[發明專利]一種深海養殖網箱群組水動力響應數值模擬方法

無效

• 申請號: 201110317696.7
• 申請日: 2011-10-18
• 公開（公告）號: CN102368279A
• 公開（公告）日: 2012-03-07
• 發明（設計）人: 趙云鵬;董國海;許條建
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 李洪福

1.一種深海養殖網箱群組水動力分析的數值模擬方法，其特征在于：包括以下步驟：

A、建立浮架(3)模型

浮架(3)包括兩個同心圓環形浮管、扶手和連接構件，浮架(3)一般漂浮于水面之上，兩個浮管是主要的受力構件；為了分析浮架(3)的受力，浮架(3)被簡化成兩個浮管；

為了計算作用于浮管的外力，浮管被分成許多的微段；局部坐標系n-τ-v固定于每一個浮管微段，n軸和τ軸分別為微段的法向和切向，v軸垂直于微段所在的平面；整個浮管受到的外力可以通過每一個微段上的外力求和得到；

因為浮管的管徑遠小于波浪的波長，采用修正的莫里森公式計算作用于浮管微段上的波浪力，該公式考慮了波浪與浮管微段之間的相對運動，表示如下：

Fn=12CDnρAn|u→n-R·→n|·(u→n-R·→n)+ρV0a→n+CmmρV0(a→n-R··→n)]]>

Fτ=12CDτρAτ|u→τ-R·→τ|·(u→τ-R·→τ)+ρV0a→τ+CmτρV0(a→τ-R··→τ)---(1)]]>

Fv=12CDvρAv|u→v-R·→v|·(u→v-R·→v)+ρV0a→v+CmvρV0(a→v-R··→v)]]>

其中，F_n、F_τ和F_v分別表示波浪力在n、τ和v方向上的分量；和分別表示水質點在n、τ和v方向上的速度分量；和分別表示浮管微段在n、τ和v方向上的速度分量；和分別表示水質點在n、τ和v方向上的加速度分量；和分別表示浮管微段在n、τ和v方向上的加速度分量；ρ是水的密度；V₀是浮管微段排開水的體積；A_n、A_τ和A_v分別是浮管微段在n、τ和v方向上的投影面積；C_Dn、C_Dτ和C_Dv分別是n、τ和v方向上的拖曳力系數；C_mn、C_mτ和C_mv分別是n、τ和v方向上的附加質量系數；

浮管被視為剛體，用六個自由度來描述浮管的運動，縱蕩、橫蕩和升沉用來描述三個平動，縱搖、橫搖和回轉用來描述三個轉動；為了建立浮管的運動方程，定義了兩套坐標系；整體坐標系Oxyz以及局部坐標系Gabc；根據牛頓第二定律，在整體坐標系下，三個平動方程為：

x··G=1mGΣi=1NFxi,]]>y··G=1mGΣi=1NFyi,]]>z··G=1mGΣi=1NFzi---(2)]]>

其中，和是作用于浮架(3)微段上的外力分量，和是浮架(3)中心的加速度，N是浮管微段數，m_G表示浮管的質量；

用歐拉方程來描述三個轉動方程，在局部坐標系下，三個轉動方程如下：

Ia∂ωa∂t+(Ic-Ib)ωcωb=Ma,Ib∂ωb∂t+(Ia-Ic)ωaωc=Mb]]>(3)

Ic∂ωc∂t+(Ib-Ia)ωaωb=Mc]]>

其中，下標a、b和c分別表示局部坐標系下的坐標軸a、b和c，I_a、I_b和I_c分別表示慣量沿三個坐標軸的分量，ω_a、ω_b和ω_c分別表示轉動角速度的三個分量，M_a、M_b和M_c分別表示力矩的三個分量；

B、建立網衣(4)模型

采用集中質點法建立網衣(4)的模型，網衣(4)假定由無質量的彈簧連接的質點組成，質點位于每一個網目目腳的中間點和端點；根據牛頓第二定律，網衣(4)質點的運動方程為：

MR··→=M∂2R→∂t2=F→D+F→I+T→+B→+W→---(4)]]>

其中，和分別是拖曳力和慣性力，是質點的加速度，是網目目腳張力，是浮力，是重力，M是質點的質量；

C、建立錨繩(1)模型

錨繩(1)被簡化成一系列的單元和質點，假定錨繩(1)單元為圓柱體，局部坐標系τ-η-ξ定義在每一個錨繩(1)單元上，η軸位于τ軸和水質點速度所在的平面內，單元中點處的水質點速度分解成τ和η分量，因此，作用于每一個單元上的外力也被分解成τ和η分量；在整體坐標系下，局部坐標系τ-η-ξ軸的單位向量分別表示為e_τ＝(x_τ，y_τ，z_τ)，e_η＝(x_η，y_η，z_η)和e_ξ＝(x_ξ，y_ξ，z_ξ)；

作用于錨繩(1)單元上的外力表示為：

Fτ=-12ρCdτDl|τ·-eτ·V|(τ·-eτ·V)+ρ∀a→τ+Cmτρ∀(a→τ-eτ·V·)]]>

Fη=-12ρCdηDl|η·-eη·V|(η·-eη·V)+ρ∀a→η+Cmηρ∀(a→η-eη·V·)---(5)]]>

Fξ=-12ρCdξDl|ξ·-eξ·V|(ξ·-eξ·V)+ρ∀a→ξ+Cmξρ∀(a→ξ-eξ·V·)]]>

其中，F_τ、F_η和F_ξ表示作用于錨繩(1)單元的波浪力，C_Dτ、C_Dη和C_Dξ表示拖曳力系數，D是錨繩(1)直徑，l是錨繩(1)單元的長度，和表示質點的速度分量，和表示質點的加速度分量；

其中，水動力系數采用下式計算：

CDn=0.0(Ren≤0.1)0.45+5.93(Ren)0.33(0.1<Ren≤400)1.27(400<Ren≤105)0.3(Ren>105)---(6)]]>

CDτ=1.88(Ren)0.74(0.1<Reτ≤100.55)0.062(Reτ>100.55)---(7)]]>

其中，Re_n＝ρ|V_Rn|D/μ，μ是水的粘性系數；

計算了錨繩(1)單元上的外力之后，將外力均勻的分布到與之相鄰的質點上，錨繩(1)質點的運動方程表示如下：

miai=Σj=1count(Tj+Wj+Bj+Fj)---(8)]]>

其中，下標i表示質點編號，下標j表示與質點相鄰的單元編號，count表示與質點相鄰的單元數；

D、建立浮球(2)模型

浮球(2)漂浮在水面之上，受到波浪力的作用，作用于浮球(2)上的波浪力采用下式計算：

F→B=F→D+F→I=12ρCDAV→RB|V→RB|2+ρ∀BCm∂V→RB∂t+ρ∀B∂V→B∂t---(9)]]>

其中，C_D為拖曳力系數，C_m為浮架(3)質量系數，A是浮球(2)在水質點速度方向上的投影面積，是浮球(2)的入水體積；拖曳力是雷諾數Re的函數，查表1可以得到拖曳力系數取值，表中未列出的數值采用線性插值得到：

表1浮球(2)的拖曳力系數

(x_B，y_B，z_B)為浮球(2)中心的坐標，浮球(2)入水深度為：

Δh＝η(x，y，t)-(z_B(t)-r)????(10)

其中，η是(x_B，y_B，z_B)處的波面，能夠通過線性波浪理論獲得，r是浮球(2)的半徑；

浮球(2)的投影面積計算如下：

Ax=Ay=π4D2(Δh≥D)18D2(θ-sinθ)(D/2<Δh≤D)π4D2-18D2(θ-sinθ)(0<Δh≤D/2)0(Δh<0)---(11)]]>

Az=π4D2(Δh≥D/2)π((D2)2-(D2-Δh)2)(0<Δh≤D/2)0(Δh<0)---(12)]]>

其中，D是浮球(2)半徑，θ是浮球(2)與水面相交的弦對應的中心角，通過下式可得

θ=2cos-1(D/2-ΔhD/2)---(13)]]>

E、運動微分方程求解

上述方程(2)、(3)、(4)和(8)構成了個網箱群組的運動微分方程組，采用Runge-Kutta-Vener六階數值方法求解該運動微分方程組，從而得到整個網箱群組結構在每一時刻的運動響應以及錨繩(1)受力情況。