养殖工船鱼舱流速特性的实船试验研究.pdf

第 38 卷第 3 期大大 连连 海海 洋洋 大大 学学 学学 报报Vol.38 No.32 0 2 3 年 6 月JOURNAL OF DALIAN OCEAN UNIVERSITYJune 2 0 2 3DOI:10.16535/ki.dlhyxb.2022-223文章编号:2095-1388(2023)03-0524-09养殖工船鱼舱流速特性的实船试验研究秦康1,2,崔铭超1,3,刘晃1,3,张成林1,3(1.中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所,上海 200092;2.大连海洋大学 航海与船舶工程学院,辽宁 大连 116023;3.青岛海洋科学与技术试点国家实验室深蓝渔业工程联合实验室,山东 青岛 266237)摘要:为掌握横摇运动对船载鱼舱流速特性的影响,采用实船试验,对养殖工船横摇运动下鱼舱流速特性进行研究,并分析其适渔性。结果表明:小幅横摇工况(横摇角度幅值在 1以内)下可仅考虑进水射流,忽略横摇运动对舱内水平流速的影响,但大幅横摇工况(横摇角度幅值在 5以上)下,相对于进水射流,横摇运动对舱内水平流速的影响更明显;横摇周期一定时,随着横摇角度幅值的增大,舱内水平流速增大,最大水平流速的位置向舱中部偏移,小幅横摇工况(横摇角度幅值在 1以内)下,舱中央区域的垂向流速方向整体呈向上趋势,近舱壁区域的垂向流速方向整体呈向下;横摇周期一定时,随着横摇角度幅值的增大,舱中央处向上的垂向流速区域缩小,向上的最大垂向流速降低,这一变化会促进舱中央区域内生物固体的沉降,更有利于集排污。研究表明,对于锚泊状态下的养殖工船,当横摇角度幅值在 5以内时鱼舱流速适合 1 龄以上大黄鱼(Larimichthys crocea)的养殖。关键词:水产养殖;养殖工船;横摇;流速;适渔性中图分类号:S 951.2 文献标志码:A 随着物质生活水平的不断提高,人们对优质水产品的需求与日俱增,陆基与近海养殖存在的环境污染和养殖规模等问题日益凸显1,发展以游弋式养殖工船为代表的深远海养殖已成为中国海洋产业发展的新方向之一2。自 20 世纪 70 年代末,“未来海洋农牧场”的初步设想、大型养殖工船的系统研究3-4及深远海养殖平台的总体技术研究5逐步开展,养殖工船鱼舱环境的适渔性问题被提出6。养殖工船在深远海水域开展水产养殖作业时,受风浪流作用往往会引起船舶的横摇和垂荡等运动,从而不可避免地会发生鱼舱晃荡现象;鱼舱作为鱼类的生活场所,其大幅晃荡可引起舱内流速急剧变化,使养殖鱼类失去游泳能力7-8,并对其摄食和生长等造成不利影响9,直接影响养殖工船的经济效益。因此,研究晃荡鱼舱内流速特性对优化鱼舱结构和发展工船养殖具有重要意义。相较于陆基养殖的进出水推流,养殖工船鱼舱水环境受进出水推流与鱼舱晃荡共同作用。目前,关于鱼池养殖环境流速的研究主要集中在陆基养殖10-12。Labatut 等13研究发现,排水速率(池底中心排水)对养殖池内流速大小和均匀性无显著影响,进水喷嘴射流对养殖池内流速大小有显著性影响,但对流速均匀性无显著性影响,流速大小几乎随喷嘴直径和射流速度呈线性变化。然而,Gorle 等12则认为,采用带有径向分量的进水射流可以改善养殖池内流速的均匀性。面向深远海的养殖工船,外界环境激励下的鱼舱晃荡和进水射流均是其不可忽略的影响因素,其鱼舱内流速特性是鱼舱适渔性的重要判据。在船舶与海洋工程领域,目前有关液舱晃荡问题的研究多集中在液舱晃荡下舱壁载荷和船体运动等安全性问题上14-16,而有关液舱晃荡下舱内流速的统计特性鲜有报道。近期,Guo 等17和 Cui 等18针对养殖工船鱼舱适渔性问题开展了鱼舱水环境适渔性的数值研究,采用概率统计方法分析了鱼舱内流速分布和滞留时间等特性。Li 等19提出了鱼舱内适渔性保证率,并通过其研究分析了鱼舱水流环境的适渔性。目前,养殖工船鱼舱内流速特性的试验研究尚未见报道。本研究中,采用实船试验对 3 000 t 级养殖工船横摇运动下鱼舱内的流速特性进行了研究,重点 收稿日期:2022-07-18 基金项目:青岛海洋科学与技术试点国家实验室问海计划(2021WHZZB1301);工业和信息化部高技术船舶科研项目(工信部装函2019 360 号)作者简介:秦康(1995),男,硕士研究生。E-mail:302620883 通信作者:刘晃(1973),男,研究员。E-mail:liuhuang 分析了不同试验工况下横摇运动特征参数对舱内流速的影响,以期为船载鱼舱流速适渔性问题的研究提供实证试验数据。1 材料与方法1.1 试验系统试验在 3 000 t 级养殖工船“国信 101”号(以下简称“工船”)的鱼舱内进行,船全长为93.0 m,型宽为 16.6 m,型深为 6.6 m,设计吃水为 4.6 m。工船 鱼 舱 长 为 8.8 m,宽 为 7.8 m,高 为5.2 m,舱内共布置了 16 个进水口,1 个出水口;进水口分别位于 A1、A2、A3、A4 四处,进水方向如图 1(a)所示,出水口位于舱中央底部位置。A1 A4 四处,每个位置垂向布置 4 个进水口,相邻两进水口间的距离为 0.7 m,最下端的进水口距舱底1.5 m(距液面2.7 m),结构尺寸如图1(b)所示。工船全船布置 3 个结构尺寸相同的鱼舱,分别为 T1、T2、T3,其中 T3 为试验舱(图 1(c)。试验过程中,在 145 m3/h 的总进水流量下,舱内的液位高度维持在 4.2 m 左右;T3 舱内约有1 万尾大黄鱼(Larimichthys crocea),养殖密度约为 17.3 kg/m3。工船试验历时近 1 个月,工船锚泊于青岛市长门岩锚地(3615071N,12054729E);锚泊状A,A1A4 为进水口;B1 B4 为进水方向;C 为出水口;T1T3 为鱼舱;P 为 AHRS 的安装位置;单位均为 mm。A and A1-A4 are the water inlets,and B1-B4 are the water inlet di-rections;C is outlet;T1-T3 are fish tanks;P is the location where AHRS is installed;all units are mm.图 1 工船鱼舱的布置及结构Fig.1 Arrangement and structure of fish tanks on the vessel态下,受风浪流作用工船运动以横摇和垂荡为主,垂荡运动偶尔发生,而横摇运动是常态。1.2 试验方法1.2.1船体横摇角度和流速数据的采集本文主要研究不同海况下工船船体横摇运动对鱼舱内水体流速特性的影响,其中,船体横摇运动幅度通过横摇角度进行量化,而在不同横摇角度下鱼舱内的水体流动状态通过流速进行描述,故船体横摇角度和流速是本试验需采集的主要数据。船体横摇角度数据通过数字量航姿参考系统(型号 AHR730,中国无锡极锐科技有限公司)采集,采样频率为 16 Hz;流速数据通过声学多普勒流速剖面仪(型号 DCPS 5400,挪威安德拉数据仪器股份有限公司)采集,每 2 min 输出一组数据,包括水平流速和垂向流速,输出的流速为采集时间内的平均流速。试验过程中,数字量航姿参考系统(以下简称为 AHRS)固定于船的甲板上(图 1(c)中 P点位置),实时采集船体横摇角度数据。声学多普勒流速剖面仪(以下简称“ADCP”)倒置悬挂于鱼舱上方,对不同水深处的流速数据进行采集,ADCP 的定位安装如图 2(a)所示。ADCP 对鱼舱内流速的采集存在盲区,液面下02 m 内流速无法准确采集;同时,根据 ADCP 的工作原理20,应在待测区域内均匀布置测点,以完成该区域内的流速采集。因 T3 舱属中心对称结构,故为了避免流速采集测点的重复布置,提高试验效率,仅在舱内 1/4 区域均匀布置测点;如图 2(b)所示,鱼舱内共布置了 13 个流速采集测点,即 012 测点,其中,0 测点位于鱼舱中央位置,912 测点位于舱进水方向上。为便于后续处理,将各测点至舱中央处(即 0 测点位置)的直线距离记为距舱中心距离,则 012 测点距舱中心的距 离 依 次 为 0、3.9、2.6、1.3、0.4、4.3、3.1、2.2、1.8、4.6、4.1、3.4、3.2 m。1.2.2 横摇角度数据的处理AHRS 所采集的船体横摇角度数据是时历数据,其主要特征有横摇角度幅值和横摇周期。横摇角度幅值可直接从时历数据中获取,但横摇周期的获取需对时历数据做一定的处理,该过程包括分帧、加窗和时频域转换。本研究 中,横 摇 角 度 数 据 的 处 理 通 过 MATLAB R2021a 完成。在不同外界激励的作用下,工船船体横摇周期常是变化的,但其仍具有短时平稳的特点,故可对船体横摇角度数据做分帧和加窗处理,截取一小段525第 3 期秦康,等:养殖工船鱼舱流速特性的实船试验研究L1L4 依次为 ADCP、定位绳、悬挂安装绳和辅助安装绳;012 为流速采集测点。L1-L4 are ADCP,positioning rope,suspension installation rope,and auxiliary installation rope in sequence;0-12 are the measuring points of the flow velocity.图 2 鱼舱流速的采集Fig.2 Measurement of flow velocity in a fish tank时历数据,提取其短时特性;同时,为减少帧与帧之间的不连续性,取帧移为帧长的一半。本研究中,根据横摇角度数据的特点,选取帧长为 32 s,帧移为 16 s。对船体横摇角度数据的处理主要是为了从其中获取横摇周期,故应选择频率分辨率较高的窗函数,即矩形窗。在分帧和加窗处理后,仍需通过一定的变换,才能将船体横摇角度的时历数据转换到频域,提取其频率特性,从而计算出相应的横摇周期。采用快速傅立叶变换(fast fourier transform,FFT)完成数据处理21-22,计算公式为X(k)=N-1n=0 x(n)e-j2N(k n)。(1)式中:x(n)为 FFT 变换前的时域数据;X(k)为FFT 变换后的频域数据;N 为时域内的采样点数,应为 2 的整数次幂;k 为频域内相应的点数,k=0,1,2,N-1;e 为自然常数,e2.72;j 为复数中虚部的单位;为圆周率,3.14。1.2.3工况分组通过对船体横摇角度数据的处理可知,在锚泊状态下,工船横摇运动的周期为48 s,且多集中在 5.36.4 s,工船横摇运动的角度幅值为 07.3。因此,本研究中将横摇周期控制在 5.36.4 s,并根据船体横摇角度幅值对试验工况进行分组,以分析不同试验工况下工船鱼舱内的流速分布,试验工况分组如表 1 所示。表 1 试验工况分组Tab.1 Grouping of experimental conditions工况condition横摇角度幅值rolling angle工况说明conditions descriptionC11以内 within 1小幅横摇 slight rollingC23左右 about 3中等幅度横摇 moderate rollingC35以上 over 5大幅横摇 large rolling1.2.4 流速数据的处理基于鱼舱内 012 测点处所测的流速数据,依次绘制 C1、C2 和 C3 3 种试验工况下的流速云图,包括水平流速云图和垂向流速云图;基于舱进水方向上的测点流速数据(912 测点),绘制 3 种试验工况下的舱进水方向上水平流速云图。同时,为分析流速随距舱中心距离的变化,基于 012 测点处所测的流速数据,绘制箱线图,在距舱中心距离维度上分析 C1、C2 和C3 3 种试验工况下舱内流速的变化;为分析舱内流速随水深的变化,在各试验工况下,取相同水深所有流速数据的平均值,作为该水深下的流速,并绘制折线图,在水深维度上分析 C1、C2 和 C3 3 种试验工况下舱内流速的变化。1.2.5数据的归一化处理为便于直观地比较各试验工况下舱内流速变化的幅度,需对流速数据进行归一化处理23。相较于其他工况,C1 试验工况的横摇角度幅值在 1以内,更接近于无横摇状态,因此,以 C1 试验工况下测得的最大流速数据为基础对其他流速数据进行归一化处理。计算公式为uN=u/u0,(2)vN=v/v0。(3)式中:u0为 C1 试 验 工 况 下 的 最 大 水 平 流 速(cm/s);u 为归一化前的水平流速(cm/s);uN为归一化后的水平流速数据;v0为 C1 试验工况下的最大垂向流速(cm/s);v 为归一化前的垂向流速(cm/s);vN为归一化后的垂向流速数据。流速数据的处理通过 MATLAB R2021a 软件完成。2 结果分析2.1 横摇对鱼舱水平流速的影响2.1.1 水平流速分布 在 C1、C2 和 C3 3 种试验625大连海洋大学学报 第 38 卷工况下,鱼舱内水平流速为 0.528.2 cm/s,3 种工况下鱼舱内最大水平流速依次为 18.1、18.1、28.2 cm/s(表 2)。在 C1 试验工况下,舱内水平流速从舱壁至舱中央呈递减趋势,最大水平流速出现在 2.8 m 水 深 附 近,且 舱 中 央 存 在 低 速 区(图 3(a)。因鱼舱最下端进水口处的水深为2.7 m(图 1(b),故在 C1 试验工况下舱内最大水平流速出现的位置可能与进水射流有关,这一点有待进一步研究证实。表 2 不同试验工况下的鱼舱流速Tab.2Flow velocity in a fish tank under different conditions方向direction流速 velocity/(cms-1)C1 工况C1 conditionC2 工况C2 conditionC3 工况C3 condition水平 horizontal 0.518.10.518.10.628.2舱进水 inflow2.118.10.517.81.614.4垂直 vertical-4.39.6-4.88.7-2.58.3 对比 C1 和 C2 试验工况发现,舱内水平流速的最大值变化不大,而最大水平流速的位置发生了变化,随着横摇角度幅值由 1增大至 3,舱内最大水平流速的位置有向舱中部偏移的趋势;对比C2 和 C3 试验工况发现,随着横摇角度幅值由 3增大至 5,舱内水平流速出现了大幅增加,且最大水平流速的位置已偏移至舱中部(图 3(a)。由于鱼舱的进水射流在靠近舱壁区域(图 1(a),故 C1 试验工况下舱内最大水平流速的位置发生变化可能与其有关。对比 3 种工况发现,随着横摇角度幅值的逐渐增大,横摇运动对舱内水平流速的影响逐步增大,在大幅横摇运动(C 工况)下,舱内水体的动能与势能交替转化,舱内流速大幅增加,在舱中部区域也出现了较高流速,故从整体上看,会发现舱内最大水平流速的位置向舱中部偏移。但舱中央位置处始终存在低速区,且随着横摇角度幅值的增大,低速区的范围略有缩小。另外,观察舱内水体的流动和鱼的游动行为发现,在 C1 和 C2 试验工况下,舱内水体绕着鱼舱的垂向中心轴旋转流动,流动方向呈逆时针方向(从浅水区向深水区看),而鱼成群游动,游动方向与水流方向相反。相较于 C2 试验工况,在 C3试验工况下观察到舱内有部分鱼的游动略显混乱,游动时不再保持队形(图 4)。2.1.2水平流速随距舱中心距离的变化对舱内的水平流速数据进行归一化,即取 u0=18.1 cm/s。对比 C1 和 C2 试验工况发现,随着横摇角度幅值的增大,舱内水平流速整体有所增大,且最大水平流速的位置有向舱中部偏移的趋势;在 C2 试验工况下,除 4.1 m 测点外,3.1 m 和 2.2 m 测点处均出现了较大的水平流速;C3 试验工况下,舱内水平流速相对于其他工况出现了大幅的增加,最大水平流速的增幅达 56.2%(较 u0),且最大水平流速的位置已偏移至舱中部(图 3(b)。2.1.3 水平流速随水深的变化 在各试验工况下,取相同水深的所有水平流速数据的平均值,作为该水深下的水平流速,C1、C2 和 C3 3 种试验工况下所有深水处的最大水平流速依次为 6.8、8.1、10.4 cm/s。对舱内的水平流速数据进行归一化,即图 3 3 种试验工况下鱼舱内水平流速分布Fig.3 Distribution of horizontal flow velocity in the fish tank under three experimental conditions725第 3 期秦康,等:养殖工船鱼舱流速特性的实船试验研究T鱼舱;B水流方向;Fg成群游动的鱼;Fo离群游动的鱼。Tfish tank;Bdirection of the water flow;Fgfish swimming in groups;Fofish swimming out of the group.图 4 3 种试验工况下鱼舱水深处鱼的游动状态Fig.4 Swimming state of fish at the deep area of the fish tank under three experimental conditions取 u0=6.8 cm/s。对比 C1 和 C2 试验工况发现,随着横摇角度幅值的增大,深水区的水平流速变化不大,而浅水区的水平流速出现了一定幅度的增大,C2 试验工况下最大水平流速的增幅为 19.7%(较 u0);相对于其他工况,C3 试验工况下舱内水平流速均出现了大幅的增加,最大水平流速的增幅达 52.6%(较 u0)(图 5)。此外还发现,在不同试验工况下,舱内浅水区的水平流速均明显高于深水区。图 5 3 种试验工况下水平流速随水深的变化Fig.5 Variation in horizontal flow velocity with water depth under three experimental conditions2.1.4 舱进水方向上的水平流速分布3 种试验工况下,舱进水方向上的水平流速整体为 0.5 18.1 cm/s,各工况下最大水平流速依次为 18.1、17.8、14.4 cm/s(表 2)。对比 3 种试验工况发现,舱内水平流速分布(图 3(a)和进水方向上的水平流速分布(图 6)可知,在 C1 试验工况下,鱼舱内较大的水平流速均出现在进水方向上;随着横摇角度幅值的增大,晃荡与射流共同作用使得舱进水方向上的水平流速整体呈减小,最大水平图 6 舱进水方向上水平流速云图Fig.6Horizontal flow velocity contour along the in-flow direction流速的位置略向深水区偏移。2.2 横摇对鱼舱垂向流速的影响2.2.1 垂向流速分布 在 C1、C2 和 C3 3 种试验工况下,舱内垂向流速的范围依次为-4.3 9.6、-4.88.7、-2.58.3 cm/s(表 2),其中,正值表示流速方向向下,即从浅水区至深水区,负值则相反。在 C1 试验工况下,舱中央区域的垂向流速整体呈向上趋势,而靠近舱壁区域的垂向流速整体呈向下,这可能与舱内形成的“二次流”有关。此外还发现,靠近舱底部区域的垂向流速均向下,这应与舱底中央处的出口排水有关。对比 3 种试验工况发现,随着横摇角度幅值的增大,舱壁位置处向下的垂向流速区域逐步扩大,而舱中央位置处向上的垂向流速区域逐步缩小;在 C3 试验工况下,舱中央区域内向上的最大垂向流速出现了大幅的降低,从 4.8 cm/s 降至 2.5 cm/s(图 7(a)。2.2.2垂向流速随距舱中心距离的变化对舱内的垂向流速数据进行归一化,即取 v0=9.6 cm/s。对比 3 种试验工况发现,舱内垂向流速的变化主要出现在近舱壁区域和舱中央区域;随着横摇角度幅825大连海洋大学学报 第 38 卷图 7 3 种试验工况下鱼舱内垂向流速分布Fig.7 Distribution of vertical flow velocity in fish tank under three experimental conditions值的增大,近舱壁区域的垂向流速出现了一定幅度的增大,而舱中央区域内向上的垂向流速明显减小,尤其在 C3 试验工况下(图 7(b)。2.2.3 垂向流速随水深的变化 在各试验工况下,取相同水深的所有垂向流速数据的平均值,作为该水深下的垂向流速,C1、C2 和 C3 3 种试验工况下最大的垂向流速依次为 5.2、5.2、5.9 cm/s。对舱内的垂向流速数据进行归一化,即取 v0=5.2 cm/s。在 3 种试验工况下,垂向流速均为正值,即流速方向为向下;随着水深的增加,垂向流速呈先减小后增大的趋势,但整体上垂向流速呈增大趋势。由于鱼舱最下端的进水口在 2.7 m 水深处,出水口在舱底中央处(图 1),舱内水体从进水口流入,并逐渐从出水口排出,因此,对于 2.74.0 m 水深区域内的水体,在进水射流和出口排水的作用下,其垂向流速随着水深的增加而增大;但对于 2.2 2.7 m 水深区域内的水体,其在进水口上方且远离出水口,故该区域内垂向流速变化不明显,尤其在C3 试验工况下;对比 3 种试验工况发现,随着横摇角度幅值的增大,垂向流速增大,C3 试验工况下最大垂向流速的增幅为 12.1%(较 v0)(图 8)。3 讨论3.1 不同试验工况下的适渔性衡量工船鱼舱是否能为养殖对象提供适宜的养殖环境,流速是一个重要的物理环境指标。流速引起的强制运动可以改善养殖鱼类的肌肉张力,提高图 8 3 种试验工况下垂向流速随水深的变化Fig.8Variation in vertical flow velocity with water depth under three experimental conditions其耐力,从而提高鱼的存活率24,但过高的流速对鱼类也是不利的7。养殖鱼类的适养流速与其体长有关,对于 1 龄以上的大黄鱼(体长大于27 cm),流速在 50 cm/s 以下时对其的不利影响较小19,25。本研究中通过工船现场实测,在小幅横摇(横摇角度幅值在 1以内)、中等幅度横摇(横摇角度幅值在 3左右)和大幅横摇(横摇角度幅值在 5以上)工况下采集舱内流速数据,发现3 种试验工况下鱼舱采集区域内的流速(水平流速和垂向流速的合速度)整体为 028.4 cm/s,小于50 cm/s;同时还发现,在小幅和中等幅度横摇工况下舱内鱼成群逆水流方向游动,在大幅横摇工况下舱内有部分鱼的游动略显混乱,但总的来说,925第 3 期秦康,等:养殖工船鱼舱流速特性的实船试验研究3 种试验工况下舱内鱼的游动是呈队列的。因此,对于锚泊状态下的工船,当横摇角度幅值在 5以内时鱼舱流速适合 1 龄以上大黄鱼(体长大于 27 cm)的养殖;当横摇角度幅值大于 5时鱼舱流速是否会对大黄鱼生长产生影响还需进一步试验研究。3.2 不同试验工况下的流速分布与陆基养殖不同,养殖工船鱼舱内流速分布受进出水推流与鱼舱晃荡共同作用。本研究在锚泊状态下的养殖工船上进行,重点分析不同试验工况下横摇运动的角度幅值对鱼舱内流速的影响,结果发现,在小幅横摇(横摇角度幅值在 1内)工况下,鱼舱内水体呈逆时针方向(从浅水区向深水区看)旋转流动,舱内水平流速从舱壁至舱中央呈递减趋势,舱 中 央 存 在 低 速 区,这 一 规 律 与 Labatut等10,13,26针对进出水推流下 MCR 跑道池(mixed-cell raceway)内流速分布的研究结果一致;综合对比不同试验工况下舱内水平流速分布(图 3(a)和舱进水方向上的水平流速分布(图 6)可知,小幅横摇(横摇角度幅值在 1内)工况下可仅考虑进出水推流,忽略船体横摇运动对舱内水平流速的影响,但在大幅横摇(横摇角度幅值在 5以上)工况下,相对于进出水推流,船体横摇运动对舱内水平流速的影响更显著。同时,相关研究12-13也表明,出口排水(池底中心排水)对养殖池内流速大小和均匀性的影响均不显著,而进水喷嘴射流的影响是主要的。本研究中,对比小幅、中幅和大幅横摇工况下舱内水平流速分布还发现,横摇周期一定时,随着横摇角度幅值的增大,舱内水平流速增大,最大水平流速的位置向舱中部偏移,流速大小随横摇角度幅值变化的规律在 Guo 等17和崔铭超等27的研究中也被发现。本研究中的试验鱼舱是类圆柱体结构,进水方向为其切线方向(图 1(a),故在舱内会形成逆时针旋转(从浅水区至深水区看)的主流及叠加于主流之上的二次流28,从而会在舱中央区域形成向上的垂向流速,在近舱壁区域形成向下的垂向流速,这与在小幅横摇工况下舱内垂向流速分布相吻合(图 7(a)。对比 3 种试验工况下舱内的垂向流速分布还发现,随着船体横摇角度幅值的增大,舱内垂向流速分布有所变化,尤其在大幅横摇工况下,舱中央位置处向上的垂向流速区域大幅缩小,向上的最大垂向流速大幅降低。这一变化会促进舱中央区域内生物固体的沉降,更有利于鱼舱的集排污。3.3 本试验结果与相关数值仿真的对比分析在鱼舱晃荡问题的研究中,数值仿真和实船试验是两种常用的方法,但因部分技术问题尚未解决,目前无法在舱内流场的数值仿真中考虑鱼的存在17,27,29。Guo 等17和崔铭超等27针对横摇运动下养殖工船鱼舱水环境适渔性问题进行的数值研究发现,在进出水推流工况下舱内流速为 0 12.0 cm/s,这与本研究中的小幅横摇(横摇角度幅值在 1 内)工况下测得的舱内流速(0.5 18.1 cm/s)相当;同时,Guo 等17发现在横摇工况(横摇周期 10 s,横摇角度幅值在 5以上)下舱内流速为 044.0 cm/s,这与本研究中在大幅横摇工况(横摇周期 5.36.4 s,横摇角度幅值在5以上)下所测得的舱内流速(0.628.2 cm/s)相差较大。Guo 等17数值仿真研究所得的舱内流速是在恒定激励下的稳定结果,而本研究中的现场试验环境多变,无法获得某一特定激励下的稳定结果,只能获取某一时间段下的平均流速,故在相同横摇工况下所获得的舱内流速应较数值仿真下所得的流速低;此外,本研究中的实船试验是在工船养殖现状下进行的,鱼舱内有鱼的存在,其对舱内流速的影响应予以考虑。根据 Masal 等11和 Plew等23的研究结果,鱼的存在会降低舱内的流速,并且随着放养密度的增加,水槽内流速降低的幅度逐步增大;在 35.6、79.4 kg/m3放养密度下,鱼池内的平均流速依次降低了 15%和 57%。本研究中,鱼舱内鱼的放养密度约为17.3 kg/m3,这会进一步地降低工船鱼舱内的流速。横摇角度幅值和横摇周期均是横摇运动下养殖工船鱼舱内流速的重要影响因素,因此,在相关的数值仿真研究17,27,30中常重点考虑,但在本研究中,无法在控制横摇角度的前提下分析横摇周期对舱内流速的影响。实际海况下船体横摇运动的周期与船舶固有属性有关,无法因外界激励的作用而发生较大的变化,故本研究中船体横摇周期变化范围较小,多为 5.36.4 s。4 结论1)小幅横摇工况(横摇角度幅值在 1以内)下可仅考虑进水射流,忽略船体横摇运动对舱内水平流速的影响;但在大幅横摇工况(横摇角度幅值在 5以上)下,相对于进水射流,船体横摇运动对舱内水平流速的影响更显著。横摇周期一定时,随着横摇角度幅值的增大,舱内水平流速增大,最大水平流速的位置向舱中部偏移。035大连海洋大学学报 第 38 卷2)小幅横摇工况(横摇角度幅值在 1以内)下,舱中央区域的垂向流速方向整体呈向上,近舱壁区域的垂向流速方向整体呈向下,这可能与舱内形成的二次流有关。横摇周期一定时,随着横摇角度幅值的增大,舱内垂向流速分布有所变化;在大幅横摇工况(横摇角度幅值在 5以上)下,舱中央位置处向上的垂向流速区域大幅缩小,向上的最大垂向流速大幅降低,从 4.8 cm/s 降至 2.5 cm/s。这一变化会促进舱中央区域内生物固体的沉降,更有利于集排污。3)对于锚泊状态下的工船,当横摇角度幅值在 5以内时鱼舱流速适合 1 龄以上大黄鱼(体长大于 27 cm)的养殖。参考文献:1 唐启升,丁晓明,刘世禄,等.我国水产养殖业绿色、可持续发展战略与任务J.中国渔业经济,2014(1):6-14.TANG Q S,DING X M,LIU S L,et al.Strategy and task for green and sustainable development of Chinese aquacultureJ.Chinese Fisheries Economics,2014(1):6-14.(in Chinese)2 余东华.“十四五”期间我国未来产业的培育与发展研究J.天津社会科学,2020,11(3):12-22.YU D H.The cultivation and development of Chinas future indus-tries during the 14th five-year-planJ.Tianjin Social Sciences,2020,11(3):12-22.(in Chinese)3 徐皓,江涛.我国离岸养殖工程发展策略J.渔业现代化,2012,39(4):1-7.XU H,JIANG T.Development strategy of offshore aquaculture en-gineering in ChinaJ.Fishery Modernization,2012,39(4):1-7.(in Chinese)4 徐皓,谌志新,蔡计强,等.我国深远海养殖工程装备发展研究J.渔业现代化,2016,43(3):1-6.XU H,CHEN Z X,CAI J Q,et al.Research on the development of deep sea aquaculture engineering equipment in ChinaJ.Fishery Modernization,2016,43(3):1-6.(in Chinese)5 蔡计强,张宇雷,李建宇,等.10 万吨级深远海养殖平台总体技术研究J.船舶工程,2017,39(sup 1):198-203.CAI J Q,ZHANG Y L,LI J Y,et al.General technology research of 100 thousand ton deep sea aquaculture platformJ.Ship Engi-neering,2017,39(sup 1):198-203.(in Chinese)6 崔铭超,金娇辉,黄温赟.养殖工船系统构建与总体技术探讨J.渔业现代化,2019,46(2):61-66.CUI M C,JIN J H,HUANG W Y.Discussion about system con-struction and general technology of aquaculture platformJ.Fish-ery Modernization,2019,46(2):61-66.(in Chinese)7 郑金秀,韩德举,胡望斌,等.与鱼道设计相关的鱼类游泳行为研究J.水生态学杂志,2010,31(5):104-110.ZHENG J X,HAN D J,HU W B,et al.Fish swimming perform-ance related to fishway designJ.Journal of Hydroecology,2010,31(5):104-110.(in Chinese)8 赵希坤,韩桢锷.鱼类克服流速能力的试验J.水产学报,1980,4(1):31-37.ZHAO X K,HAN Z E.Experiments on the current overcoming a-bility of some freshwater fishesJ.Journal of Fisheries of China,1980,4(1):31-37.(in Chinese)9 张宇雷,管崇武.船载摇摆胁迫对斑石鲷血液生化指标的影响研究J.中国农学通报,2017,33(29):145-149.ZHANG Y L,GUAN C W.Ship rocking affecting serum biochemi-cal indexes of spotted knifejaw(Oplegnathus punctatus)J.Chi-nese Agricultural Science Bulletin,2017,33(29):145-149.(in Chinese)10 LABATUT R A,EBELING J M,BHASKARAN R,et al.Modeling hydrodynamics and path/residence time of aquaculture-like parti-cles in a mixed-cell raceway(MCR)using 3D computational fluid dynamics(CFD)J.Aquacultural Engineering,2015,67:39-52.11 MASAL I,OCA J.Influence of fish swimming on the flow pat-tern of circular tanksJ.Aquacultural Engineering,2016,74:84-95.12 GORLE J M R,TERJESEN B F,SUMMERFELT S T.Hydrody-namics of Atlantic salmon culture tank:effect of inlet nozzle angle on the velocity fieldJ.Computers and Electronics in Agricul-ture,2019,158:79-91.13 LABATUT R A,EBELING J M,BHASKARAN R,et al.Effects of inlet and outlet flow characteristics on mixed-cell raceway(MCR)hydrodynamicsJ.Aquacultural Engineering,2007,37(2):158-170.14 SOUTO-IGLESIAS A,BULIAN G,BOTIA-VERA E.A set of ca-nonical problems in sloshing.part 2:influence of tank width on impact pressure statistics in regular forced angular motionJ.O-cean Engineering,2015,105:136-159.15 肖凯隆,陈作钢.多液舱晃荡与养殖工船时域耦合运动的数值模拟J.中国舰船研究,2020,15(1):136-144.XIAO K L,CHEN Z G.Numerical simulation of aquaculture ship motions coupled with tanks sloshing in time domainJ.Chinese Journal of Ship Research,2020,15(1):136-144.(in Chinese)16 ZHUANG Y,WAN D C.Numerical study on ship motion fully coupled with LNG tank sloshing in CFD methodJ.International Journal of Computational Methods,2019,16(6):1840022.17 GUO X Y,LI Z S,CUI M C,et