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深海养殖网箱主要包括主体结构、网衣和系泊系统3个组成部分,针对网箱的研究集中在这些组成部分的开发和评估。网箱的计算涉及复杂的载荷非线性、几何非线性、材料非线性问题,受到水流的影响会发生较大位移和变形。在工程应用中,网箱可能存在初始应力集中、网格尺寸发生改变、网绳连接有缺陷等问题,传统网衣材料刚度非常低,很难精确定义初始长度和刚度[25]。唐鸣夫[26]在网目群化的基础上提出了十字单元水动力分析法,推导出了网结构水动力与网结构密实度、雷诺数、结构水下投影面积及水流冲击角的关系。生物污垢通常会导致网堵塞并降低网箱内的水交换率和氧气供应,放大网箱上的波浪载荷增加结构失效的风险,并影响鱼类的健康[27]。为了减少计算量,方便实际工程应用与计算,文章提出1种新的网箱等效方法用于网衣水动力模拟计算方法,等效模型中网衣和纲绳简化为管单元,模型简化前后遵循网衣(包含纲绳)质量相等,网衣(包含纲绳)附加海生物质量相等,网衣(包含纲绳)水动力性能相等的要求。
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网衣和纲绳的网目不同,因此,需要将网衣和纲绳的海生物分别考虑,网衣网目尺寸较小,因此,可以假定海生物覆盖百分比来考虑,纲绳线径较粗并且网目较大,海生物可以按照增加厚度来考虑。设网衣海生物覆盖率为$ P = k\% $,则网衣海生物质量计算可按图3计算。建模计算过程中,网衣和纲绳质量要保持一致,其等效过程如图4所示。
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由于网衣与纲绳直径差别较大,需要分别考虑网衣和纲绳的水动力和海生物附着情况,根据网目群化方法,保证密实度相同的情况下进行等效。设单片网衣尺寸为$a \times h$,a为网衣的长度,h为网衣的宽度;网衣线径为d,网目边长为$ l $,群化后线径为D,边长为L,如图5所示,投影面积可按式(1)和式(2)计算。
$$ {S_{\mathrm{n}}} = \left( {ad\frac{h}{l} + hd\frac{a}{l}} \right)/(ah) = 2\frac{d}{l} $$ (1) $$ {S_{\mathrm{N}}}= \left( {aD\frac{h}{L} + hD\frac{a}{L}} \right)/(ah) = 2\frac{D}{L} $$ (2) 式中:
$S_{\mathrm{n}}$、$S_{\mathrm{N}}$——网目群化前后的网衣密实度。
根据网衣密实度相等:$S_{\mathrm{n}} = S_{\mathrm{N}}$,则可得出:
$$ \frac{d}{D} = \frac{l}{L} $$ (3) 整个网衣投影面积$ A = ahP $,考虑海生物以后网衣等效线径为${d_{\mathrm{h}}}$,对于单个网孔的投影面积见式(4):
$$ {l^2}P = 4l\frac{{{d_{\mathrm{h}}}}}{2}即:{d_{\mathrm{h}}} = P\frac{l}{2} $$ (4) 设${d_{\mathrm{h}}} = d$,${D_{\mathrm{h}}}$为考虑海生物后网目群化的等效线径,根据式(3)和式(4),可得:
$$ {D_{\mathrm{h}}} = P\frac{L}{2} $$ (5) 建立网衣群化模型,流程如图6所示。
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风机基础导管架结构和网衣结构相对于波长参数属于细长杆件,即$ \dfrac{D}{L}\leqslant 0.2 $,这类构件的波浪载荷可用Morison公式计算,见式(6)。Morison公式分为拖曳力和惯性力两部分。网衣水动力载荷惯性力占比很小,因此Cm可以保守按照1.2来考虑。拖曳力主要受网衣Cd值和投影面积影响。
$$ F = {F_{\mathrm{D}}} + {F_{\mathrm{I}}} = \frac{1}{2}\rho {C_{\mathrm{d}}}AU|U| + {C_{\mathrm{m}}}\rho V\frac{{\partial U}}{{\partial t}} $$ (6) 式中:
${F_{\mathrm{D}}}$、${F_{\mathrm{I}}}$ ——拖曳力与惯性力;
${C_{\mathrm{d}}}$、${C_{\mathrm{m}}}$ ——拖曳力系数与惯性力系数;
$\rho $ ——海水密度(kg/m3);
A ——构件横截面面积(m2);
V ——构件体积(m3);
U和$\dfrac{{\partial U}}{{\partial t}}$——水质点的水平速度(m/s)和加速度(m/s2),$U|U|$表示水质点速度具有方向性变化。
带有海生物的网衣,一般采用规范推荐的经验公式,拟合得到网衣阻力系数${C_{{\mathrm{d}}1}}$与网衣密实度$S_{\mathrm{n}}$的关系见式(7)。
$$ {C_{{\mathrm{d}}1}} = 3.0415{S_{\mathrm{n}}^2} + 0.0748{S_{\mathrm{n}}} + 1.0572 $$ (7) 设${d_{\mathrm{g}}}$为纲绳线径,海生物厚度为${T_{\mathrm{h}}}$,L为纲绳的边长,纲绳阻力系数为${C_{{\mathrm{d}}2}} = 1.05$;${C_{{\mathrm{dt}}}}$为最终模型中考虑网衣和纲绳及海生物以后的阻力系数,${D_{\mathrm{t}}}$为等效线径,则整个网衣考虑海生物附着的水动力系数${C_{{\mathrm{dt}}}}$可根据式(8)求出。
$$ {C_{{\mathrm{d}}1}}{D_{\mathrm{h}}}L + {C_{{\mathrm{d}}2}}\left( {{d_{\mathrm{g}}} + 2{T_{\mathrm{h}}}} \right)L = {C_{{\mathrm{dt}}}}\left( {{D_{\mathrm{t}}} + 2{T_{\mathrm{h}}}} \right)L $$ (8) 为了保证模型中海生物质量等效,简化前后海生物截面积需要相等,设L1为网衣总线长,L2为纲绳总线长,有如式(9)所示关系:
$$ \begin{gathered} \left[ {\text{π} {{\left( {\frac{{{d_{\mathrm{h}}}}}{2}} \right)}^2} - \text{π} {{\left( {\frac{d}{2}} \right)}^2}} \right]{L_1} + \left[ {\text{π} {{\left( {\frac{{{d_{\mathrm{g}}} + {T_{\mathrm{h}}}}}{2}} \right)}^2} - \text{π} {{\left( {\frac{{{d_{\mathrm{g}}}}}{2}} \right)}^2}} \right]{L_2}= \\ \left( {{D_{\mathrm{t}}} + {T_{\mathrm{h}}}} \right){T_{\mathrm{h}}}{L_2} \\ \end{gathered} $$ (9) 式(9)可以求出等效线径${D_{\mathrm{t}}}$,将${D_{\mathrm{t}}}$带入式(8)可得出最终等效阻力系数${C_{{\mathrm{dt}}}}$。
为了保证简化前后网衣和纲绳重量等效,简化前后截面积需要相等,其中简化前网衣的单位面积密度为${\rho _1}$,纲绳的单位长度密度为${\rho _2}$,设t为模型中等效圆管壁厚,$t = {{{{D_{\mathrm{t}}}}/{20}} {20}}$,则根据式(10)可求出等效圆管密度为${\rho _3}$:
$$ {\rho _1}ah + {\rho _2}\frac{{2ah}}{L} = {\rho _3}\left[ {\pi \left( {{D_{\mathrm{t}}} + t} \right)t} \right]\frac{{2ah}}{l} $$ (10) 至此模型中等效圆管的直径${D_{\mathrm{t}}}$、等效壁厚t、等效密度${\rho _3}$、等效阻力系数${C_{{\mathrm{dt}}}}$均可求出。网箱水动力性能等效过程如图7所示。
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为了验证网衣群化等效载荷计算方法的可靠性,选取单层网衣进行水动力计算,该网衣长度为10.8 m,宽度为1.08 m,其他参数如表1所示。根据模型参数建立数值模型,如图8所示。网衣群化等效后的等效网衣参数如表2所示,相应的数值模型如图9所示,为了减少模型尺寸对计算的影响,等效模型上下排杆件采用一半直径。网衣四角点采用铰接边界。
材料属性 数值 网衣线径/mm 3.5 网目边长/mm 60 网衣密实度 0.117 整个网衣海生物覆盖率/% 20 考虑海生物后Cd值 0.126 Table 1. Parameters of original plane net
材料属性 数值 考虑海生物后网衣线径/mm 108 网目边长/mm 1 080 考虑海生物Cd值 0.126 Table 2. Parameters of plane net after net-grouping
采用波高为9 m,周期为8 s的规则波,考虑波浪与网衣不同夹角,分别计算22.5°、45°、67°和90°工况下原始网衣模型和网衣群化等效模型的波浪力,计算结果如表3所示。由计算结果可知,波浪与网衣夹角22.5°时误差最大,为6.952%,波浪与网衣呈90°时误差仅1.818%,误差随着夹角的增大而减小,都能满足工程计算精度要求。
工况 波浪载荷/kN 误差/% 原始模型 等效模型 22.5° 0.561 0.600 6.952 45° 0.748 0.780 4.278 67° 0.990 1.014 2.424 90° 1.100 1.120 1.818 Table 3. Comparison of wave loads between the original model and the equivalent model
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为了验证具有网衣和纲绳的网箱的波浪载荷计算方法的可靠性,选取单片网衣和纲绳组合结构进行水动力计算,该结构长度为10.8 m,宽度为1.08 m,其他参数如表4所示。根据模型参数建立数值模型,如图10所示。
材料属性 数值 网衣线径/mm 3.5 网衣网目边长/mm 60 网衣密实度 0.117 整个网衣海生物覆盖率/% 20 考虑海生物后网衣Cd值 0.126 纲绳直径/mm 40 纲绳网目边长/mm 1 080 纲绳阻力系数Cd值 1.05 纲绳海生物厚度/mm 100 Table 4. Parameters of original plane net with tensile rope
根据上文提出的网衣+纲绳等效方法,对模型进行简化,简化的模型参数如表5所示,相应的数值模型如图11所示,简化模型中网衣水动力占比较小,上下排杆件直径无需减半。
材料属性 数值 纲绳线径/mm 241 网目边长/mm 1 080 考虑海生物Cd值 0.602 Table 5. Equivalent model parameters of plane net with tensile rope
同样采用波高为9 m,周期为8 s的规则波,考虑波浪与网衣不同夹角,分别计算22.5°、45°、67°和90°工况下原始网衣+纲绳模型和等效网衣+纲绳模型的波浪力,计算结果如表6所示。由计算结果可知,波浪与网衣+纲绳模型夹角90°时误差最大,为1.987%,波浪与网衣+纲绳模型呈22.5°时误差仅0.964%,误差随着夹角的增大而增大,都能满足工程计算精度要求。
工况 波浪载荷/kN 误差/% 网衣+纲绳原始模型 网衣+纲绳等效模型 22.5° 12.449 12.569 0.964 45° 19.556 19.879 1.652 67° 27.892 28.430 1.929 90° 31.700 32.330 1.987 Table 6. Comparison of wave loads between the original plane net with tensile rope and the equivalent model
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设计适用于14 MW海上风机的导管架基础(M1),导管架顶法兰高程26 m,导管架总高度74 m。风机基础主腿采用直径为1.45 m和1.8 m、壁厚为50~80 mm,在标高−12 m、+3.4 m和15.5 m处设斜拉圆管。采用4根直径3.3 m的钢管桩固定于海床上,桩长约为95 m,桩顶高程为−38 m,水深53 m,桩底高程为−135 m,桩入泥深度为82 m,分别在常规导管架内外添加养殖网箱,得出2种不同的海上风机基础加养殖网箱的融合结构(M2和M3)。M2在导管架基础结构主腿围成的4个立面和横撑围成的2个底面布置网衣,形成完整的养殖网箱,4个立面网衣布置相同。M2网箱顶面长为14.87 m,宽为14.87 m,底面长为20.5 m,宽为20.5 m,网箱高15.9 m,容积5 098 m3。M3在导管架基础结构主腿外设置4个立面和横撑组成完整养殖网箱。M3网箱顶面长为39 m,宽为39 m,网箱高15.9 m,容积24 184 m3。
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为了评估海上风机与养殖网箱融合系统的动力性能,在SACS中对M1、M2和M3进行了模拟。根据实际勘察的海底岩土数据编制桩土文件,利用SACS中PSI模块进行分析,实现桩-土相互作用的边界约束处理。桩基础设计计算采用p-y曲线法(包含p-y曲线、q-z曲线和t-z曲线)。图12(a)是14 MW海上风机基础常规导管架设计(M1),图12(b)和图12(c)分别是融合内网箱(M2)和外网箱(M3)的设计。材料属性如表7所示。
材料属性 数值 密度/(kg·m3) 7 850 弹性模量/GPa 206 剪切模量/GPa 79 泊松比 0.3 Table 7. Physical properties of steel
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目前大型网箱均由超高分子材料制造的网衣和纲绳组成。为了减少计算量提高计算效率,网箱片体通常简化为圆管结构,圆管构件具有等效直径dmodel、等效壁厚tmodel和等效密度ρmodel,如图13所示。
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极端工况波浪和流采用重现期为50 a的环境条件。采用Morison公式与高阶流函数计算波浪力,同时考虑波浪的非线性。平台水下部分构件的海流载荷可按式(11)计算:
$$ {F_{{\mathrm{current}}}} = \frac{1}{2}{C_{\mathrm{D}}}{\rho _{\mathrm{w}}} \nu _{{\text{current}}}^2A $$ (11) 式中:
${F_{{\text{current}}}}$ ——海流载荷(kN);
${\rho _{\mathrm{w}}}$ ——海水密度(t/m3);
${\nu _{{\text{current}}}}$ ——设计海流流速(m/s);
A ——构件在与流速垂直平面上的投影面积(m2)。
设计流速如表8所示。
重现期 流速/(m·s−1) 表层 0.6H 底层 垂直平均 50 a 1.95 1.24 0.65 1.28 Table 8. 50-year flow velocity
作用在杆件上面的风载荷由式(12)计算:
$$ {F_{{\mathrm{wind}}}} = \left( {\frac{{{\rho _{{\mathrm{wind}}}}}}{2}} \right)\nu _{{\mathrm{wind}}}^2{C_{\mathrm{S}}}{A_{{\mathrm{wind}}}} $$ (12) 式中:
${F_{{\text{wind}}}}$ ——风载荷(kN);
${\nu _{{\text{wind}}}}$ ——风速(m/s);
${C_{\mathrm{S}}}$ ——形状系数;
${A_{{\mathrm{wind}}}}$ ——构件在与风速垂直平面上的投影面积(m2)。
14 MW风机载荷施加在SACS模型中基础顶法兰处,而将风、浪、流载荷施加于下部结构。14 MW风机载荷如表9所示。
工况 水平合弯矩/(kN·m) 扭矩/(kN·m) 水平合力/kN 竖向力/kN 正常运行 240 050.0 −9 988.8 2 084.0 −16 638.0 极端风暴 387 854.9 21 827.3 3 290.3 −15 371.8 Table 9. Loads of 14 MW wind turbine
Static Calculation on Integrated System of Offshore Wind Turbine Foundation and Aquaculture Cage
doi: 10.16516/j.ceec.2024.4.08
- Received Date: 2024-02-06
- Rev Recd Date: 2024-06-28
- Available Online: 2024-07-11
- Publish Date: 2024-07-31
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Key words:
- 14 MW wind turbine /
- jacket foundation /
- aquaculture cage /
- equivalent load /
- static calculation
Abstract:
Citation: | WANG Lihe, FU Fei. Static calculation on integrated system of offshore wind turbine foundation and aquaculture cage [J]. Southern energy construction, 2024, 11(4): 76-87 doi: 10.16516/j.ceec.2024.4.08 |