方形封闭式柔性养殖网箱在规则波中浮体与囊袋间内力的实验研究

为探究封闭式柔性养殖网箱(CFFC)囊袋受力机制，研究人员通过新型功能模型首次测量规则波作用下浮体与囊袋间内力，发现内力零阶与二阶响应幅值算子(RAOs)显著，且与填充率、波长及囊袋摆动密切相关。该研究为CFFC结构优化与抗波设计提供关键实验依据，成果发表于《Ocean Engineering》。

　　

水产养殖业自20世纪90年代快速发展，2022年全球水产动物产量中养殖占比首次超过捕捞（51%）。然而，传统养殖面临污染、病害和逃逸等难题，封闭式循环水系统成为重要解决方案。其中，刚性封闭容器成本高、能耗大，而封闭式柔性养殖网箱（Closed Flexible Fish Cage, CFFC）因其低成本和适应性备受关注。然而，CFFC作为新型结构，其囊袋在波浪中的力学行为尚不明确，尤其是囊袋载荷的测量技术空白，制约其工程应用。

日本科学技术振兴机构资助团队开发了可测量浮体与囊袋内力的方形CFFC功能模型，通过五组不同填充率实验，首次系统分析了规则波中内力、浮体运动、囊袋摆动及相对水位的动态响应。研究发现，内力零阶（静态）和二阶（非线性）响应幅值算子（Response Amplitude Operators, RAOs）常超过一阶（线性）RAOs，且填充率显著影响内力分布。波长增加时，一阶RAOs降低而零阶与二阶RAOs上升。定性模型表明，零阶内力源于相对水位的重力作用，二阶内力主要由囊袋摆动驱动。此外，CFFC的“下沉”现象与囊袋内零阶水位变化密切相关。

关键技术方法
研究采用1:25弗劳德比例模型，设计带嵌入式载荷传感器的方形CFFC结构，在波浪水池中测量不同填充率（90%-100%）下的内力、六自由度浮体运动、囊袋摆动及内部水位变化。通过图像分析量化囊袋变形，结合频域分析分离零阶、一阶和二阶响应分量，验证数据可靠性后建立定性力学模型。

研究结果

1. 模型设计
   参考日本方形网箱设计，模型通过双层框架连接浮体与囊袋，四组载荷传感器实时监测垂向内力，消除结构干扰后获得囊袋净载荷。

2. 静水条件
   填充率≥98.3%时囊袋完全充盈，底部凹陷随填充率降低而加剧，静水内力与填充量呈非线性关系。

3. 动态响应

• 内力RAOs显示零阶分量主导（如波长λ=1.5m时占60%），二阶分量在长波中超越一阶。
• 浮体垂荡与纵摇运动随波长增大而增强，囊袋摆动幅度与填充率负相关。

1. 误差分析
   手工模型导致运动测量标准差≤15%，但内力趋势稳定，频域分析有效分离非线性效应。

2. 机理探讨
   零阶内力由囊袋内静水压力变化驱动，二阶内力与囊袋摆动惯性力相关，定性模型与实验数据吻合。

结论与意义
该研究突破CFFC囊袋载荷测量技术瓶颈，揭示非线性波浪响应的主导地位，为结构安全评估提供新指标。发现填充率对内力分布的调控作用，指导实际养殖中优化网箱配置。囊袋摆动与下沉的关联性为波浪能耗散机制研究开辟新视角。未来需结合数值模拟进一步验证多物理场耦合效应，推动CFFC在深远海养殖中的应用。