深海金属网箱系统水动力学特性及优化设计研究

The metal net-cage has become a new and efficient cultivation facility and has great development potential, for its advantages of anti-attachment, deformation duration and less water pollution. The cultivation in deep water is a must-be trend with the background of food security requirement and ecological and environmental deterioration in near shore area. The study on the hydrodynamic characteristic can be seen as the critical basement to improve the anti-wave and anti-current ability under the severe weather in the open sea, and also the important theoretical foundation of the optimize design. In this project, the proto-type experiment of mental net in wave flume will be used to analyze the hydrodynamic coefficient affection of the metal net with the factors such as the screen shape, line diameter, net compactness and net material and so on. The calculation model of the hydrodynamic character of metal net will be set up with the rigid body kinematic theory, finite element method, lumped mass method and fluid-structure interaction model. The influence regularity of the hydrodynamic character with the parameter of float collar shape, ratio of diameter with height, pattern of balance weight and mooring system, will be concluded to support the optimize design of the anti-wave and anti-current net cage. The achievement of this project will be the reliable theoretical foundation for designing and assembling the element of mental net-cage in deep water, and will also be the positive instruction for the type chooses of net-cage structure in different sea areas.

金属网箱具有抗附着、耐变形、水域污染轻等特点，已成为我国极具发展潜力的新型高效养殖设施。在近岸养殖海域生态环境恶化及食品安全要求的背景下，海水养殖向深海拓展是必然趋势。开展网箱系统的水动力学特性研究是提高外海恶劣海洋动力因素作用下网箱系统抗风浪耐急流能力的关键性基础研究工作，亦是网箱系统结构优化设计的重要理论依据。本项目采用原型金属网片波浪水槽试验方法，分析网目形状、网线直径、网衣密实度、网衣材质等因素对金属网衣水动力系数的影响，建立金属网衣水动力特性计算模式；在此基础上通过刚体运动学原理、有限元方法、集中质量点方法及流固耦合计算模式建立网箱系统的水动力运动响应数学模型，获得网箱浮架型式、径高比、配重方式、锚碇方式等参数对网箱系统水动力学特性的影响规律，进行网箱系统抗浪、耐流优化设计。研究成果可为深海金属网箱构件的设计与装配提供可靠的理论依据，并为我国不同海区的网箱结构选型提供积极的指导。

随着养殖网箱不断向外海推进，保证在复杂海洋动力环境下网箱系统的安全是一项关键性工作。与重力式网箱相比,金属网箱具有抗浪流、耐腐蚀、轻附着、低污染、养殖空间大及水产品品质高等优势，走深海金属网箱养殖之路对于大力发展基于生态系统和环境保护的高效海洋养殖有着巨大的实践价值，并在未来很长一段时间内将代表我国网箱养殖先进生产力方向。本项目通过水动力学试验、理论研究与数值模拟相结合的方法，研究分析金属网衣水动力系数取值变化规律，构建了网衣水动力响应计算模式，在此基础上建立网箱系统的水动力运动响应数学模型，获得网箱浮架型式、径高比、配重方式、锚碇方式等参数对网箱系统水动力学特性的影响规律，进行了网箱系统抗浪、耐流的优化设计。. 取得的重要结果：（1）通过金属网片水阻力试验，得到了网目形状、网线直径、网衣材质等因素对金属网衣水动力系数的影响规律。链形编织网衣水阻力系数平均值为1.01，方形编织网衣水阻力系数平均值为1.15。（2）采用CFD技术，在试验验证前提下，获得了金属网衣水动力计算模式。（3）开展了金属网衣两种锚碇形式的整体网箱波流作用下的水动力特性试验，得到了两种锚碇形式下，金属网箱锚绳受力及浮架运动特性。（4）基于Abaqus软件，构建了金属网箱系统水动力响应数学模型，获得了浮架型式、径高比、锚碇方式等参数对网箱系统水动力学特性的影响规律，从而开展了网箱系统结构优化设计。. 通过项目的开展与研究，建立了金属网衣与网箱水动力响应数学模型，得到了一种小尺度多孔网状结构在波流作用下的水动力特性，同时解决了包含多个小尺度柔性构件的大尺度漂浮式结构物的水动力特征值计算精度不高的难题，为特种海洋工程结构物的设计提供了积极的参考。