水流作用下沉降式网箱受力特性试验研究

刘永利，王 磊，王永进，余雯雯，郑炜强，陈 佳，彭士明，王鲁民*

（1.大黄鱼育种国家重点实验室（福建福鼎海鸥水产食品有限公司），福建福鼎 355200；2.中国水产科学研究院东海水产研究所，上海 200090）

我国从1998年开始大型网箱养殖，使用的是从挪威引进的圆形双浮管重力式网箱，此后，我国多家科研院所和企业联合攻关，已成功开发出适合我国海况养殖条件的聚乙烯框架、钢结构、浮绳式等多种型式深水网箱［1-3］。近年来随着国家大力扶持开发深远海养殖业，养殖工程设施的应用逐渐向外海、深远海海域拓展，这就对养殖设施提出了更高的技术要求。国内研制开发的网箱从南到北已遍布中国沿海海域，现使用最为广泛的仍然是圆形重力式深水网箱。国内外很多学者对网箱的抗流特性［4-7］、配重形式［8-10］、容积保持［11-15］、水动力［16-21］特性等做了相应的研究工作，但对沉降式网箱在水流作用下的研究报道很少，缺少这方面的基础数据。中国水产科学研究院东海水产研究所设计的沉降式网箱也是重力式深水网箱，常态时为浮态，当遇到台风等恶劣海况天气时，可沉降至水面以下，躲避风浪对网箱的影响。为了推广该网箱的产业化升级及应用，了解和掌握不同流速、浮沉状态下网箱的水动力特性，本文以中国水产科学研究院东海水产研究所设计的沉降式网箱为研究对象，通过开展模型水动力性能试验获取养殖模型网箱的力学相关数据，以期为网箱养殖区域选址、网箱设计、选型等提供关键数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验设备

模型试验在中国水产科学研究院东海水产研究所渔具模型试验水池内（图1）进行。试验水池主尺度90 m（长）×6 m（宽）×3 m（深）；拖车车速范围0.1～4.0 m·s-1，相对精度P≤1%；测力系统使用自行研制的经防水处理后的LH-S02微型力传感器，测力传感器的线性误差小于满量程的0.5‰，量程为0～80 kg。

图1 模型试验水池Fig.1 Model test tank

1.2 实物及模型网箱参数

实物网箱框架为高密度聚乙烯（HDPE）材料；周长为80 m，管径为250 mm的双浮管结构；网衣采用铜合金编织网，网目尺寸为40 mm，网衣丝径为5 mm，网衣高度为8 m。设计使用水深30 m，锚绳长120 m。模型网箱框架采用管径为25 mm HDPE材料焊接而成的双浮管结构，网衣采用铜合金编织网，网目尺寸为20 mm，网衣丝径为2.5 mm，网衣高度为0.8 m。

1.3 试验方法

根据《拖网模型水池试验方法》［22］进行模型试验。在拖车前端两侧各有一根可水平和垂直调节的拖曳杆，将网箱框架通过锚缆连接在拖曳杆上，采用拖动模型网箱的方法来进行试验，根据运动转换定律［23］，拖车车速等同于水流速度。选取0.30 m·s-1、0.45 m·s-1、0.60 m·s-1、0.75 m·s-1、0.90 m·s-1、1.05 m·s-16组试验流速，分别测试浮、沉两种状态下箱体的受力情况（图2）。

图2 试验布置图Fig.2 Experimental arrangement

1.4 阻力换算及比例尺选择

阻力换算公式［24］：

F实＝F模λ2λ′（1）

式（1）中，F实为实物网箱受力，单位N；F模为模型网箱受力，单位N；λ为大尺度比；λ′为小尺度比。为保持模型网箱的性能更接近于实物网箱，大比例尺越小越好，但考虑到拖车前端起拖曳作用的拖曳杆所能承受的拉力和拉力计的量程限制，以及加工制作网箱模型的难易程度等因素，综合考虑选择大比例尺为10比较合适，故试验选取的大比例尺λ为10。根据田内相似准则，网衣的阻力与网衣丝径和网目尺寸的比值成正比，只要保证网衣丝径和网目尺寸的比值不变，就不会影响网衣的阻力，因此在加工制作模型网衣时选取的小比例尺可与大比例尺不同。原型网的网目尺寸为40 mm，网衣丝径为5 mm，实验室现有的铜合金编织网网目尺寸为20 mm，网衣丝径为2.5 mm，原型网与模型网的网目尺寸、网衣丝径的比值均为2，所以小比例尺λ′为2。

2 结果与分析

2.1 浮态

网箱采用四点锚泊的锚泊方式，迎流面的前端两点安装测力传感器进行力的采集。由图3可看出，随着流速的增加，网箱的受力也不断变大，在流速为0.30 m·s-1时，总受力为14.4 kN，在流速为1.05 m·s-1时，总受力达到171.0 kN。图4是流速为1.05 m·s-1时的模型试验图片，网箱框架前端迎流面已经有部分被压入水面下，此时网箱的框架浮力不够，不足以保证网箱迎流面浮在水面之上，两个锚泊点受力分别为82.6 kN（左）和88.4 kN（右）。

图3 浮态受力图Fig.3 Floating force diagram

图4 流速为1.05 m·s¯1时模型图Fig.4 Model diagram at a velocity of 1.05 m·s¯1

2.2 沉态

图5为网箱沉态时的箱体受力图，总体受力趋势与浮态时的受力基本相同，都是随着流速不断增大，阻力也随之变大。在流速为0.30 m·s-1时，总受力为15.6 kN。流速为1.05 m·s-1时，箱体迎流面的左侧锚泊点受力为95.8 kN，右侧锚泊点受力为97.1 kN。

图5 沉态受力图Fig.5 Settling force diagram

图6是浮、沉两种状态的受力比较图，两种状态下箱体的总体受力趋势相同，都随着流速的增大而增加。在相同的流速条件下，沉态比浮态的总受力值大8.3%～24.1%，在低流速0.30 m·s-1时，浮态受力为14.4 kN，沉态为15.6 kN，在流速为1.05 m·s-1时，浮态受力为171.0 kN，沉态为192.9 kN。浮态时受力值小于沉态时的受力值，究其原因是因为浮态时的水阻力面积要小于沉态时的水阻力面积。

图6 浮、沉态受力比较图Fig.6 Comparison of floating and settling forces

根据试验所得数据，使用线性回归模型建立了浮态与沉态的受力与流速的关系方程。

浮态的受力方程：

y＝182 698x2-37 195x+9 408.6（R2＝0.999 5） （2）

沉态的受力方程：

y＝85 075x2-2 971.4x+1 040（R2＝0.999 5） （3）

式（2）（3）中y为对应流速时的受力力值，x为流速。实际使用中，可根据浮态和沉态的受力方程计算出各流速时的箱体受力。因该方程是根据流速在0.30～1.05 m·s-1的试验数据线性回归计算所得，考虑到养殖鱼类的顶流游动及生长环境，实际网箱布设选取的位置流速一般不会大于1.0 m·s-1，建议使用本公式的流速不大于1.05 m·s-1为宜。

3 讨论

网箱箱体浮态和沉态的整体受力均随流速的增加而增大，在相同的外界条件下，沉态因水阻力面积比浮态时的水阻力面积大，所以沉态时的受力大于浮态时的受力。沉态时的总受力值比浮态时的大8.3%～24.1%，这与箱体框架在箱体整体受力中约占10%～25%左右的海上实测［20］研究结果也相一致。

浮态时，因箱体采用铜合金网衣材料，使得箱体本身自重较大，在流速达到1.05 m·s-1时，网箱框架已有部分浸没在水中，所以建议使用大于250 mm管径的双浮管结构或者采用250 mm的三浮管结构以增加框架的整体浮力。

传统的聚合物网衣在水中的质量可以忽略不计，为保持网衣形状，需要吊挂1 000 kg甚至更多的配重，而采用铜合金网衣材料的网箱，因网衣材料本身比传统的聚合物网衣材料密度大得多，周长为80 m，网目尺寸为40 mm，网线丝径为5 mm，网衣高度为8 m的网箱，铜合金网衣质量约为5 248 kg。因此，使用铜合金网衣材料的网箱可以减少配重甚至不需要配重。这些模型试验数据可为沉降式网箱的选型、布置和选址等提供理论基础。

铜合金网衣材料的网箱，因其自身材料的特点，有一定的刚性，所以在网形保持方面比柔性的聚合物网衣材料的网箱有较大的优势。接下来应对铜合金网衣材料的网箱与传统聚合物网衣材料网箱在容积保持率差异性方面做进一步研究。