下网箱的动力响应特性，共设定半潜式网箱3种不同工作状态，分别为空载(吃水深度8.4m)、半载(吃水深度33.6m)和满载(吃水深度43.2m)。

表2计算分析工况

(5)确定约束条件：根据潜降式网箱的锚泊方式，将锚泊点设为约束点。

(6)潜降式网箱拖曳力计算：与水质点产生相对运动的潜降式网箱构件会受到波浪的拖拽力作用，拖拽力是波浪力的重要组成部分，采用改进后的Morison经验公式进行计算，波浪对潜降式网箱拖拽力的Morison经验公式为：

其中，

为拖拽力，ρ为流体密度，C_D为拖拽力系数，A为网箱结构在流速方向的投影面积大小，

为波流场流速；

潜降式网箱构件与水质点同时运动时，可将Morison公式改写为静态方程：

其中，

为运动构件与水质点的相对速度，

为构件的运动速度；由于构件具有长度，水质点速度取构件中点处速度，构件运动速度取构件质心所在点的运动速度；

将

分解为沿着构件切向、法向和垂向的三个速度：

构件三个方向的投影面积分别为A_τ、A_n、A_s：

A_n＝Δh*dl (13)

A_s＝Ld*dl (14)

可以求得构件三个方向上受到的拖拽力分别为

投影面积为潜降式网箱构件投影面积之和，可求得三个方向的拖拽力为：

(7)惯性力计算：Morison公式中潜降式网箱构件的惯性力可表达为：

C_M＝1+K_m (19)

当潜降式网箱构件与水质点一同运动时，静态Morison方程可写为：

其中

为惯性力，C_M为惯性力系数，K_m为质量系数，V_f为入水浸没体积；其中水质点加速度

为网箱构件质点的加速度；

(8)潜降式网箱构件的动力分析：计算潜降式网箱构件在随时间任意变化的波流载荷作用下的动力响应，得到网箱在不同下潜深度随时间变化的运动响应和锚绳受力。

当波高一定时，网箱锚绳受力与波浪周期改变无明显关联，迎浪侧和背浪侧锚绳力的峰值分别在T＝10.95s、T＝17.53s时取得，依次为6275kN和4254kN；周期一定时，两侧锚绳受力均随波高的增加而增大。其中，迎浪侧锚绳力在波高为12m时取得最大值为7032kN，背浪侧锚绳力在波高为12m时取得最大值为5244kN。

网箱的垂荡、纵荡及纵摇值均与波高呈正相关；随着网箱吃水的增加，网箱的垂荡、纵荡及纵摇值基本呈减小趋势。其中，当波高12m，周期为13.15s时，网箱空载状态下最大纵摇值≤15°，网箱整体结构可保持一定的稳定性。

(9)模型验证：为验证本发明所建立的潜降网箱有限元数值模型的准确性，将计算结果水槽模型试验结果进行比较分析。图4为6种波浪工况条件下，潜降式网箱迎浪侧锚绳受力计算机模拟值与试验值的比较情况。其中，网箱的吃水条件为半载状态。从图中可以看出，采用本发明有限元模型的计算结果与试验值基本吻合，锚绳受力的相对误差在5％左右，由此可见，采用本发明可以对潜降网箱的水动力特性进行分析。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种潜降式网箱水动力特性计算的分析方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

(1)潜降式网箱构件包括主框架、网衣、浮筒和锚泊系统；潜降式网箱在静水自由表面上做六个自由度摇荡运动时，一阶不定常速度势Φ满足以下条件使联立方程得到定解：

在自由表面：

湿表面条件：

海底边界条件：

无穷远处边界条件：

式中g为重力加速度，t为时间；U为湿表面某处速度，n为湿表面某处法线方向；H为海底距水平面距离；R为空间一点到分析处的距离，k为波数，Z为垂直坐标，I为起点，j为湿表面某点；

总速度势是由入射波速度势、绕射速度势和幅射速度势组成：

式中

为总速度势，φ_I为入射速度势，φ_D为绕射速度势，ω为入射角频率，ξ_j为任意处的波形方程，φ_Rj为任意处的速度势；

利用源汇法得到网箱水动力湿表面上每一个水动力网格上的速度势：

式中β_ij为影响系数，σ_j为分布源密度，N为网格数；

求得网箱湿表面上的速度势，运用动量方程得到作用在网箱表面上的动压力值：

沿湿表面上的压力积分得到作用在网箱结构上的波浪力的水平分力、垂直分力及力矩：

式中F_x,F_y,M_z分别为波浪力的水平分力、垂直分力及力矩；ρ为流体密度，n_x为某处法线方向沿x轴的分量，n_y为某处法线方向沿y轴的分量，S为任意曲面；

(2)潜降式网箱模型通过3维建模软件Creo Elements/Pro进行建模；潜降式网箱模型包括浮筒和主框架，其中主框架包括立柱和弧管，在进行建模时，先建立潜降式网箱模型的各个浮筒和立柱单元，再以各个浮筒和立柱为基础，补齐弧管和其它构件；潜降式网箱模型完成后导入ANSYS中进行模型前处理；由于ANSYS进行水动力计算前需要确定潜降式网箱模型的包括回转半径和质心在内的参数，所以建模完成后需先打开Creo Elements/Pro的模型属性模块，通过查看质量属性得到潜降式网箱模型的包括回转半径和质心在内的相关参数；将潜降式网箱结构简化模型导入Workbench中进行网格划分，只需建立其湿表面模型，即能够分析潜降式网箱模型结构的水动力响应数据；潜降式网箱模型单元选择包括Shell63在内的Panel单元，网格划分按照以下原则：1)划分的网格单元一般为四边形，单元尺寸小于入射波波长；2)单元的纵横比统一且大于1/3；3)网格单元覆盖结构湿表面；4)一个波长最少覆盖模型的7个最大单元尺寸；

(3)网衣单元的模拟：潜降式网箱模型网格划分完毕后，通过AQWA求解器进行求解；先通过流体软件Star-ccm+计算出有网衣和无网衣潜降式网箱在不同流速下的压差，再将压差换算为阻力系数输入到AQWA中，从而模拟潜降式网箱在装配网衣时的水动力情况；

(4)确定约束条件：根据潜降式网箱的锚泊方式，将锚泊点设为约束点；

(5)潜降式网箱拖曳力计算：与水质点产生相对运动的潜降式网箱构件会受到波浪的拖拽力作用，拖拽力是波浪力的重要组成部分，采用改进后的Morison经验公式进行计算，波浪对潜降式网箱拖拽力的Morison经验公式为：

其中，

为拖拽力，ρ为流体密度，C_D为拖拽力系数，A为网箱结构在流速方向的投影面积大小，

为波流场流速；

潜降式网箱构件与水质点同时运动时，可将Morison公式改写为静态方程：

其中，

为运动构件与水质点的相对速度，

为构件的运动速度；由于构件具有长度，水质点速度取构件中点处速度，构件运动速度取构件质心所在点的运动速度；

将

分解为沿着构件切向、法向和垂向的三个速度：

构件三个方向的投影面积分别为A_τ、A_n、A_s：

A_n＝Δh*dl (13)

A_s＝Ld*dl (14)

可以求得构件三个方向上受到的拖拽力分别为

投影面积为潜降式网箱构件投影面积之和，可求得三个方向的拖拽力为：

(6)惯性力计算：Morison公式中潜降式网箱构件的惯性力可表达为：

C_M＝1+K_m (19)

当潜降式网箱构件与水质点一同运动时，静态Morison方程可写为：

其中

为惯性力，C_M为惯性力系数，K_m为质量系数，V_f为入水浸没体积；其中水质点加速度

为网箱构件质点的加速度；

(7)潜降式网箱构件的动力分析：计算潜降式网箱构件在随时间任意变化的波流载荷作用下的动力响应，得到网箱在不同下潜深度随时间变化的运动响应和锚绳受力。

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