流场中圆形养殖网箱动态响应的数值模拟研究

论文摘要

随着捕捞渔业的下降,水产养殖在满足人们对水产品的需求上发挥了积极的作用,而近二三十年快速发展的海水网箱养殖业,成为海水养殖的又一支柱产业,已成为人类扩大生存空间,发展海洋产业的一个新的经济增长点。由于网箱处于海洋环境中,要受到波浪和水流的共同作用,因此,为了提高网箱的可靠性及安全生产,在网箱设计与安装之前,有必要运用工程分析方法研究网箱的力学性能。网箱由柔软的网衣、绳索以及刚性的框架等组成,属于柔性体与刚性体的复合体,研究这类结构的力学性能时通常采用的方法有实地观测、模型试验、数值模拟。随着计算机技术的快速发展,数值模拟越来越受到普遍重视并得到广泛应用,因此,本文集中于网箱的数值模拟研究,开发可行的数值工具,进而利用计算机模拟来分析与探讨网箱的一些基本性能。本文运用工程上的集中质量方法建立了网衣的数值模型,把网目目脚视为线性杆元,并假设元素只承受轴向的拉力;集中质量点设置在元素的两个端点上,并将元素的质量平均分到这两个端点上,由此,获取集中质量点上的质量;对于元素上的水动力,按照圆柱体构件进行计算,并将所有的外力平分到元素的端点上,即认为所有的外力作用在质量点上;因此,整个网衣便可以采用由许多质量点和轻杆元素构成的离散模型来模拟。最后运用牛顿第二定律对集中质量点建立运动方程。为了简化计算,将网箱的浮框和底框上假设为刚体,按照水下自由刚体的运动特征,对网箱框架建立了控制方程。将网衣结点的运动方程和网箱框架的运动方程联合,得到整个网箱的运动方程组。由于网箱的运动方程是非线性的,本文采用了可变步长的Runge-kutta方法进行求解,得出网箱在时域内的运动过程。相对于流场中网箱的静态模拟方法,本文方法不但可以得到网箱的静态行为,还可以获得网箱的动态行为。本文假设网箱受到定常水流的作用,模拟出了网箱从静止开始运动直至再次处于平衡状态的运动过程。根据本文模型,开发出了相应的计算机程序,运用程序计算出研究对象在时域内的运动过程,在此基础上,由程序进行相应的后处理,包括显示网箱变形后的形状、可视化网衣的张力分布,获取网箱的阻力、容积损失等,可以非常方便地获取网箱的一些性能参数。

论文目录

• 摘 要
• Abstract
• 0 前言
• 1 理论方法
• 1.1 圆形养殖网箱结构简介
• 1.1.1 框架系统
• 1.1.2 网衣系统
• 1.1.3 锚泊系统
• 1.2 计算模型
• 1.2.1 平面网片
• 1.2.2 网箱模型
• 1.3 网衣的数值模型
• 1.3.1 数值模型
• 1.3.2 集中质量点的运动方程
• 1.4 底框的控制方程
• 1.4.1 底框运动方程
• 1.4.2 底框上的外力
• 1.5 网箱容积变化的衡量方法
• 2 水槽试验
• 2.1 试验条件
• 2.2 网片实验
• 2.2.1 网片实验安装系统
• 2.2.2 实验网片
• 2.3 网箱实验
• 2.3.1 实验网箱
• 2.3.2 网箱实验安装系统
• 2.3.3 网箱阻力的测量
• 2.4 读取结点坐标
• 2.4.1 读取网片结点坐标
• 2.4.2 读取网箱结点坐标
• 2.5 结点坐标误差修正
• 3 流场中网片动态响应的模拟
• 3.1 参考实验网片平衡状态时的结果
• 3.1.1 参考实验网片
• 3.1.2 网片1的平衡形状
• 3.1.3 网片2的平衡形状与水平载荷
• 3.1.4 讨论
• 3.2 网片A平衡状态时的结果
• 3.2.1 计算条件
• 3.2.2 平衡形状
• 3.2.2.1 流速为0.11m/s时的结果
• 3.2.2.2 流速为0.2m/s时的结果
• 3.2.2.3 流速为0.3m/s时的结果
• 3.2.2.4 流速为0.4m/s时的结果
• 3.2.3 平衡状态时的阻力
• 3.3 网片B平衡状态时的结果
• 3.3.1 平衡形状
• 3.3.2 平衡状态时的阻力
• 3.4 网片C平衡状态时的结果
• 3.4.1 平衡形状
• 3.4.2 平衡状态时的阻力
• 3.5 网片的动态响应
• 3.5.1 网片1的动态响应
• 3.5.2 网片A的动态响应
• 3.5.2.1 流速为0.2m/s时的动态响应
• 3.5.2.2 流速为0.4m/s时的动态响应
• 3.6 小结
• 4 流场中网箱动态响应的模拟
• 4.1 网箱A平衡状态时的结果
• 4.1.1 配重方式1时的结果
• 4.1.2 配重方式2时的结果
• 4.1.3 配重方式3时的结果
• 4.1.4 网箱A的容积变化
• 4.1.5 配重对网箱阻力的影响
• 4.2 网箱B平衡状态时的结果
• 4.2.1 网箱B的平衡形状与阻力
• 4.2.2 网箱B的容积变化
• 4.3 网箱C平衡状态时的结果
• 4.3.1 网箱C的平衡形状与阻力
• 4.3.2 网箱C的容积变化
• 4.4 网箱的动态响应
• 4.5 小结
• 5 波浪场中网片、网箱动态响应的模拟
• 5.1 二维小振幅波的速度
• 5.2 网箱构件运动方程与外载荷
• 5.2.1 浮框的运动方程与主要外力
• 5.2.2 目脚、绳单元、底框单元的波浪力
• 5.2.3 浮筒的运动与外力
• 5.3 波浪场中网片动态响应算例
• 5.4 定常流场中漂浮式网箱动态响应算例
• 5.5 定常流场中漂浮式网箱动态响应算例
• 5.6 小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 今后工作
• 参考文献
• 研究生期间的文章与专利
• 致谢