新英格兰近海连续式贻贝养殖系统的工程风险评估与安全因子优化研究

为应对近海养殖空间受限与极端海况风险，研究者通过CFD模拟、时域有限元模型（Hydro-FE）和联合概率密度函数（joint-PDF）分析，量化了贻贝养殖系统在10/25/50年重现期波流条件下的失效概率，提出了基于动态响应场的安全因子优化方法，为近海高能环境水产养殖结构设计提供科学依据。

　　

随着全球水产养殖业快速发展，贻贝等软体动物养殖已成为重要蛋白质来源。然而，近海养殖面临空间竞争、环境污染及水温升高等挑战，迫使产业向近海高能环境拓展。新英格兰海域作为美国贻贝产业潜力区，其近海养殖系统需承受极端波流荷载，但现有研究缺乏系统性风险评估方法。为此，美国国家海洋渔业服务中心（NMFS）资助团队开展了一项创新性研究，通过多尺度数值模型与概率统计方法，首次建立了贻贝养殖结构失效风险的量化框架，相关成果发表于《Aquacultural Engineering》。

研究采用三阶段技术路线：1）基于OpenFOAM的二维CFD模拟获取贻贝垂吊体法向/切向阻力系数；2）结合Airy波理论与Morison方程，用时域有限元模型（Hydro-FE）分析10/25/50年重现期波流耦合下锚泊系统、主缆、吊带等组件的动态响应；3）通过响应面插值与联合概率密度函数（joint-PDF）整合环境参数与组件强度数据，计算全生命周期失效概率。

贻贝养殖系统设计
基于新西兰长线式养殖模式，构建45米水深养殖系统模型，包含锚泊浮标、主缆、贻贝垂吊体等组件，分三个生长阶段（初始/中期/成熟期）评估生物量变化对结构受力的影响。

极端条件下的动力学响应
Hydro-FE模拟显示：50年重现期工况下，主缆张力峰值达生长初期2.3倍，且垂吊体涡激振动显著增加局部应力。通过1,296组仿真构建的响应场，揭示波高-流速交互作用对失效模式的非线性影响。

风险评估与安全因子优化
统计表明：成熟期组件的年失效概率最高（1.2×10^-3
），主要源于生物量增加导致的流阻上升。基于蒙特卡洛模拟提出分级安全因子方案，使系统50年累积失效概率降至0.05以下。

该研究创新性地将CFD参数化、时域有限元与概率统计相结合，首次实现近海养殖系统全参数空间风险量化。提出的动态安全因子方法，为高能环境水产工程提供了可推广的设计范式，对缓解近海生态压力、保障养殖设施可靠性具有重要实践意义。研究还指出，未来需结合原位监测数据优化生物污损（biofouling）对阻力的影响模型，并扩展至多品种养殖系统分析。