网衣波浪水动力特性的数值模拟初步研究

提 出了应用 等效 网单元 模 拟 网 衣 ， 通过 有 限 元方 法求解 网 衣 运 动 方 程 研 究 了 网衣 受 力 与 变 形 情 况； Ｌ ｉ ｕ等 通 过 物 理 模 型 试 验 的方 法 研 究 了 网 衣在水 中受 迫振动 时的受 力情 况并 分析 了网衣 阻 力系数 和惯性 系数 与雷诺 数 和振动 频率之 间 的关
的经验公式； 赵云鹏等 采用集 中质量法模拟 网
衣结 构 ， 研 究 了圆形 重 力 式 网箱 的波 浪水 动 力 特 性； 詹 杰 民 等 分 析 了 网衣 受 力 与 流 速 、 冲 角 及
１ 数值模型
１ ． １ 控制 方程
本文数 值计 算 中， 流体 运 动 的控 制 方 程 采用
关键词 ： 波浪 场 ； 多孔介 质模 型 ； 网衣 ； 波 浪 透 射 系数
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ７ － ９ ５ ８ ０ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ２ ． ０ １ １
中图 分 类 号 ： Ｐ ７ ５ ２
文献标识码 ： Ａ
《 渔 业现 代化 ￣ ２ ０ １ ３年第 ４ ０卷第 ２期
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３ － ０ １ — １ １ 修 回日期 ： ２ ０ １ ３ － ０ ３ — １ ７ 基金项 目： 国家 自然科学基金重点项 目（ 编号 ５ １ ２ ３ ９ ０ ０ ２ ） ； 中央高校 基本科 研业务 费专项资 金资助 （ Ｄ Ｕ Ｔ １ ３ Ｌ Ｋ ５ ５ ） ； 秦皇 岛市科技 项 目 （ ２ ０ １ ２ ０ ２ １ Ａ１ １ ３ ） 作者简介 ： 赵云鹏（ １ ９ ８ ０ 一） 男， 博士 ， 研究方向： 海洋牧场结构物水动力特性。Ｅ － ｍａ ｉ ｌ ： ｙ ｐ ｚ ｈ ａ ｏ ＠ｄ ｌ ｕ ｔ ． ｅ ｄ ｕ ｏ １ ３年第 ４ ０卷第 ２期
网衣 波 浪 水 动 力特 性 的数 值 模 拟初 步研 究
赵云鹏 ，刘延 星，毕春伟
（ 大连理工大学 ， 海岸和近海工程 国家重点实验室 ， 辽宁 大连 １ １ ６ ０ ２ ４ ）
摘要 ： 为研 究 网衣 与波 浪 相 互 作 用 机 理 ， 以粘 性 不 可 压 缩 Ｎ ａ ｖ ｉ ｅ ｒ — Ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ方程 为 控 制 方 程 ， 通过 Ｖ Ｏ Ｆ方 法追 踪 波面 ， 采 用推 板 造 波的 方 式 建 立 了数 值 波 浪 水槽 。数 值 模 拟 过 程 中利 用 多孔介 质模 型模 拟 网衣 ， 根 据 网衣 受
分析 了网衣参 数对 波浪反 射 系数 的影 响 。
本文基于计算流体动力学（ Ｃ Ｆ Ｄ ） 方法建立了 数值波 浪水槽 ， 通 过 利用 多 孔 介 质模 型 模 拟 网衣 结构 ， 研 究 网衣对 波 浪传 播 及 波 浪形 态 产 生 的影 响， 计算 网衣 在不 同波浪 条件下 的受力情 况 ， 分析
律的渗 透边界 条 件 ， 通过 速 度 势 的求 解 从理 论 上
国内外对 网衣 的研究 大多关 注 网衣 的受 力情 况 。Ｔ ａ ｕ ｔ ｉ …通 过 假 定 网 衣 目脚 与 结 点 受 力 互 不 相关 ， 根 据物 理模 型 试 验结 果 推 求 了 网衣 水 阻力 的计算 公式 ； Ｔ ｓ ｕ ｋ ｒ ｏ ｖ等 基 于 网衣 受力经 验 公式
网衣特 征参 数之 间 的关 系。然 而 ， 网衣 与波 浪 之 间是相互 作用 的 ， 网衣 对 波 浪传 播 形 态 的影 响 不 能 忽视 ， 但 由于网衣 属于小 尺度柔 性结构 ， 它 与波 浪 间相互 作用 机理 比较 复杂 ， 网衣 对 波 浪传 播 影
响的研究 成果较 少 ， 且 主要 集 中在 物 理模 型试 验 研 究与 理 论 分 析 方 面 。宋 伟 华 等 ¨ 通 过 模 型 试 验 对 网衣 的阻浪 效应 进 行 了研 究 ， 分 析 网衣 水 动
文章编号 ： １ ０ ０ ７ － ９ ５ ８ ０ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２ － ０ ５ ６ － ０ ６
随着 人类 对水 产品需 求 的不 断增 长 以及 近海 生 物资源 的 日益 衰竭 ， 发 展 离 岸深 水 网箱 养殖 业
势 在必行 。但 由于离 岸深 水 区域 海况 复杂且 外海
网箱无 防浪建 筑 物 的遮 挡保 护 ， 网箱 面 临 严 峻 的
环 境考 验 ： 在 强 风浪 作 用下 ， 网箱极 易 遭受 破 坏 ， 造 成重 大 的渔业 损 失 。而研究 网箱 的抗风浪 性能
与 网箱 在 波 浪 场 中 的 水 动 力 特 性 是 解 决 问题 的
关键。
力、 波 浪 透射 系数 与 网衣 参 数 、 波浪 参 数 的关 系 ， 并 肯定 了 网衣 用作 防波堤 的可行 性 ； Ｃ ｈ ａ ｎ等 从 基 本 的势流理论 出发 ， 将 网衣 简化 为 基 于达 西 定
网衣参 数 、 波况参 数与波 浪透射 系数之 间 的关 系 ， 并将数 值模 拟数 据 与 物理 模 型 实验 结 果 相 比较 ， 以证 明数值模 型 的准确性 与适 用性 。
系 。国 内对 网衣 的研究 起 步 较 晚 ， 但 仍 有 大 量成 果 。李玉成 等 针 对 网衣 模 型 试 验 中水 阻力 系 数选 择 的困难 ， 通过 试 验 获得 了 网衣 水 阻力 系 数
力的经验公式利用最小二 乘法拟舍得到相应的 多孔介质模 型参数 。利 用该数 学模型研 究 了平面网衣对波浪
形 态影 响 及 网衣 受 力 情 况 ， 并 与 物 理 模 型 试验 结 果 相 比较 。 结果 表 明 ， 计 算 获得 的 网衣 受 力 和 波 浪透 射 系数 与试 验 结 果 相 一 致 ， 证 明 了该 数 值 模 型研 究 网 衣 波 浪 水动 力特 性 的 适 用性 。