波浪载荷下不同网具配置的海底固定式养殖平台波能衰减性能研究

《Ocean Engineering》：Experimental and numerical studies of a bottom-fixed aquaculture platform with different net configurations under wave loading

本文针对深远海养殖设施在波浪环境中面临的结构稳定性和波能衰减问题，研究人员通过实验与数值模拟相结合的方法，系统研究了海底固定式养殖网箱在不同网具配置下的水动力性能。研究采用多孔介质模型模拟网衣的水动力效应，分析了网衣层数、实积率（Sn）、内外层网差异化布置及吃水深度对波浪传播的影响。结果表明，双层网结构比单层网能更有效地衰减波浪；网具实积率及高密度网层的布置位置对波高衰减有显著影响；适中的吃水深度（1.1-1.3 m）能实现最佳的波能衰减效果。该研究为优化高能海况下养殖网箱的水动力设计提供了重要参考。

　　

随着全球对海洋蛋白质需求的增长以及近海养殖容量的限制，深远海养殖技术近年来受到学术界和工业界的广泛关注。野生渔业资源因过度捕捞和环境恶化而持续衰退，促使许多国家从捕捞渔业转向水产养殖。尽管近海养殖在过去占据主导地位，但目前却受到空间有限、环境污染和生态退化等因素的显著制约。因此，发展外海养殖系统，特别是能够在高能量海洋环境中运行的渔业装备，因其缓解近海压力和扩大可持续大规模生产的潜力而受到广泛研究。与受庇护的近海设施相比，外海养殖系统暴露于更严峻的水动力载荷之下，包括大浪、强流和复杂的流场。这些力常常导致网衣结构发生大变形，并产生不稳定的内部流场，给养殖网箱的设计和运营带来了新的工程挑战。为了适应恶劣的环境条件，如强浪、强流和极端天气，养殖基础设施已从简单的浮式网箱发展为更坚固的工程平台。其中，海底固定式网箱通常用于中等或浅水区域，通常能提供更大的稳定性和对抗极端波浪载荷的能力，使其成为高能波浪环境的理想选择。

为了深入理解波浪与养殖网箱的相互作用机制，并为优化设计提供依据，研究人员在《Ocean Engineering》上发表了一项结合实验与数值模拟的研究。该研究旨在通过耦合的数值-实验分析，量化海底固定式网箱系统中的波能衰减机制，为在极端外海环境中增强水动力稳定性提供设计指南。

研究人员开展此项研究主要运用了几个关键技术方法。他们首先在波浪水槽中进行了缩尺比为1:20的物理模型实验，测量了网箱周围不同位置的波高。随后，基于雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程，结合Realizable k-ε湍流模型和流体体积（VOF）法来追踪自由液面，建立了一个三维数值波浪水槽。其中，网衣结构通过多孔介质模型进行简化，通过引入经验性的拖曳力系数和惯性阻力系数来模拟其水动力效应。该数值模型通过物理实验数据进行了验证，确保了其准确性。研究分析了不同网具配置（单层/双层网）、不同网衣实积率（S_n= 0.13, 0.20, 0.317）、内外层网差异化实积率组合以及不同吃水深度（1.0 m 至 1.4 m）等多种工况下的波浪传播特性，并通过波高透射系数（K = H_t/H₀）来定量评估波能衰减效果。

4.1. 双层网的影响

研究人员比较了无网、单层侧网和双层侧网三种配置在不同实积率下的波高透射系数。结果表明，引入第二层网衣增强了波浪耗散。在相同实积率水平下，双层网配置在所有监测点均 consistently 产生更低的透射系数。例如，在实积率为0.317时，双层网在监测点#7的透射系数（K = 0.893）明显低于单层网（K = 0.898）和无网情况（K = 0.903）。这表明双层网衣叠加的阻力增强了局部流动扰动，对波浪传播产生了更明显的阻滞效应。

4.2. 网衣实积率的影响

研究系统考察了实积率对双层网配置波能衰减的影响。结果显示，增加实积率能显著增强波能衰减。当实积率从0.13增加到0.317时，各监测点的透射系数下降幅度不超过20%。特别值得注意的是，实积率从0.20增加到0.317所带来的衰减效果提升，明显大于从0.13增加到0.20的情况，证实了更高的网衣密度会导致不成比例地更高的波浪耗散。

4.3. 内外层网差异化实积率的影响

为了探究内外层网衣的相对作用，研究人员构建了内外层具有不同实积率组合的网箱模型。研究发现，将高实积率网衣布置在外层（即迎浪侧）能产生相对更好的衰减性能。其物理机制在于，高实积率的外层网能更早地拦截和耗散入射波的能量，而当高实积率网衣置于内层时，更多的波能会进入两层网之间的间隙，在受限区域内产生更强的耗散，但整体衰减模式有所不同。结果表明，波能衰减在高层网布置在更靠近入射波的位置时更有效。

4.4. 吃水深度的影响

研究还评估了吃水深度（即网箱底部至水面的垂直距离）对波能衰减的影响。结果表明，吃水深度的影响是显著但非单调的。在相同的网衣参数下，中等吃水深度（1.1 m 至 1.3 m）在多个监测点 consistently 表现出较低的透射系数，表明其波能消散效果更佳。例如，吃水为1.3 m时，监测点#3的透射系数（K = 0.898）低于吃水为1.0 m（K = 0.947）和1.4 m（K = 0.94）的情况。而过大的吃水深度（如1.4 m）可能会改变结构元件与表面波之间的有效相互作用，从而削弱整体衰减性能。这表明在工程设计中应谨慎选择最佳吃水深度，以平衡结构稳定性和波能消散性能。

综上所述，该研究通过详尽的实验和数值分析表明，采用双层侧网、适当提高网衣实积率（特别是将高实积率网衣置于外层）、以及选择适中的吃水深度，能够有效增强海底固定式养殖网箱的波能衰减性能。这些发现为在波浪暴露区域部署的网箱的水动力优化提供了具体的、可行的设计思路和参考依据。研究结论强调，通过精心设计侧网层组和调整网衣实积率，是控制波浪传播和衰减的相对可行的途径。尽管该研究存在一些局限性，如未考虑网衣的柔性变形、仅关注规则波等，但其建立的数值模型的有效性以及所揭示的规律，为后续更复杂环境条件下的研究奠定了基础，对推动深远海养殖装备的技术进步具有重要意义。