范亚丽，赵战华，匡晓峰，刘久军，何 勇

（1.中国船舶科学研究中心水动力学重点实验室，江苏 无锡 214082；2.湖北海洋工程装备研究院有限公司，武汉 430000）

0 引 言

随着人类对水产品需求的增加，加之近海环境的严重破坏，海洋渔业从以传统的海洋捕捞为主向深远海养殖发展成为必然趋势。而我国深远海养殖发展缺乏核心装备，大型智能化养殖装备的研制工作迫在眉睫，大型渔业养殖平台则是我国在该领域的大胆创新。对于这种新型装备，国内相关研究基础较为薄弱，迫切需要开展相关关键技术的攻坚工作。平台水动力特性作为总体性能设计、优化、评估中的关键一环，是很有必要开展的基础性研究工作，研究成果可为装备总体研发提供有力的支撑。

大型渔业养殖平台与传统的海洋工程结构物在结构型式上有很大的差别，主要体现在主体桁架结构和网衣上，特别是柔性网衣的存在，给数值模拟和模型试验都带来很大难度。

有关网衣的研究，较多的是在深水网箱领域，国内外的学者们开展了大量研究。Fredriksson等[1]采用模型试验方法对重力式网箱在波浪和水流作用下的系泊缆受力和运动特性进行了研究；Tsukrov等[2]采用等效网单元模型对网衣系统进行等效合并，然后通过有限元方法求解运动方程，并将该方法成功应用于张力腿网箱的数值模拟；Fredheim等[3-4]采用有限元方法对三维锥形网衣在水流作用下的特性进行了研究，结合相关模型试验结果讨论了网目目脚和结节阻力系数的取值范围；李玉成等[5]利用模型试验对单片网衣在波浪条件下的水动力特性进行了研究，试验结果为数值模拟中水动力系数的选取提供了依据；赵云鹏等[6]利用数值模拟方法对重力式整体网箱结构在单纯波浪、流以及波浪和流联合作用下的水动力特性进行了数值模拟；詹杰民等[7]采用理论分析和模型试验的方法研究了雷诺数、网衣密实度、网型及流向对网衣的阻力影响，并采用最小二乘法获得了法向和切向阻力系数与流速及网衣密实度的关系。

然而，对于大型渔业养殖平台这一新型结构型式，特别是综合考虑平台主体、网衣和系泊系统在风、浪、流联合作用下的水动力性能预报，很少见到相关研究报道，而且目前也没有较完善的数值模拟方法可以利用，模型试验仍是一种重要的研究方法。针对我国自主开发设计的某型渔业平台，本文通过借鉴在深水网箱领域的研究成果，攻克了平台主体结构模拟、网衣模拟等关键试验技术，开展渔业养殖平台水动力试验研究，获得平台固有周期、阻尼、运动和受力特性，为平台及其系泊系统的优化设计及安全作业评估提供依据。

1 试验概述

试验在中国船舶科学研究中心耐波性实验室进行，该水池主尺度为69 m×46 m×4 m（长×宽×深），具有先进的三维摇板式造波系统、局部风场和流场模拟能力，水池照片见图1。

图1 中国船舶科学研究中心耐波性实验室Fig.1 Seakeeping basin of CSSRC

1.1 研究对象

本文研究工作主要针对作业水深（系泊深度）为50 m的某型渔业养殖平台，其主要结构包括平台主体、网衣和系泊系统。综合考虑平台主尺度和实验室设备能力等因素，本次试验缩尺比为1∶27.78，通过搭建假底的方式实现1.8 m试验水深的模拟。

平台主体结构为正六边形棱柱，底部为圆柱形浮箱（见图2），直径为90 m，高度为38.5 m，作业工况吃水为37 m，对应的排水量为11 793 t。

图2 大型渔业养殖平台主体结构图Fig.2 Main structure of the very large fish farm platform

网衣包括六面侧网和一面底网，网线材质为复合纤维，直径为3 mm、线密度为0.015 5 kg/m，网目尺寸为23.5 mm。

系泊系统由混合式系泊缆组成，自上而下为缆—链—链，各分段材料特性见表1。系泊缆共48根，每8根为一组，每组间隔60°，系泊半径为290 mm，示意图见图3。

表1 系泊系统材料参数Tab.1 Material parameters of mooring system

图3 系泊系统布置示意图Fig.3 Layout diagram of mooring system

1.2 模拟方法

海洋工程结构物水动力性能试验中，原型和模型两者之间应满足的相似条件包括几何相似、运动相似和动力相似，但是要满足所有性质的力学相似是不可能的，通常满足主要受力成分的相似，即部分相似。开展以研究海洋结构物风、浪、流下的运动和受力为目的的模型试验，应遵循Froude相似和Strouhal相似准则。渔业养殖平台水动力模型试验也不例外，但该类平台有其特殊性，比如网衣系统。因此，本次所涉及的模拟方法与常规试验相比，也有特别之处。

1.2.1 平台主体结构模拟

渔业养殖平台主体结构主要为框架结构，与一般海洋装备差别较大，没有足够的压载布置及调试空间，为实现重心位置、惯量模拟的精确模拟，实验室建立了模型一体化设计方法。首先采用三维建模软件，建立包含活动压载舱在内的完整平台模型，通过反复迭代确定模型材料、各构件壁厚、活动压载形状及重量，使得重心和惯量与原型满足相似要求；其次，根据三维建模方案开展加工制作，严格控制工艺流程和质量，最终完成的模型可直接满足模拟要求。基于上述方法完成的目标平台模型设计方案和实物见图4，其重心模拟误差不超过1%，惯量模拟误差不超过2.5%。

图4 模型设计方案Fig.4 Design of fish farm platform model

1.2.2 系泊系统模拟技术

平台系泊系统每组8根，在导缆孔处每根间的夹角不足2°，不利于测力传感器安装，试验中进行等效设计，每组等效为2根。等效后的系泊缆根据几何相似、重量相似和刚度相似对系泊系统进行模拟[8]。几何相似主要是指按照缩比选取模型系泊缆的长度、直径以及系泊半径、深度。重量相似主要是指模型单位长度重量与原型满足相似关系，进而保证模型与原型系泊缆在静水中的悬链线形状几何相似。刚度相似即弹性系数相似，计算公式见式（1），主要是指系泊缆受到的拉力F及其伸长变形Δl之间的关系满足相似关系。

式中，E为弹性模量，l为系泊缆长度。

依据几何相似确定了模型系泊缆的长度和直径，并通过离散而均匀的配载质量块实现了重量相似，但此时的系泊缆并不满足刚度相似要求，试验中通过配接一定长度和弹性系数的弹簧来解决该问题，最终形成的模型系泊缆见图5。最后，通过单根缆和系统静力特性试验对系泊缆模拟准确性进行校核，直至满足精度要求（见图6）。

图5 模型系泊缆Fig.5 Model mooring line

图6 系泊系统刚度校核结果Fig.6 Calibration results of mooring stiffness

1.2.3 网衣模拟技术

一般来讲，网衣模拟应遵循几何相似、力学相似、重量相似、刚度相似[9]。但是由于平台主体结构、网衣尺度与网线直径和网目尺寸存在较大差别，很难按照统一缩尺比进行模拟，如何确定网衣缩比关系是本次试验的关键也是难点问题。

针对网衣特殊结构，研究人员在采用模型试验方法研究时逐步提出了一些相似准则与改进方法，如Tauti准则、W.Dickson准则和B.A.Christensen准则[10-11]等。以上准则主要是相关学者从事拖网网衣水动力特性的研究时提出的，且都有各自的优缺点及适用范围。目前，国内较为常用的是Tauti准则，为克服Tauti准则在网箱模型试验中的困难，提出了改进方法，如桂福坤等提出的面积几何相似方法，李玉成等提出的采用重力相似准则结合网衣变尺度的模型设计方法[12]等。

通过对现有模拟方法的调研结合本次试验对象的特点及要求，设计网衣模拟的方法如下：

（1）几何相似：网衣总尺度即六面侧网和一面底网的长、宽尺度与平台主体采用同一缩尺比，按照几何相似进行缩比。

（2）力学相似：从网衣受力出发，推导分析相似关系。

在波浪作用下，网衣受力主要是惯性力和阻力，单位长度网线受力可表示为

式中，CD是阻力系数，CM是惯性力系数，ρ是流体密度，d是网线直径，u是水质点速度。

式（2）右侧第二项可写为

线性波条件下，水质点速度为

这种方法实现的一个最简单途径就是在模型中仍采用原型网衣，这样模型中网线直径增加了λ倍，对应网目数减少了λ2倍，因此模型中网线的总受力面积恰好保持几何相似。这种方法存在一些不足，即模型网衣的重量、浮力和刚度有所增加。

（3）重量相似：按照上述阻力相似的方法用原型网衣作为网衣模型时，其重量和浮力增加了λ倍，不满足相似关系，但是与渔业平台系统的质量相比该量为小量，不足2%，对试验结果有较小影响。况且，当渔业平台系统被视为刚体来研究其运动响应时，仅需其系统总质量及总排水体积满足相似关系，所以可通过在模型设计中调整压载质量的方式实现模型网衣重量和浮力的补偿。

（4）刚度相似：按照上述阻力相似的方法用原型网衣作为网衣模型时，网衣厚度和网线跨距的变化会导致模型条件下网衣刚度增加。在相同环境作用下，其变形减小，使得网衣与水质点的相对速度增大，但其迎流面积又有所减小，影响网衣受力的两个因素呈现此消彼长之势，致使刚度变化对网衣受力影响的趋势难以分析。因此后续有必要开展相关研究，给出刚度变化对网衣受力的定性影响乃至量化分析，并进一步考虑如何进行刚度修正，获取更准确的网衣受力。

综上，本次试验中原型和模型之间的换算关系为：角位移按1换算，几何长度、波高、线位移等按缩尺比λ换算，时间和速度按λ换算，重量和力按λ3换算，惯量按λ5换算。

1.3 试验内容

为获得深远海渔业养殖平台作业状态下的固有周期、阻尼系数、运动性能和受力情况，设计了静水中自由衰减试验、白噪声试验以及风浪流联合作用下的试验等内容。

2 试验结果及分析

文中所给出的结果均换算至原型值。

2.1 自由衰减试验

通过平台静水中自由衰减试验，获得了纵摇、横摇、纵荡、横荡和垂荡运动衰减曲线，见图7～11。分析衰减曲线，得到平台纵摇、横摇和垂荡固有周期分别为27.1 s、27.5 s、50.8 s、40.1 s和42.2 s。平台纵、横摇固有周期较大，避免了与波浪共振的发生，而平台纵荡、横荡周期较小，主要是因为该平台重量较常规海工平台小，且系泊系统刚度较大。另外，从表2中可知，系统阻尼也较常规平台大些，除平台自身结构差异外，网衣粘性效应是导致该现象的主要原因。

图7 纵摇衰减曲线Fig.7 Pitch decay time history

图8 横摇衰减曲线Fig.8 Roll decay time history

图9 纵荡衰减曲线Fig.9 Surge decay time history

图10 横荡衰减曲线Fig.10 Sway decay time history

图11 垂荡衰减曲线Fig.11 Heave decay time history

表2 自由衰减试验结果Tab.2 Results of decay tests

2.2 白噪声试验

白噪声试验的主要目的是获得各自由度运动响应传递函数（RAO）。同时设计了有无网衣两种条件下的白噪声试验方案，其目的是为了进行网衣对平台运动响应影响的初步探索。

需要说明的是，由于渔业平台固有周期较大，本次试验中未能获得完整的RAO曲线，仅对试验中获得的数据进行分析。由图12～14可知：同一浪向下，对于垂荡而言，网衣对其运动影响不大；对于纵摇，当波浪周期小于12 s时，网衣对其运动影响不大，而波浪周期大于12 s时，网衣的存在加剧了纵摇运动；对于横摇，当波浪周期小于16 s，网衣对其运动影响不大，而波浪周期大于16 s时，网衣的存在会使横摇运动显著增加。

图12 横摇RAOFig.12 Roll RAO

图13 纵摇RAOFig.13 Pitch RAO

图14 垂荡RAOFig.14 Heave RAO

2.3 风浪流作用下水动力试验

为获得渔业养殖平台在风、浪、流联合作用下的运动和系泊缆受力特性，设计了不同谱峰周期、不同浪向等试验工况组合，具体试验内容见表3。同时，针对典型工况开展了单纯波浪和风、浪、流联合作用的试验研究，通过测试平台6自由度运动和系泊力，分析波浪周期、浪向及不同环境条件对平台性能的影响，典型试验照片见图15。

表3 试验内容Tab.3 Model test contents

图15 大型渔业养殖平台试验照片Fig.15 Model test of the very large fish farm platform

试验结果较为丰富，限于篇幅，本文中仅给出对渔业养殖平台运动性能评估较为重要的统计结果。表4给出了风、浪、流联合作用下不同浪向、不同谱峰周期组合的典型试验结果，表5给出了针对工况只有波浪和风浪流联合作用下的对比结果。

表4 典型试验结果Tab.4 Typical model test results

表5 不同环境条件对比结果Tab.5 Test results of different environment conditions

分析上述结果可知：

（1）试验工况下深远海渔业养殖平台纵摇最大单幅有义值为0.52°，横摇为0.23°，垂荡为0.155 m，纵荡最大偏移为4.791 m，横荡为2.400 m,最大系泊力为490.22 kN，作业工况运动性能良好，利于养殖作业。

（2）运动随浪向变化规律：对于同一谱峰周期，渔业养殖平台纵摇、垂荡运动有义值随浪向变化规律一致，均是在180°浪向下较大，150°时较小。谱峰周期为8.1 s、9.6 s和12.4 s时，纵摇运动最大单幅有义值分别为0.24°、0.28°和0.52°，垂荡运动最大单幅有义值分别为0.111 m、0.139 m和0.155 m；而纵荡运动则呈现不同的变化规律，均是在150°浪向下较大，180°时较小；谱峰周期为8.1 s、9.6 s和12.4 s时，纵荡运动最大偏移分别为4.003 m、4.186 m和4.791 m。

（3）运动随谱峰周期变化规律：基于试验结果，绘制平台运动随波浪谱峰周期变化示意图（见图16）。由图显而易见，纵摇、横摇、纵荡、横荡和垂荡运动随谱峰周期变化规律基本一致，大部分都是随谱峰周期的增大而增大。

图16 运动随谱峰周期变化关系Fig.16 Relation of motion with spectral peak period

（4）系泊力的分布情况与平台水平运动相关，最大值均出现在150°浪向，且随谱峰周期的增大而增大，最大值为490.22 kN。

（5）风和流对平台波频运动影响较小，纵摇、横摇和垂荡运动基本不受影响，但是对水平运动和系泊力影响较大，主要是由于网衣的存在，导致平台所受流体动力增加，而产生较大的水平位移和系泊张力，可见网衣模拟是否准确对试验结果影响非常显著。

另外，为进一步判断网衣对平台运动性能的影响，针对表3中的E3工况，开展有无网衣的对比试验。表6中数据显示，对于波频运动垂荡和纵摇，有网衣的情况下略有增加，但影响不大，基本可忽略；纵荡最大偏移明显增加，最大系泊力也随之大幅增加，这是由于网衣的存在，增加了系统的受力面积，导致系统所受波浪力、流阻力和风力都有所增加，进而产生较大的纵向偏移，迎浪位置的系泊缆也随着产生较大的拉伸变形，出现较大的系泊张力。

表6 有无网衣工况的试验结果Tab.6 Test results with and without net

3 结 论

本文在对现有网衣模拟方法调研的基础上，论证了面积相似的可操作性，为渔业平台试验研究积累了丰富的经验。在解决上述关键问题的基础上，针对目标平台开展了多种环境要素组合下水池模型试验，在得到深远海渔业养殖平台运动和受力性能的同时，分析了不同环境要素对平台性能的影响，为平台及其系泊系统性能评估、优化提供了有效的支撑。主要结论如下：

（1）在总结前人经验的基础上，本试验将原型网衣直接用于模型平台上并采用一体化平台系统的设计方法，较好地满足了平台系统技术参数的相似要求，其相似准则及模拟技术在深水养殖领域具有推广应用价值。

（2）深远海渔业养殖平台纵横摇固有周期均在27 s左右，垂荡固有周期在42 s左右，远离平台作业海况波浪周期，表现出良好的运动性能，利于养殖作业。

（3）同一浪向下，对于波频运动，当波浪周期较小时，网衣对渔业养殖平台波频运动影响较小，随着波浪周期增加，会使纵摇和横摇运动增大；对于低频运动，网衣的存在会明显加剧低频漂移，进而导致最大系泊张力急剧增大。

（4）纵摇、横摇、垂荡等波频运动一般在180o浪向下较大，而纵荡、横荡等水平运动一般在150o浪向下较大，系泊力与水平相关，其变化趋势与水平运动一致。通过分析运动、系泊力随浪向和谱峰周期的变化关系，有助于判别安全作业海况，对渔业养殖平台作业安全具有一定的指导意义。

（5）风和流对平台波频运动影响较小，纵摇、横摇和垂荡运动基本不受影响，但是对水平运动和系泊力影响较大。

网衣模型的设计制作在该类模型试验中一直都是比较棘手的问题。本文采用原型网衣的做法，网衣模拟没有完全满足重量相似和刚度相似的条件，对试验结果会有些影响，为得到更为准确的网衣受力和渔业平台系统运动、受力情况，有必要进一步探索更为有效的网衣模拟方法。另外，本文还介绍了网衣对平台运动性能的影响，但没有考虑网衣载荷特性与平台性能之间的关系以及网衣对平台固有周期、阻尼性能的影响，上述内容以及网衣与平台之间的耦合效应将是后续工作的重点。