基于SIMA的重力式网箱阻力性能计算

聂雪军 张恒 刘强 杨靓 田超

[1 南方海洋科学与工程广东省实验室(湛江)，广东湛江 524000；2 武昌船舶重工集团有限公司，湖北武汉 430060；3 中国船舶科学研究中心，江苏无锡 214082]

走向深远海是渔业养殖模式发展的必然趋势，大型深远海渔业养殖装备是近几年海洋工程领域的研究热点，其中，网衣系统是渔业养殖装备的重要组成部分，主要用于维护养殖空间、防止鱼类逃逸及防止敌害侵袭。网衣系统的阻力性能预报能为设计最佳网衣系统方案提供技术支撑。本文选择一型具有试验数据的重力式网箱，通过采用可靠的分析方法对其进行阻力性能预报，以期为后续平台网衣系统的阻力性能仿真打下良好基础。

传统网箱阻力性能计算已有丰富的研究成果。国外对深水网箱水动力特性的研究已有30年的发展历程，其中挪威、美国、日本、俄罗斯等国的网箱工程技术水平处于世界领先行列。Gosz等[1]采用简单杆件单元结合改进的拉格朗日公式求解大变形和转动问题，对潜式网箱系统进行数值研究。Tsukrov等[2]采用等效网单元模型对网衣系统进行等效合并，然后通过有限元方法求解网衣运动方程，并将研究成果成功应用于张力腿网箱的数值计算中。Fredheim等[3-5]采用有限元方法对三维锥形网衣在水流条件下的特性进行了研究，结合相关模型试验结果，讨论了网目目脚和结节水阻力系数的取值范围。Enerhaug等[6]和Paschen等[7]通过模型试验和数值模拟的方法对网状和实体锥形结构进行了研究，讨论了锥形结构对内部流场的影响。Marichal[8]对拖网在水流作用下的形状特性进行了数值研究，其采用的方法为有限差分法。Lader等[9-10]对圆形三维网衣系统在波浪和水流条件下的计算模型进行了讨论，将网衣离散成一种超单元(super-element)结构，并假设作用于单元结构上的速度力起主导作用。

近年来，国内学者也积极开展深海网箱水动力性能的研究工作，主要包括网衣的模型试验相似准则研究、网衣水阻力系数研究和网衣在波流作用下的动力特性研究等。李玉成等[11]采用物理试验与数值模拟相互结合的方法，研究了不同布置方式下有结节及无结节网衣阻力系数的变化规律。董国海等[12]研究了波流同向以及波流逆向重力式网箱的受力特性。桂福坤[13]系统阐述了网箱结构模型试验方法，模型试验所用相似准则的推导和选取办法以及试验数据处理方法。赵云鹏[14]通过集中质量法对波流作用下网衣的动力响应问题进行了数值模拟，计算结果和试验结果相差较小。许条建[15]研究了不规则波作用下网箱的动力响应问题。

本文采用一种先进的非线性有限元方法对一型重力式网箱进行阻力性能预报，并将预报结果与试验数据进行比较，表明所用计算方法具有一定可靠性。通过掌握该网衣水动力性能预报技术，可提升我国渔业养殖装备的设计水平，为增强产品竞争力、抢占渔业装备市场制高点提供技术支撑。

1 计算原理简介

SIMA软件是一款针对海洋工程领域的建模和分析工具，软件中小尺度构件的水动力载荷采用Morison方程计算，构件所受水平方向的水动力分为水平拖曳力和水平惯性力两个部分，表达式如下：

(1)

式(1)中，FD为水平拖曳力，FI为水平惯性力，CD为阻力系数，ρ为流体密度，D为构件直径，ux为波流场水平遭遇速度，CM为惯性力系数，CM=1+Cm，Cm为附加质量力系数。

SIMA中网衣的水动力载荷模型采用Screen model，根据Loland公式可知，作用在网片上的平均阻力和升力计算式如下：

(2)

(3)

式(2)～(3)中，Cd为网片阻力系数，Cl为网片升力系数，A为网片面积，U为网片与水流之间的相对速度。

(4)

(5)

式(4)～(5)中，Sn为网片密实度，θ为网片法线与水流方向的夹角(又称为攻角)。

对于无结网衣，Sn通过下式计算：

(6)

式(6)中，d为网线直径，λ为网目边长。

流体通过网衣的速度衰减通过下式计算：

u=rU

(7)

式(7)中，u为通过网片后的流速，r为缩减因子，可按经验公式r=1-0.46Cd取值，U为来流速度。

基于非线性有限元的动态平衡方程可表示为：

(8)

2 圆柱形重力式网箱阻力性能计算

为验证SIMA软件计算传统网箱水动力的精度，选取文献[16]中的圆柱形重力式网箱作为研究对象，首先建立该网箱的实尺度模型，然后根据该文献中提供的试验方案分别进行仿真计算(为保证文章结构的相对完整性，部分未提供试验数据的方案也作了仿真预报)，最后将计算结果与模型试验结果进行对比。

2.1 网箱概况及数值建模

网箱为圆柱形重力式无底网网箱，主要由浮管框架、网衣、沉子和纲绳组成。模型试验在NTNU(Norwegian University of Science and Technology)的海洋控制试验室完成，阻力性能测试在拖曳水池进行，水池长度为26.00 m，宽度为6.45 m，水深1.4～1.5 m，模型缩尺比为1∶25，网箱的主要参数见表1，网衣采用尼龙材料制成。

表1 网箱主要参数

网箱试验模型和仿真模型的俯视图见图1，网箱试验模型和仿真模型的正视图见图2。

图1 网箱试验模型(左)和仿真模型(右)的俯视图

图2 网箱试验模型(左)和仿真模型的正视图(右)

为验证仿真计算方法的预报精度，采用基于弗汝德的相似准则将网箱模型试验结果换算到实尺度，计算式如下：

Fs=γ3×Fm

(9)

式(9)中,Fs为实尺度网箱阻力值，γ=为缩尺比，Fm为模型网箱阻力值。

2.2 仅考虑水流作用

表2 仅考虑水流作用的网箱仿真计算结果

2.3 波流联合作用

本节计算波浪和水流联合作用下的网箱阻力性能，考虑到通常情况下波流同向时网箱受到的阻力最大，因此仅计算波流同向工况。采用规则波，波浪周期分别为5 s和7.5 s，波幅1.302 m。在不同波浪周期下，分别计算水流速度为0.5 m/s和1.0 m/s的波流联合作用力。文献[16]中仅提供了波浪周期5 s、流速1.0 m/s的网箱变形试验结果。网箱仿真计算结果见表3。按均匀时间间隔，在单个周期各拍摄5张网箱变形图，同时给出网箱阻力计算的收敛图。

表3 波流联合作用的网箱仿真计算结果

2.4 仿真计算误差分析

通过对比圆柱形重力式网箱的阻力性能计算结果和试验换算结果可知，仿真计算误差在12.5%以内，且计算网箱变形与试验测量变形的趋势基本一致。造成计算误差的不确定因素主要包括：(1)相似准则的选用；(2)模型和仿真计算未知输入参数的设置，如网衣刚度等。为进一步提升网箱阻力性能预报精度，还需开展大量试验和仿真计算分析。

3 总结

本文运用基于非线性有限元的SIMA软件开展了网衣阻力性能研究。通过参考1篇已发表的关于网箱水动力性能计算的学术论文，针对论文中的重力式网箱进行实尺度水动力性能仿真预报，对比仿真预报结果和通过相似准则换算后的模型试验结果，结果表明：(1)网箱的阻力性能与网衣密实度、水流速度和波浪周期等具有强相关关系；(2)采用的仿真方法计算误差在12.5%以内，且计算网箱变形与试验测量的变形趋势一致。因此，采用的仿真方法可用于指导网箱设计及系泊方案分析，也可为后续深远海大型渔业养殖平台网衣的水动力计算提供技术支撑。