深海网箱群动力学特性研究

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深海网箱群由众多柔性体以及细长体挠性部件相互连接组成。对于这样复杂的海洋系统结构,在设计初期进行数值仿真分析可极大加快设计流程并节省大量的试验资源。不同于一般性刚体系统大多呈现出连续分布、线性变化以及材料各向同性的基本特性,网箱群系统部件基本呈现出大变形以及离散分布的结构特性。为了建立能够有效反映网箱群动力学特性的数值模型必须从网箱的基本力学性能出发,在突出主要性能的基础上对数值模型进行适当简化。  网衣作为主要的柔性单元是主要的简化对象,通过假定网衣承载的水动力正比于投影面积推导了网衣的等效简化控制方程。基于凝集质量法建立了深海网箱群数值简化模型。为了验证数值简化模型的可靠性,分别将数值模拟结果与国外权威专家水池试验结果以及实地海域测量结果进行了对比分析。  对比发现本研究采用的简化模型能够基本反映深海网箱群动力学响应,但是计算结果整体偏高。其中系泊缆索的有效张力分布整体相对于实地海域测量结果偏高13%-24%;当流速较高并且来流攻角较大时数值模型计算结果逐渐失真,主要迎流方向系泊缆索相对于实地测量值最大增幅达38%。对于网衣布满附着物后的近似处理方法不可行,计算结果与实地测量趋势完全相反,不能通过简单预估网衣密实度的方法来近似处理网衣布满附着物后的状态。对于网箱的变形率,当流速较低时本研究中简化模型的计算结果与水池模型试验结果基本一致,但是当流速达到0.2m/s时,数值计算结果偏高10%左右,随着流速的增加这一差距会越来越大。  结合具体工程案例讨论了网箱群沉降技术对于改善深海网箱群抗风浪性的现实意义。通过改变浮圈以及浮标的相对密度,实现了网箱与浮标均浮于水面、浮标与网箱群均下沉以及网箱下沉而浮标浮于水面这三种状态之间的转换,对比分析了这三种状态下网箱群锚泊系统的有效张力变化以及网箱的变形率。网箱沉降至水下可以有效改善网箱的体积变形,但是网箱沉降后并不能降低所有系泊缆索的有效张力。当浮标浮于水面而网箱沉降到水下时,80%的系泊缆索有效张力峰值增加,65%的系泊缆索有效张力均值降低;当浮标同网箱群一同下沉时,64%的系泊缆索有效张力峰值降低,55%的系泊缆索有效张力均值降低。
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