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1、 定常及振荡流下带网半浸没浮筒载荷特性研究1) 杨孟婕 任浩杰 胡滕艳 付世晓 张萌萌 许玉旺(上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海 200240)(上海交通大学海洋装备研究院,极地深海技术研究院,上海 200240)引言随着人们对海产品的需求增加,深远海养殖技术也随之发展1-2.重力式网箱结构作为深海养殖的重要装备,研究其在复杂海洋环境下的服役安全性十分必要3-7.重力式网箱系统主要组成部分包括浮圈、网衣、沉子和锚链8.浮圈作为重力式网箱基本的顶部支撑结构,其在水平方向的阻力占网箱系统总阻力的28%9,所以其水动力载荷计算对整体网箱结构的安全性设计十分关键10.为更清楚地了解浮圈水动力载
2、荷的作用机理,开展相关水动力特性实验十分必要.因此,开展以带网衣的浮圈为代表的半浸没圆形柱状浮筒水动力载荷特性研究具有重要的意义.针对半浸没圆柱体浮筒水动力载荷问题,当前已有研究人员初步开展了一定研究,主要集中于探究半浸没浮筒水动力系数的变化规律和影响因素.Triantafyllou 等11研究了半浸没圆柱体的流动稳定性与Fr数之间的关系.研究发现基于势流理论,当Re 25000 时圆柱下游位置均出现不稳定尾流.参考全浸没圆柱的两个重要影响参数KC数(KC=UmT/D,其中Um为振荡最大速度,T为振荡周期,D为圆柱体直径) 以及Stokes 数12(又称数,=Re/KC),Fu 等13研究振荡
3、流及组合流下半浸没浮筒的水动力载荷以及KC数、数、Re数对水动力系数的影响,结果表明自由表面对阻力系数影响较大,且会导致附加质量系数增大,振荡流下水动力系数与KC数和数存在一定关系.胡克等14通过不同浸没深度的强迫振荡实验,发现自由液面上浪现象对于惯性力系数的影响较大.Ren 等15研究均匀流下不同浸没深度的部分浸没圆柱浮筒的水动力,实验表明由于自由表面的存在,阻力系数表现出与Fr数强相关关系,并初步拟合给出了半浸没浮筒的经验阻力公式.Ren 等16进一步考察振荡流场下阻力系数与附加质量系数分布规律,并考察了水动力系数对Fr数的依赖关系.研究发现与相同Stokes 数下的水动力系数与Fr数的关
4、系相比,当相同KC数下,水动力系数随Fr数的增加有更明显演化趋势,使用Fr数和KC数来预测半潜式圆柱的水动力系数更为合理.Hu 等17研究定常及非定常流场下半浸没柱体水动力系数特征,结果表明,在定常流和振荡流的组合流场中,水动力系数与KC数几乎无关,而更可能受到Fr数的影响.以上对于半浸没柱体水动力的研究基本是对纯柱体展开,实验结果显示由于自由液面的存在会对半浸没柱体的阻力系数和附加质量系数存在较大影响,而且其水动力系数受Fr数的影响更大.但以上研究对象均为不带网衣的单纯半浸没柱体,并未考虑网衣对于半浸没浮筒的影响.总体来看,目前对于网箱系统中带网衣浮筒水动力一般采用无网衣浮筒的水动力结果代替
5、,并未考虑网箱系统中网衣对半浸没浮筒的影响,这与实际网箱系统的使用场景不相符,网衣对浮筒水动力载荷特性有何影响及影响程度需要进一步揭示.为界定网箱网衣对半浸没浮筒水动力载荷特性的影响,本文开展带网衣的半浸没浮筒与无网衣半浸没浮筒的对比实验.实验中,将半浸没浮筒固定在拖车底部,以拖车带动浮筒运动来模拟定常流场;通过强迫运动机构强迫半浸没柱体以不同振幅和周期振荡,从而模拟半浸没浮筒受到的振荡流场.半浸没浮筒的两端布置三分力传感器,由编码器记录位移信息同步测量浮筒水动力载荷和强迫运动信息.进而由最小二乘法识别得出浮筒水动力系数,包括阻力系数和附加质量系数.对比研究了定常流和振荡流下带网衣的半浸没浮筒
6、与无网衣浮筒载荷特性,并探究水动力载荷系数与敏感参数之间的关系.1 半浸没浮筒水动力特性实验1.1 实验装置本实验在上海船舶运输科学研究所的拖曳水池中进行,拖曳水池长192 m,宽10 m,水深4.2 m,拖车最大速度为9 m/s.实验整体装置由强迫振荡装置、圆柱浮筒模型、假体和挡流板构成,如图1 所示.强迫振荡装置由两条垂直轨道和两条水平导轨构成.实验中,伺服电机驱动垂直轨道运动来调节实现浮筒的半浸没状态.伺服电机驱动水平轨道带动垂直轨道运动,继而强迫与垂直轨道相连接的浮筒在水中振荡.整个实验装置安装于拖车的下方,由拖车拖动固定于强迫振荡装置上的模型模拟定常流场.拖车静止不动时,通过强迫振荡
7、装置强迫半浸没浮筒在静水中以不同幅值和不同周期振荡,模拟半浸没浮筒遭受的振荡流场,如图2 所示.图1 实验装置示意图Fig.1 The sketch of oscillating experiment device图2 强迫振荡实验图Fig.2 The photography of forced oscillation experiment实验模型分为无网衣浮筒模型(SFM)以及带网衣浮筒模型(FNM),如图3 所示.SFM 为半浸没的光滑刚性圆柱体,由PP 材料加工而成,圆柱体长度L=2 m,直径D=0.25 m.FNM 为下部连接网衣的浮筒模型,网衣由尼龙材料编制而成,宽度为2 m,长度为
8、3.5 m,网衣直径2 mm,半目长20 mm,密实度为0.4.根据实际重力式网箱形式,在网衣底部连接有一根钢制的沉子用于张紧网衣,沉子模型长2 m,直径0.0453 m,通过尼龙扎带与网衣连接.图3 (a)无网衣浮筒模型和(b)带网衣浮筒模型Fig.3 (a) Single floater model and (b) floater-net model实验中采用4 个三分力仪测量模型的受力,浮筒两侧装有2 个三分力仪用于测量SFM 或FNM 整体的受力;网衣上部连接在挂杆上,挂杆两端连接另外2 个三分力仪,布置于浮筒内部,用于测量FNM中网衣的受力,如图4 所示.为保证流经圆柱浮筒模型的流动
9、二维性,在浮筒模型两端安装与浮筒模型直径相同的两段假体,并在两段假体外侧安装有两个圆形挡流板用于减少边界条件的影响.假体和模型之间留出一小块空间( 1 mm),以保证力传感器仅测量模型上的力.图4 三分力仪布置图Fig.4 The arrangement of the three-dimensional force transducers1.2 实验工况为了揭示网衣对半浸没浮筒水动力特性的影响,本实验制定SFM 和FNM 所遭受的典型流场工况,包括定常流场工况和波浪次生振荡流场工况,如图5 所示.定常流工况流速选择主要覆盖实际海况的表面流速范围,振荡流工况选取实际海况中养殖网箱所遭遇的几种典型
10、周期和幅值13.通过对比两种工况下带网衣与不带网衣的半浸没浮筒水动力特性,说明网衣对半浸没浮筒水动力的影响.x轴沿拖车拖曳方向,y轴垂直于拖车模拟的定常流方向.刚性圆柱体浸没深度h=0.5D.图5 实验工况示意图Fig.5 Sketch of the experimental cases表1 所示为具体设置的实验工况.实验制定定常流和振荡流两种工况,每种工况分别进行SFM 和FNM 两种模型的实验.定常流工况流速为0.2,0.4,0.8 和1.2 m/s,对应Re数范围为5.01043.0 105,Fr数范围为0.181.08.振荡流工况振荡幅值设置为0.25,0.75 和1.25 m,振荡周
11、期设置为5.5,8.5 和11.5 s,对应Re数范围为3.41043.6105,对应Fr数范围为0.121.29.表1 实验工况表Table 1 Details of the test cases1.3 圆柱水动力主要影响参数本实验设置两种流场工况,针对定常流场而言,半浸没圆柱体水动力的关键影响参数主要有Re数和Fr数11,18-19.振荡流场下,半浸没圆柱体水动力的影响参数不仅包括Re数和Fr数,还受KC数和Stokes 数(数)的影响20.为了区分定常流场和振荡流场的参数,将定常流下Re数定义为定常雷诺数(Re),振荡流场下Re数定义为最大雷诺数(Re*);同样,定常Fr数(Fr) 对应
12、定常流场,振荡Fr数(Fr*)对应振荡流场.以上参数定义如下式中,U0为定常流速度;Um为振荡最大速度;D为浮筒直径;为水的运动学黏性系数,=1.0 10-6m2/s;h为浸没深度,h=0.5D;Am为振荡最大振幅;T为振荡周期.2 基本理论2.1 莫里森方程对于网箱浮圈这类小尺度柔性构件,工程上通常采用莫里森方程21进行水动力计算.由于实际使用莫里森公式时很难确定半浸没浮筒的瞬时湿表面积,为了方便工程应用,均采用浮筒直径作为水动力直径15,22.(1)定常流定常流场下半浸没圆柱体的平均阻力可以写成23式中,FD为平均阻力;为平均阻力系数;D为刚性圆柱体的直径;L为刚性圆柱体的长度;U为定常流
13、流速;为流体密度,=1000 kg/m3.(2)振荡流对于本实验在静水中强迫振荡的半浸没圆柱体载荷可以由莫里森方程表示为式中,F为总载荷;CD为阻力系数;CA为附加质量系数;U(t)和(t)分别为流体相对于圆柱体的相对速度和加速度.2.2 水动力系数识别(1)定常流下定常流下半浸没浮筒的阻力系数由式(1)可得(2)振荡流下利用最小二乘法将水动力系数从强迫振荡实验测得的水动力时间序列中提取出来.由最小二乘法得振荡流下圆柱体受力的误差平方和可以表示为式中,F(ti)为测量得到的半浸没圆柱水动力实际值;Fm(ti)为基于莫里森公式求解得到的半浸没圆柱的水动力理论值.由式(2)得半浸没圆柱水动力得理论
14、值为将式(5)代入误差平方和式(4)可得进一步定义之后式(6)可以简化为为使误差平方和取到最小值,应满足以下两个条件求解方程组(8),最终可以得到阻力系数CD和附加质量系数CA3 结果及讨论为揭示网衣对半浸没浮筒水动力影响,首先对纯浮筒模型与带网浮筒模型的水动力载荷特性进行对比研究,为后续水动力系数的探究提供一定基础.进而根据以上的数据处理方法得到定常流及振荡流下半浸没浮筒的水动力系数,并对水动力系数与Re数、KC数和Fr数等关键参数之间的关系进行了进一步探究.为了简化描述,以下正文及图片中纯浮筒均代指无网衣浮筒模型中的浮筒(SF);带网浮筒均代指带网衣浮筒模型中的浮筒(NF).3.1 带网浮
15、筒水动力载荷特性(1)定常流图6 给出定常流不同流速工况下带网浮筒与纯浮筒水动力时历图.由图6(a)图6(c)中可以看出,流速为0.4,0.8 和1.2 m/s 工况下,纯浮筒的平均阻力大约分别为12 N,28 N 和106 N,而带网浮筒的平均阻力大约分别为36 N,113 N 和214 N.两者对比,流速为0.4,0.8 和1.2 m/s 工况下,带网浮筒的阻力相对纯浮筒,分别放大了3 倍、4 倍和2 倍.以上结果可以看出,网衣的存在急剧放大了浮筒所遭受的水动力载荷,这表明网衣对浮筒载荷影响无法忽略.目前带网浮筒模型在定常流作用下通常认为网衣为主要受力结构,浮筒受力可以忽略24.根据本工作发现的网衣对浮筒水动力的放大效应,说明传统采用纯浮筒所测水动力载荷结果会导致结构设计偏于危险.因此,网箱结构设计中对浮筒水动力的计算应当考虑网衣影响.图6 定常流下水动力实验结果时历图Fig.6 Time history of the hydrodynamic forces under steady flow进一步地,本工作汇总不同流速工况下纯浮筒与带网浮筒的阻力均值,如图7 所示.图7 中结果显示: 在低流速下,网衣对浮筒阻力放大效应更为显著,当流速增大,即Re数上升后,这种阻力放大效应有所减弱.当Re数5.0104增长至3.0105,带网情况下浮筒阻力放大比例从680% 减弱为102%.
