桁架式水产养殖船舶运动响应的数值评估

《Ocean Engineering》：Numerical evaluation of the motion response of a truss-type aquaculture vessel

　　

翻译摘要：针对一种桁架式水产养殖船舶，研究人员开展了运动响应与系泊特性的数值评估研究。通过频域分析获得了水动力系数，以探究网衣与底板对运动响应的影响机理。结果表明，在低频波浪条件下，运动幅值更为显著；网衣的存在会增大垂荡、纵摇与横摇响应，而底板结构虽能降低纵摇响应，却会使垂荡运动加剧。此外，网衣会放大横荡与横摇运动，并增大系泊力；吃水增加会增强横荡响应，但同时抑制垂荡响应；水深增大则导致纵荡响应增强、纵摇响应减弱，并使系泊力降低。本研究为桁架式养殖船舶的耐波性能优化与系泊系统设计提供了数值参考依据。

# 桁架式水产养殖船舶运动响应与系泊特性数值研究解读

## 一、研究背景与意义

随着全球人口快速增长，陆地农业资源面临的压力日益增大，蛋白质供应短缺问题促使人类寻求新型可持续的食物生产系统。海洋环境被视为大规模蛋白质生产的重要前沿领域，深海养殖作为替代方案受到广泛关注。然而，深海区域恶劣的海洋环境，包括高波浪载荷、不稳定海流和极端天气条件，给养殖装备带来了巨大挑战。传统的近岸网箱由于结构强度有限，在复杂的离岸条件下容易发生损伤。为此，具有更高结构强度和可靠养殖性能的桁架式养殖船舶应运而生。这类装备将大型桁架平台与多向网衣相结合，构成封闭式养殖舱室，能够提供更大且更可控的养殖空间。然而，与传统的网箱或浮式平台不同，桁架式养殖船舶是由船型框架和多个封闭网舱组成的复合结构，其刚性板架、细长桁架构件与柔性网衣共存，引入了更为复杂的流固耦合问题。目前针对这种兼具板架与桁架结构的养殖船舶水动力特性研究仍不充分，特别是网衣与底板对运动响应的影响，以及吃水与环境水深对系泊特性的作用机制尚未得到系统阐明。

## 二、研究内容与方法概述

本研究以“德海1号”为原型，在统一数值框架内对复合桁架式养殖船舶开展系统水动力与系泊评估。大型板架结构采用基于三维势流理论的ANSYS AQWA面板法进行建模，细长桁架构件与群化网衣则采用莫里森方程单元表示。研究首先通过自由衰减试验与横浪条件下的幅值响应算子数据验证了数值模型的准确性，随后开展频域分析量化网衣与不同底板配置对运动响应的影响，并通过时域单点系泊分析评估网衣、吃水及水深在风浪流联合作用下的影响。数值模型的网格无关性验证表明，中等网格方案能够在计算效率与精度之间取得良好平衡。

研究人员运用的主要关键技术方法包括：基于势流理论的面元法（Panel Method）用以计算大型浮体结构的波浪载荷；莫里森方程用于计算细长构件与网衣的粘性惯性载荷；网目群化方法将大量细小网线等效为具有一定间距和直径的莫里森单元，以降低计算成本；集总质量法模拟系泊链的动力响应；频域分析用于获得水动力系数与幅值响应算子；时域分析用于评估在风浪流联合作用下的运动响应与系泊力。其中，物理模型试验在武汉理工大学拖曳水池完成，模型缩尺比为1：36.52，采用3D打印技术制作，通过配置压载调整质量属性以满足弗劳德相似准则。

## 三、频域分析主要结果

**3.1 水动力系数与波浪力特性**：研究分析了附加质量与辐射阻尼随波频的变化规律。纵荡、横荡与艏摇方向的附加质量对波频变化较为敏感，其峰值分别出现在0.15 Hz、0.25 Hz和0.23 Hz附近，而归属于垂向运动的垂荡与纵摇附加质量则在高于0.2 Hz后趋于稳定。辐射阻尼的分析显示，纵荡、横荡与艏摇存在三个明显峰值，而横摇方向的辐射阻尼变化最小。一阶波浪力在不同浪向下的分析表明，纵荡与纵摇在迎浪与随浪条件下受力最大，而横荡、横摇与艏摇则在斜浪与横浪条件下占主导。纵荡与纵摇的二阶波浪力在中高频率范围内表现出较强的高频响应特征，垂荡和横摇则对中低频更为敏感。

**3.2 幅值响应算子特性**：无系泊自由浮态下的幅值响应算子计算表明，纵荡与横荡响应均随波频增大而迅速减小，最大纵荡响应6.82 m/m出现在0°与180°浪向，最大横荡响应6.91 m/m出现在90°浪向。垂荡幅值响应算子在低频段呈现递减—增大—再递减的变化规律，纵摇与横摇响应均先增大后减小，峰值出现在0.1–0.2 Hz频带内。艏摇响应在所有浪向下均较小，最大值低于0.75°/m。整体而言，低频波浪条件下的运动幅值更为显著，反映了长波对大型浮体结构作用的增强效应。

**3.3 网衣与底板的影响**：通过建立有无网衣以及不同底板配置的对比模型，研究发现网衣对纵荡和艏摇的影响可忽略，但会显著增大垂荡、纵摇与横摇响应，其中以纵摇增幅最为显著。底板配置方面，在90°浪向下，仅安装中央底板可降低横摇响应，而其他配置均会增大横摇。底板安装总体上能降低纵摇响应但增大垂荡响应，其中同时安装中央与侧向底板的配置对纵摇的抑制效果最佳。底板对纵摇与垂荡产生相反影响的原因在于其增大了底部水平润湿面积，对垂荡运动的正向激励增强，而沿纵向分布的底部压力则增大了对转动的流体动力阻力，部分抵消了纵摇激励。

## 四、时域系泊特性分析

**4.1 单点系泊系统响应**：研究构建了基于单锚链系的单点系泊系统，采用AM3有档锚链，直径84 mm，总长100 m。结合南海万山海域15年一遇台风条件的代表环境参数，设置了四组风浪流方向组合工况。研究表明，当风浪流方向一致时，船舶艏摇角维持在-0.21°左右，运动响应幅值较小，但系泊力达到最大值2133.57 kN。当海流方向与风浪方向不一致时，船舶产生显著的水平旋转，平均艏摇角可达-63.76°，纵荡位移均值增大至62.67 m，但系泊力反而比方向一致工况减小52.4%。海流方向的改变对船舶水平转动的影响尤为显著，当海流方向从90°调整至135°时，平均艏摇角减小约48.4%。

**4.2 网衣与吃水、水深的影响**：有无网衣对比分析表明，网衣的安装增大了艏摇、纵荡、横荡与横摇的运动幅值，特别是在斜向环境载荷工况下尤为明显。网衣的存在增加了整体水动力载荷并导致系泊力增大，最大可达无网衣工况的1.35倍。网衣对垂荡的影响随工况变化，而纵摇幅值通常被抑制，最大降幅约40%，这主要归因于水下网衣引入的附加水动力阻尼。吃水变化分析显示了垂荡响应的显著抑制效果，当吃水从2.4 m增至6.5 m时，典型工况下最大垂荡响应降低38%，而纵荡与横荡响应随吃水增加而增大。水深的影响则表现为系泊力的持续下降，从15 m增至30 m时，各工况下最大系泊力降幅介于22%至34%之间。

## 五、结论与研究展望

研究人员总结指出，基于势流理论的数值方法可靠性已通过试验对比得到验证。网衣对纵荡、横荡与艏摇影响有限，但增大垂荡、纵摇与横摇幅值；底板配置可降低纵摇但增大垂荡，仅中央底板配置可减小横摇。在时域分析中，环境载荷方向一致时船舶运动较小但系泊力最大；方向不一致时运动响应增大而系泊力降低。网衣增大了多个自由度的运动响应及系泊力，吃水增加强化了水平面运动但抑制垂荡，水深增大则使纵荡增强而纵摇减弱。

当前验证工作主要基于自由衰减试验与横浪条件下的幅值响应算子对比，风浪流联合条件下的耦合时域模型仍有待进一步开展试验与实海域验证。网衣在建模中被简化为等效单元而未考虑其局部变形，而实际中柔性网衣的变形可能改变有效投影面积与局部入流角度，进而影响粘性载荷与阻尼贡献，这可能导致运动与系泊力的预测偏差。未来工作将着眼于发展可变形网衣结构的流固耦合模型，并在更多浪向条件下开展验证研究。本研究的成果可为桁架式养殖船舶的优化设计与系泊系统选型提供参考依据。