半潜式深远海养殖平台结构涡激振动的流固耦合机理和响应

The development of deep sea farming platform conforms with marine development strategy in our country. The column pipe of the farming platform is the key structure between the upper console and floating body at the bottom. Ocean structures such as long column pipe exposing to current flows at deep sea are plagued with vortex-induced vibration problems. In this project, the first semi-submersible deep sea farming platform in world is researched. A non-liner analysis model for VIV response of column pipe is proposed by model test, theoretic deduction and numerical simulation, and the dynamic response and stress strength of column pipe is studied. This project intends to carry out systematic study around the following key scientific problems: the prediction approaches in both frequency and time domains for VIV of column pipe; the structure-fluid coupling mechanism of column pipe; the influences of fluid and structural factors, such as flow distribution and top tension on VIV of column pipe. The successful implementation of this project will provides technical basis of the deep sea farming platform.

发展深远海养殖平台，符合我国海洋发展战略，具有重要的战略意义。深远海养殖平台的立柱支撑管是连接上部控制台与下部浮体的关键结构，在复杂的海洋环境中，海流引起的涡激振动是造成立柱管疲劳破坏的主要因素。为此，本项目以国际首例半潜式深远海养殖平台为研究对象，通过立柱管水槽模型试验、理论推导和数值分析相结合的方法，提出立柱管涡激振动非线性分析模型，进行立柱管涡激振动响应的特性分析。本项目拟围绕如下关键科学问题进行深入和系统研究：立柱管多模态涡激振动的频域分析和时域分析；立柱管涡激振动的流固耦合机理分析；立柱管多模态涡激振动的参数影响规律。本项目的成功实施将为我国深远海养殖平台的研发提供技术支持，具有重要的理论意义和工程应用价值。

开拓离岸深远海养殖空间，发展大型基站式深远海养殖装备技术，是中国水产养殖发展的战略需求和未来走向。2016年，我国承建了国际首例半潜式深远海养殖网箱“Ocean Farm 1”，也是目前世界上最大的单体深海养殖网箱。可以预计，深远海养殖作为鱼类工业化养殖与可持续发展的重要支撑，面临着前所未有的良好发展机遇。本项目通过物理模型试验和计算机数值模拟，围绕半潜式深远海养殖平台结构流固耦合机理和响应关键科学问题，从波流作用下半潜式养殖平台结构动力响应特性、养殖平台网衣结构内外流场特性及其计算方法、半潜式养殖平台结构流固耦合分析三个方面开展研究。. 主要研究结果如下：1）半潜式网箱的运动响应（纵荡值、升沉值、纵摇值）易受波浪周期的影响，在波高不变的情况下，随着波浪周期的增加，纵荡值逐渐增大；随着网箱的吃水深度增加，网箱越稳定；波高的增加也会导致网箱框架的纵荡值的增加。波流共同作用时，网箱在纵荡值和升沉值两个指标受影响较明显，纵摇值受影响较弱。2）基于有限元法建立了波浪作用下一种半潜式网箱的数值模型，通过仿真计算求解网箱的锚绳受力与运动情况。采用本有限元模型的计算结果与试验值基本吻合，锚绳受力的相对误差在5%左右。随着半潜式网箱吃水的增加，作用在网箱结构上的波浪力逐渐减小。因此，可以适当增加吃水，以保持网箱结构稳定及减轻开放海域波浪载荷所带来的不利影响。3）对网衣进行了实际尺寸的建模，周围施加更大范围的计算域。当有网衣时网箱上下游压差较大，而且水流绕过网箱的效果比较明显，在无网衣时水流直接穿过整体网箱结构；养殖平台结构背部没有明显涡流的出现，与传统仅仅只有多孔介质流场现象不同，网衣的阻流效应减缓涡的产生和扩展。. 本项目的研究成果将为我国深远海养殖平台的研发提供技术支持，具有重要的理论意义和工程应用价值。