利用平滑粒子流体动力学方法研究半潜式水产养殖平台在水流中的流场分布特性

《Aquacultural Engineering》：Flow field distribution characteristic of semi-submersible aquacultural platform in currents using smoothed particle hydrodynamics method

本研究采用光滑粒子流体动力学（SPH）方法模拟半潜式养殖平台在潮流中的流场特性，验证了模型在刚性网与柔性网流场衰减及阻力分布的准确性，并发现柔性网可提升计算效率50%，平台框架承担约69%的流体载荷。

　　

作者：杨灿|平恩佳|白晓东|马刚|陈海龙|拉尔斯·约翰宁

哈尔滨工程大学烟台研究院，中国烟台264000

摘要

近年来，半潜式水产养殖平台受到了越来越多的关注。这种养殖平台由多个养殖池组成，这些养殖池之间用渔网隔开，而养殖池内的流场特性对鱼类福利和污染物扩散具有重要意义。本研究提出了一种基于无网格平滑粒子流体动力学（SPH）方法的数值模型，用于研究半潜式水产养殖平台在水流作用下的流场情况。该模型通过简化的球体和弹簧系统来表示渔网。对于刚性和柔性渔网，数值结果均通过与实验数据的对比得到了验证，表明所提出的方法是模拟渔网的可靠有效方法。平台的最大位移仅为0.009米，表明其变形可以忽略不计。在模拟中将柔性渔网替换为刚性渔网可以将计算效率提高约50%。数值结果显示，渔网显著降低了三个养殖池内的流速，上游养殖池的流速降低了64%，下游养殖池的流速降低了86%。文中详细讨论了这些养殖池内沿水平和垂直方向的流速变化。对各部件的阻力进行了评估，其中平台框架约占总流体载荷的69%，而渔网约占17%，因此在结构设计中不可忽视。所提出的SPH模型是模拟水产养殖平台中复杂流固耦合现象的强大工具。

引言

近年来，全球人口的持续增长导致对海产品的需求显著增加（Zhang等人，2023年）。为了满足对海洋蛋白质日益增长的需求，全球水产养殖业发展出了离岸养殖（Lader和Enerhaug，2005年；Chu等人，2020年）。与传统近岸养殖相比，深海养殖提供了更广阔的空间资源和更好的水质，为海洋产品的生长创造了更有利的条件（Zou等人，2023年；Zhang等人，2025年）。已经开发并应用了多种类型的深海水产养殖场，如浮动养殖场、半潜式养殖场和固定养殖场（Long等人，2023年；Wang等人，2024年）。半潜式水产养殖平台代表了海洋养殖发展的一个重要且充满前景的方向。这些结构具有多个关键优势，包括在开阔海域中的稳定性更强、养殖空间更大，以及能够通过与周围海水的自然交换来维持最佳水质。

了解半潜式养殖场的流体流动特性对于结构设计和鱼类福利至关重要（Xue等人，2023年）。近年来，半潜式养殖场的流体动力学行为得到了广泛研究（Fan等人，2023年）。Zhao等人（2019年）、Jin等人（2021年）和Miao等人（2021年）重点研究了养殖平台在波浪和水流中的运动响应，并简化了渔网分析中的阻力系数。Liu等人（2020年）和Ma等人（2022a）将势流理论的边界元方法与Morison方程结合，分析了平台在波浪中的动态响应。Bai等人（2025a，2025b）通过模型试验和势流-网板-集总质量的双时域模拟，研究了船形半潜式养殖场在规则波和不规则波中的运动和系泊力。Bi等人（2013年）和Zhao等人（2013a，2013b）通过实验和数值方法研究了渔网对流速的衰减和屏蔽效应。他们使用了Patursson等人（2010年）提出的多孔介质模型，并结合RANS方程来模拟渔网在流场中的特性，从而避免了CFD建模中的大规模网格划分。Zhao等人（2019年）和Liu等人（2021年；Liu，2024年）使用物理模型试验和数值模拟方法初步探讨了波浪周期和波浪高度对半潜式养殖场运动响应和系泊力的影响。Zhao等人（2021年）、Liu等人（2021年）和Yang等人（2022年）使用多孔介质结合刚性壁方法预测了养殖平台在均匀和非均匀流环境中的内部和周围流动。Martin等人（2021年）将计算流体动力学（CFD）与集总质量方法相结合，利用拉格朗日-欧拉方法计算了半潜式和浮动养殖场的流体动力学响应。最近，Wang等人（2026年）结合缩比模型试验和数值模拟，研究了半潜式养殖平台周围的流场，为不同来流速度和入射角度下的上游、内部和尾流区域的速度分布提供了平台规模的基准数据。

尽管已有关于半潜式养殖平台的物理模型试验和数值建模的研究报告，但对半潜式养殖场流场特性的研究仍然有限。传统的有限元分析和物理模型试验虽然相对准确，但由于网格生成困难、计算成本高以及模拟复杂边界条件的挑战（Tsukrov等人，2003年；Zhan等人，2006年；Chen等人，2024年），在处理复杂流体动力学问题时存在困难。势流理论在处理非线性问题和复杂边界条件时也存在困难，且无法准确捕捉流体粘度和湍流（Ishihara和Zhang，2019年；Ma等人，2022年；Reig等人，2023年）。计算流体动力学（CFD）方法可以模拟流体粘度和湍流，但在处理自由表面流动和大变形问题时仍面临挑战（Xu和Qin，2020年；Bakhtar等人，2025年）。为了克服这些限制，近年来无网格数值方法受到了越来越多的关注。Sun等人（2024年）采用平滑粒子流体动力学（SPH）方法研究了网屏的流动特性和阻力机制，并分析了网体刚度和结构参数对速度衰减和尾流结构的影响。最近，Shi等人（2024年）开发了一种基于SPH的数值框架，用于使用结-弹簧表示法结合DualSPHysics和MoorDyn来模拟柔性网板的流固耦合，并通过实验测量验证了该方法的有效性。这些研究展示了SPH在解决与网结构相关的复杂流动现象方面的能力。

相比之下，平滑粒子流体动力学（SPH）数值方法在计算半潜式养殖平台周围的流场特性和流体动力学响应方面具有明显优势。作为一种无网格的拉格朗日方法，SPH自然能够处理自由表面流动和大变形问题（Wang等人，2016年），避免了传统基于网格的方法中常见的网格变形和重新网格划分问题。它在处理复杂边界条件和多物理场耦合场景时特别有效，能够更好地捕捉流体非线性和复杂流动现象。此外，其计算效率和适应性使其非常适合处理复杂的几何形状和边界条件。因此，本研究引入了SPH作为一种多功能数值方法。本文采用了Domínguez等人（2019年）概述的开源程序DualSPHysics来评估半潜式养殖平台的流场分布特性。本研究的新颖之处在于直接在流体中建模半潜式养殖平台，这种直接建模方法实现了与流体动力学的无缝集成，使平台能够接收并响应流体作用，并修改速度场，而无需额外实现。

本研究提出了一个基于SPH的水产养殖平台模型，用于研究水流作用下的流场。在这项工作中，水流被隔离出来，以提供稳定的流体动力学载荷和内部流动衰减的基本基准，并便于与现有的仅考虑水流的实验进行直接比较。波浪和风引入了额外的耦合物理效应（例如，波浪-结构-网相互作用和非稳态组合载荷），这些将在后续工作中进行研究。通过将数值结果与实验结果进行比较，验证了刚性网和弹性网周围流场的拟合方法。比较了刚性/柔性网在水产养殖平台中的模拟结果，证明了计算精度和计算效率的提高。详细讨论了带有刚性网的半潜式平台模型周围的流速分布，以及网密度和阻力特性的影响。本文的结构如下：第2节介绍了水产养殖平台的数值方法和实验验证；第3节展示了不同条件下的半潜式平台流速分布；第4节总结了本研究的结果。

节选内容

数值方法

半潜式水产养殖平台由刚性框架、桁架和网（柔性或刚性）组成，并在模型中进行模拟。模型中同时考虑了刚性和柔性网。柔性网通过DualSPHysics和MoorDyn+与浮动部件和动态连接线耦合。本研究基于中国的“东海1号”养殖平台，如图1所示。

平滑粒子流体动力学（SPH）是一种完全拉格朗日和无网格的方法，广泛应用于

刚性或柔性网对流场的影响

本节研究了网弹性对半潜式养殖平台周围流场的影响。为了直观观察平台周围的流场特性，选择了图13中所示的几个不同点和切片。在0.353米/秒的水流条件下，比较了刚性网和柔性网（S_n=0.33）在x方向和z方向上的结果。图14(a)、(b)和(c)展示了相应的速度剖面

结论

本研究开发了基于SPH的半潜式水产养殖平台模型，用于研究水流作用下的流场特性。所提出的模型通过简化的球体-弹簧系统来表示渔网，为分析流体与渔网的相互作用提供了可靠有效的工具。研究了不同条件下养殖平台的流场特性和阻力。主要成果

未引用的参考文献

(Ma等人，2022b；Xu等人，2024)

CRediT作者贡献声明

马刚：监督、软件、资源、项目管理、方法论、研究、资金获取。白晓东：写作 – 审稿与编辑、可视化、监督、资源、资金获取、正式分析。拉尔斯·约翰宁：写作 – 审稿与编辑、可视化、监督、资源、项目管理、资金获取。陈海龙：可视化、软件、资源、方法论、研究、资金获取。平恩佳：写作 – 初稿

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

致谢

本文得到了中国国家自然科学基金（项目编号52101326、52101306、52471279、U24B2090）；山东省自然科学基金（项目编号ZR2021QE121和2025CXPT048）；中国国家重点研发计划（项目编号2024YFB4205400）；英国文化协会（BRI JOINT项目）和EPSRC ResIn项目（EP/R007519/1）的支持；以及船舶CAE软件的研发和应用项目。特别感谢匿名