关于半潜式水产养殖平台流场的数值模拟与实验研究

《Aquacultural Engineering》：Numerical and experimental studies on the flow field of a semi-submersible aquaculture platform

本研究通过缩尺模型实验与数值模拟，量化了半潜式养殖平台结构设计与网系统对周围流场的非线性影响。采用孔隙介质法耦合SST k-ω湍流模型，验证了数值模型在平台阻力系数（误差15%）和网结构流速衰减（误差10%）的可靠性。揭示了平台结构诱导近场流速突变及内部涡流耗散现象，发现倒角截面使尾流宽度缩减20%，不同入射角下传统经验公式存在10%-20%预测偏差。研究结果为半潜式平台的水动力优化和安全评估提供理论支撑。

　　在海洋工程领域，随着对可持续水产养殖需求的不断增长，半潜式水产养殖平台作为一种高效的解决方案，正逐渐成为研究的热点。这类平台通常采用下沉式浮体结构，通过多根立柱或浮筒实现稳定性，结合压载控制和较低的重心设计，从而在开放海域中实现大规模鱼类养殖。然而，其水动力性能仍面临挑战，尤其是在平台与周围流场之间的复杂相互作用方面。为了提升半潜式平台的水动力设计并降低潜在风险，本研究通过缩尺模型实验和数值模拟相结合的方式，量化结构设计与网系统对周围流场的非线性影响。

网系统在平台内部流场调节中扮演重要角色，它不仅影响结构载荷、网箱变形、质量传递效率，还直接关系到鱼类的生存环境。现有的研究多依赖于经验公式来计算网的水动力特性，但这些公式往往基于孤立网的实验数据，无法充分考虑平台结构对流场的干扰。因此，如何准确评估网系统对流场的衰减作用，特别是在不同流速和入射角条件下的表现，成为当前研究的关键问题。

为了克服这一局限，本研究采用了一种新的数值模拟方法，结合了多孔介质模型与计算流体力学（CFD）技术，以更精确地模拟半潜式平台与网系统之间的流体相互作用。多孔介质理论最初由Van Gent在1995年提出，该理论通过将流体动力学方程与经验阻力系数相结合，能够有效表征渔网的渗透特性。通过定义粘性（D_ij）和惯性（C_ij）阻力系数，该理论将复杂的网结构简化为多孔面板，从而显著降低计算复杂度，同时保持对物理现象的准确描述。

在实验方面，本研究通过缩尺模型实验测量了平台结构的水动力特性，并对流场进行了可视化分析。实验数据为数值模拟提供了基准，确保了模拟结果的可靠性。实验中，平台结构被设计为具有多个下沉立柱和浮筒，以模拟真实海上平台的复杂布局。同时，通过改变网的层数和布局方式，研究了其对流场衰减和空间分布的影响。

在数值模拟方面，本研究使用STAR-CCM+软件构建了一个完整的数值框架，结合了雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程和多孔介质模型。为了提高计算效率，采用体积分数（VOF）方法来捕捉流体与结构之间的相互作用。同时，研究还采用了Shear-Stress Transport（SST）k-ω湍流模型，以更准确地模拟湍流特性。通过将实验数据与数值模拟结果进行对比，验证了模型的准确性。研究结果显示，在无网配置下，最大阻力系数误差为15%；而在有网配置下，流速衰减百分比误差为10%。这些误差范围表明，数值模拟方法在预测半潜式平台的水动力特性方面具有较高的精度。

此外，研究还发现，平台结构会对周围近场流速产生显著影响，特别是在结构附近和内部区域，由于结构干扰，流场会发生剧烈变化。在低入射角条件下，传统经验公式对于流速衰减的预测值存在一定程度的高估，而在高入射角条件下，这些公式则无法准确捕捉流场行为，因为结构干扰可能导致局部流速加速。这些发现对于半潜式平台的安全评估和设计优化具有重要意义。

在平台结构设计方面，研究发现，斜角截面相较于非斜角截面能够产生更宽的尾流区域，其尾流宽度约为非斜角截面的0.2倍。这一发现表明，结构细节对局部流场的分布和衰减具有重要影响，因此在设计过程中需要充分考虑这些因素。此外，研究还表明，平台结构在低流速条件下对流场的干扰较为显著，而在高流速条件下，其影响则趋于减弱。因此，在不同流速和入射角条件下，平台结构对流场的调控作用需要进行系统分析。

本研究还对网系统在不同流速和入射角条件下的影响进行了详细探讨。研究发现，随着入射角的增加，网系统对流场衰减的影响逐渐增强。在0°入射角条件下，最大流速衰减达到18.4%；而在90°入射角条件下，最大流速衰减为9.7%。这些结果表明，网系统在不同入射角条件下的表现存在显著差异，因此在设计过程中需要根据具体应用条件进行优化。

此外，研究还发现，网系统能够有效衰减相干涡旋，并在平台内部区域形成均匀的涡旋分布。这一现象表明，网系统在调节流场方面具有重要作用，能够降低局部流速波动，提高水体交换效率。因此，在设计半潜式平台时，合理配置网系统不仅有助于提高平台的稳定性，还能改善内部流场环境，从而提升鱼类的生存条件。

在实验验证方面，本研究通过缩尺模型实验测量了平台结构在不同流速和入射角条件下的水动力特性，并将这些数据与数值模拟结果进行对比。实验结果显示，在0°入射角条件下，传统经验公式对于流速衰减的预测值存在约10%的高估，而在90°入射角条件下，这些公式则无法准确捕捉流场行为，因为结构干扰可能导致局部流速加速。因此，在设计过程中，需要结合实验数据和数值模拟结果，对经验公式进行修正，以提高其适用性。

在结果分析方面，本研究通过系统分析平台结构和网系统对流场的影响，揭示了不同流速和入射角条件下流场的分布特征。研究发现，平台结构在低流速条件下对流场的干扰较为显著，而在高流速条件下，其影响则趋于减弱。此外，网系统在不同入射角条件下的表现也存在显著差异，因此在设计过程中需要根据具体应用条件进行优化。通过改变网的层数和布局方式，研究了其对流场衰减和空间分布的影响，为半潜式平台的水动力优化提供了重要的理论依据。

本研究还发现，平台结构在不同流速和入射角条件下的表现存在显著差异。在低流速条件下，平台结构对流场的干扰较为显著，而在高流速条件下，其影响则趋于减弱。此外，网系统在不同入射角条件下的表现也存在显著差异，因此在设计过程中需要根据具体应用条件进行优化。通过改变网的层数和布局方式，研究了其对流场衰减和空间分布的影响，为半潜式平台的水动力优化提供了重要的理论依据。

在结论部分，本研究总结了半潜式平台结构和网系统对流场的影响，提出了未来研究的方向。研究结果表明，通过结合缩尺模型实验和数值模拟，能够更准确地评估平台结构和网系统对流场的调控作用。此外，研究还发现，平台结构在不同流速和入射角条件下的表现存在显著差异，因此在设计过程中需要根据具体应用条件进行优化。这些发现对于半潜式平台的安全评估和设计优化具有重要意义，同时也为未来的水动力研究提供了新的思路和方法。