《Ocean Engineering》：Numerical investigation of waste collection behavior in octagonal aquaculture tanks of deep-sea aquaculture vessels under multi-degree-of-freedom excitations
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•本研究系统量化了横摇、垂荡及横摇 - 垂荡耦合激励对废物收集的影响。•阐明了在不同晃动周期和振幅下的水动力特性及流场响应。•识别了八角形养殖舱中控制废物收集的关键水动力因素。引言目前，主流深远海养殖设施包括海洋网箱、深远海养殖平台和深远海养殖工船（Chen et al.,
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本研究系统量化了横摇、垂荡及横摇 - 垂荡耦合激励对废物收集的影响。
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阐明了在不同晃动周期和振幅下的水动力特性及流场响应。
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识别了八角形养殖舱中控制废物收集的关键水动力因素。
引言
目前，主流深远海养殖设施包括海洋网箱、深远海养殖平台和深远海养殖工船（Chen et al., 2026）。得益于其优越的机动性，深远海养殖工船能够主动规避海洋灾害。因此，它们已成为深远海养殖设备的重要发展方向（Li et al., 2022; Yu et al., 2023）。近年来，深远海养殖工船的工业化进程稳步推进。基于养殖舱结构和水交换特性，正式运营的船只分为两类。第一类是封闭式深远海养殖工船，典型代表为“国信 1 号”、“国信 1 号 2-1"、“国信 1 号 2-2"和“苏海 1 号”；第二类是敞水式养殖工船，代表为“深海先锋号”和“湛江湾 1 号”（图 1a）。每种船只各有优势。敞水式养殖工船能够复现自然深海栖息地特征，并为养殖物种提供与野生鱼类高度相似的生长环境；然而，在船体运动激励与随机波浪 - 洋流扰动的耦合效应下，其养殖舱内的内部流场结构更为复杂（Xue et al., 2024）。相比之下，封闭式养殖工船结合了陆基循环水养殖系统（RAS）与现代海洋工程技术。由于养殖舱与周围海水物理隔离，内部流场可控性显著提高。此外，得益于 RAS 的工艺优势，封闭式船只能够精确调节水质参数并进行稳定的养殖操作。它们还能有效阻断病原体的传播途径（Dong et al., 2023; Brown et al., 2025）。
值得注意的是，为了最大化船载养殖空间利用率，封闭式深远海养殖工船通常以高于陆基循环水系统 3-5 倍的养殖密度运行。因此，未食饵料和鱼粪便等废物颗粒容易悬浮在水柱中并积聚在养殖舱底部。如果这些废物颗粒不能及时清除，它们将逐渐分解并释放有害物质（Jie et al., 2026）。因此，研究这一问题具有重要的工程意义。
具体而言，专门针对封闭式深远海养殖工船内部水动力特性的研究大约在 2020 年出现。受限于当时缺乏运营中的实尺船只，早期研究依赖于概念设计，证实了单自由度激励（如横摇或纵摇）可以增强内部流速（Cui et al., 2020; Gao et al., 2020）。在第一艘实尺船只“国信 1 号”正式投运后，Wang 等人（2022）验证了此类封闭系统的整体水动力可行性。由于早期数值评估缺乏经验数据支持，后续研究开始纳入实际晃动海况。例如，Qin 等人（2023）集成了现场测量的晃动参数，并揭示中等强度激励可以改变中心垂向流速，从而促进颗粒沉降。Li 等人（2024）通过利用六自由度物理平台进一步推动了该领域的发展，阐明了实测晃动条件下废物收集性能的变化。然而，尽管取得了这些进展，文献中仍然严重缺乏对多自由度耦合激励如何系统调节内部流态的全面理解。尽管 Zu 等人（2026）最近探讨了横摇 - 垂荡耦合运动对废物收集效率的影响，但其宏观分析方法不足以解决复杂的多尺度流场动力学问题（图 1b）。
养殖舱是一个三维容器，不同的激励参数会产生不同的水动力特性。此外，由于深远海养殖工船是一种运营设施，其经济效益是不可避免需要考虑的因素。鱼类栖息在养殖舱中，舱内的水动力特性显著影响鱼类福利。因此，本研究以各种晃动激励条件下的废物收集性能为核心焦点，建立了一个耦合 CFD-DEM 数值模拟框架。在单一横摇激励、单一垂荡激励以及横摇 - 垂荡耦合激励下，研究了不同晃动周期、横摇振幅和垂荡振幅对废物收集效率的影响。除了分析废物收集性能的变化模式外，本研究还严格检查了与废物收集相关的水动力特性，并通过定量与定性分析相结合的方法，研究了它们在不同激励条件下的作用机制，并评估这些机制是否保持有效。结果有望为进水系统和系泊链的设计提供数据支持。
章节片段
养殖舱模型
封闭式深远海养殖工船代表了海上养殖的新兴工程平台，其中 3000 吨级的“国信 101 号”作为代表性中间测试船只，拥有系泊状态下的实尺运动响应数据记录（Qin et al., 2023）。此类船只采用的八边形舱构型平衡了体积空间利用率和流场均匀性，使其成为船载循环水养殖系统的一种有前景的设计。
网格独立性验证
在本研究中，使用网格收敛指数（GCI）方法验证了网格独立性（Celik et al., 2008），为此生成了三个具有不同单元尺寸的修剪网格，每个网格均在进出口周围具有局部加密。总单元数量分别为 88,904（粗）、284,790（中）和 1,087,620（细），如图 4 所示。
一旦在三个网格上应用了相同的初始和边界条件并且流场稳定后，监测处的流速
横摇激励对八角形养殖舱内废物收集水动力特性的影响
在单一横摇激励下，以静止状态为参考，废物收集时间以 300 秒收集持续时间作为性能指标进行定量评估。如图 8 所示，当θ固定为 1°或 3°时，养殖舱内的废物收集性能随周期 T 的增加而降低。当θ = 5°且 T 从 4 s 增加到 6 s 时，T = 4 s 条件下仅需 153 s 即可排出所有颗粒，而 T 的废物收集时间
结论
本研究重点关注深远海养殖工船在实际系泊操作过程中常见的典型晃动条件。使用 STAR-CCM+ 模拟平台建立了八边形养殖舱的数值模型。通过对数值模拟结果的分析，揭示了不同激励参数对养殖舱废物收集性能的影响规律如下：
CRediT 作者贡献声明
程浩然：写作 - 审查与编辑，写作 - 原稿，调查，形式分析，数据整理。冯德军：验证，形式分析，数据整理。吴彦飞：验证，软件。吴连辉：软件，数据整理，概念化。胡家军：形式分析，数据整理，概念化。祖付志：可视化。陈宏周：方法论，形式分析。桂福坤：形式分析，概念化。曲晓宇：写作 - 审查与编辑，监督，
资助项目
国家自然科学基金项目（32273189, 31902425, 42376205）。
竞争利益声明
作者声明，他们没有已知可能影响本论文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
这项工作得到了国家自然科学基金项目（32273189, 31902425, 42376205）资助的支持。
程浩然 | 冯德军 | 吴彦飞 | 吴连辉 | 胡家军 | 祖付志 | 陈宏周 | 桂福坤 | 曲晓宇
