离岸组合式网箱水动力特征研究

摘要

20世纪，人类的活动主要局限在占地球面积三分之一的陆地，但是随着人口膨胀、环境污染以及资源短缺等问题的越来越严重，人类加大了对海洋资源的开发和利用，因此，21世纪成为了海洋经济的新时代。随着人民生活水平的逐步提高，对水产品的需求也在增加，为了满足人民对于水产品的需求，需要加大海洋渔业资源开发的力度。近年来，海洋渔业资源的年均产值占到海洋经济总值的三分之一。传统的海洋渔业资源开发包括养殖、增殖和捕捞，但是受到海洋污染、过度捕捞等因素的影响，海洋水产品的捕捞量逐渐下降。开发海洋渔业资源必须走海洋牧场化的道路，利用网箱进行水产品养殖是人工牧场化养殖的主要方式。虽然近年来网箱养殖产业在国内得到大力发展，但是相关的基础研究还比较薄弱。为此，依托国家自然科学基金面上项目、重点项目，开展了深水组合式网箱的水动力特性研究。
　　基于集中质量法以及刚体运动学原理，建立了组合式网箱及其网格式锚绳系统的数值模型，进行了大量的物理模型试验对该数值模型进行验证。本文的工作主要包括以下几个方面:不规则波浪作用下单体网箱的水动力特性;组合式网箱及其网格式锚碇系统在纯波、纯流及波流联合作用下的水动力响应;可下潜式网箱及其锚绳系统的研究。
　　本文的结构安排如下:
　　第一章为绪论，介绍了本文的研究背景和意义，分析了当前国内外网箱水动力方面的研究进展，结合前人的研究成果，提出了本文的研究目标和内容。
　　第二章描述了网箱及其锚绳系统的数值模型，该模型是基于集中质量法和刚体运动学原理建立的;为了对该数值模型进行验证，结合中国目前常用的重力式网箱的几何和材料参数以及实验室波浪水槽的几何尺寸和造波、造流能力，设计了相应的网箱和锚绳系统的物理模型。
　　第三章介绍了随机过程的谱分析方法，采用数值模型分析了单体网箱在规则波浪和不规则波浪作用下的水动力响应，并与物理模型实验的结果进行对比，对该数值模型进行了验证;利用统计学方法和谱分析的方法在时域和频域内对单体网箱及其锚绳系统在不规则波浪作用下的水动力响应进行分析。采用雨流计数法和σ-N曲线分析了单体网箱的网格式锚绳的疲劳损伤，研究了锚绳应力幅值的分布特征和简化的疲劳分析方法的可行性。
　　第四章利用数值模型和物理模型试验分析了组合式网箱及其网格式锚碇系统在纯波、纯流及波流联合作用下的水动力响应;分析研究了波浪和水流作用下各类锚绳的受力特性和相互关系，分析了网格水下深度、锚点数量和波流入射方向对锚绳力的影响，分析比较了网箱横、纵向组合方式，组合个数，组合排数对锚绳受力、网箱运动和网衣变形的影响。
　　第五章对单点锚碇和多点锚碇条件下的可下潜式网箱水动力响应进行研究，分析了刚体框架、连接点深度、网格平台下潜深度对网箱下潜动力响应的影响。