重力式深水网箱流固耦合机理

重力式深水网箱结构在流场中会发生变形和运动，从而影响网箱内养殖鱼类的安全；而网箱结构位形的改变反过来又会影响网箱内部及周围流速的变化与流场分布，从而改变饵料物质输送及代谢废物转运。目前在研究水流对网箱结构作用时，通常将流速值设为常数来计算，然而实际情况下当水流经过网箱时，其速度与方向都会发生变化；此外，在网箱周围流场特性的数值模拟中，又忽略了网箱结构本身变形与位移对流场改变的影响，这显然也与实际不符。为此，本课题以重力式深水网箱为研究对象，通过探讨网箱流固耦合作用机理，求解网箱结构与水流耦合作用方程，可同时获得网箱系统在动态流场中的响应规律与网箱周围区域的流场特性，从而使数值模拟结果更加符合实际。最后通过有关水槽模型实验的对比分析，完善数学计算模型和方法，为重力式深水网箱水动力学特性的深入研究以及揭示网箱周围流场变化规律奠定技术基础，因此本研究具有重要的理论意义和工程应用价值。

重力式深水网箱在水流冲击下会发生运动与变形，同时，水流经过网箱结构会产生流速衰减。重力式深水网箱流固耦合机理研究可深入了解网箱水动力学特性，具有重要的理论意义和工程应用价值。本研究分别通过水槽物理试验与计算机数值模拟，探讨网箱流固耦合机理。首先，针对重力式网箱的阻流效应，通过水槽模型试验开展研究。试验设计了8组不同网目形状与网目尺寸的网箱模型，利用粒子测速技术（PIV）与多普勒流速计（ADV）相结合，分析网箱二维流场特性与流速分布。试验结果发现，水流经过8组网箱后均出现明显的流速衰减，衰减区的高度与网箱高度大致相当；而网箱底部则出现流速增大区。ADV与PIV测量结果基本一致，其中，当来流速度为0.18m/s时，8组网箱中心点的平均流速衰减系数在0.5—0.8左右。试验结果还表明，装配菱形网目的网箱流速衰减略大于方形网目网箱；小网目网箱的流速衰减则明显大于大网目网箱，而网箱的平均流速衰减系数随流速变化趋势不明显。利用PIV技术给出经过网箱中心点铅垂面流场分布的云图呈现。其次，提出一种基于CFD原理的用于预测网箱流场效应的数值模拟方法，模拟了群组式网箱的流场效应。结果表明，数值模拟具有较好的稳定性和解的收敛性。最后，利用网目群化原理将网衣部分简化，通过计算流体力学，求解网箱流场变化与流态分布，进而，输入衰减后的流速，重新计算网箱变形与受力。利用每次迭代求得的流速的增量大小，根据预先所设定的计算精度，判断计算结果是否收敛或满足实际工程需要，如此反复迭代计算，直到流速变化满足所设定的精度要求为止，最终求得网箱系统的平衡状态与网箱流场分布。