网箱设计新突破：揭示水流对水产养殖网箱阻力的影响
更新时间：2025-05-19 10:34:35 来源/作者：深蓝牧渔
六种类型的网。（a）金刚石-铜网N1，（b）金刚石-钢网N2，（c）方形-尼龙网N3，（d）方形-钢网N4，（e）方形-钢网N5，（f）方形-聚乙烯网N6。
水产养殖网箱的结构完整性和操作安全性，关键取决于它们如何与海洋力（尤其是洋流）相互作用。水下网箱施加的阻力或拖拽力构成了网箱总流体动力载荷的最大组成部分，在传统设计中占比接近85%。彻底了解这些载荷不仅事关高效设计，更是确保养殖网箱安全性和适用性的必要条件。
尽管水动力载荷至关重要，但仍需进一步研究各种参数（例如网材、网孔类型、密实度比以及相对于水流的攻角）如何影响这些水动力载荷。最近，由中国船舶科学研究中心太湖深海技术科学实验室和哈尔滨工程大学的研究人员发表的一项研究，正致力于通过控制流水池试验揭示这些关系，为该行业提供了宝贵的数据。本文将这些关键研究结果以通俗易懂的语言进行阐释，并强调其对水产养殖专业人士的实际意义。
如何调查网上的负载？
为了了解不同类型的网在水流影响下的表现，研究人员在流动槽中进行了一系列实验。这项研究发表在《科学报告》杂志上，旨在测量六种不同类型的网板在水流速度和方向变化时受到的阻力。
研究人员选择了具有以下不同特征的网络：
材质：铜、钢、尼龙和聚乙烯(PE)。
网格形状：菱形（长菱形）、方形。
几何特征：如线绳的直径、长度等，造成不同的密实度比（线绳所占网总面积的比例）。
网板被拉伸到一个方形框架上，以最大限度地减少水流造成的变形，并完全浸入水中。一个三维传感器测量了施加在组件（框架和网）上的力。然后，他们减去单独测量到的框架上的力，得到了网板上的净负载。
此外，研究人员还测试了不同的水流速度，从0.3米/秒到1.5米/秒。此外，还评估了两种主要的攻角（AOA）：90°（网与水流垂直）和45°（倾斜）。这些实验虽然本质上是准静态的（流动条件逐渐变化），但可以模拟网的运行条件。
哪些因素真正影响净阻力？
研究结果表明，网的阻力和拖拽系数不仅取决于水流速度和暴露面积，还取决于网孔形状、密实度和材料特性。
水流速度：正如预期，净阻力随流速增加，呈二次函数关系。这意味着速度的微小增加就能产生显著的阻力。
网眼形状：这一因素影响显著。即使密实度和材质相似，菱形网眼的阻力也比方形网眼高出1.5到1.7倍。这与其他研究报告的阻力增加1.6倍一致。菱形网眼的阻力系数也更高。可能的解释包括网后形成的尾流的差异，以及方形网眼如何根据水流进行重构。
密实度比(Sn)：在某些情况下，网格的密实度（网格材料相对于开口所占空间的大小）对阻力的影响比材料本身更大。例如，密实度相似的铜网(N1, Sn=0.31)和钢网(N2,Sn=0.29)之间的阻力差异可以忽略不计。有趣的是，密实度对阻力系数的影响因网格形状而异：对于菱形网格，阻力系数随着密实度的增加而减小；对于方形网格，阻力系数则会增加。
网的材质和柔韧性：虽然坚固性可能更为重要，但材质也至关重要，尤其是考虑到其柔韧性。尼龙网(N3)尽管坚固性比钢网 (N4)低14%，但其受力差异仅为0.6%。这表明尼龙的柔韧性及其在水流作用下的变形能力会增加阻力。变形会增加有效浸润表面积，并改变网与水的相互作用，从而扩大线绳周围的湍流区域，从而增加阻力。尼龙网的阻力系数也高于坚固性相似的钢网和聚乙烯网。
攻角 (AOA)：这是最有影响力的因素之一。将攻角从90°（垂直于气流）减小到45°，阻力会显著降低：菱形网格网的阻力降低约 50%，方形网格网的阻力降低25-35%。较低的攻角会减小迎风面积，改变气流模式，并以较低的速度延伸尾流区域，从而降低总阻力系数。阻力系数会随着攻角的减小而降低，降低的幅度取决于网格形状。
结论
研究不同类型水产养殖网的水动力载荷，为优化网箱设计并确保其运行性能提供了基础数据。网状形状、坚固性、材质以及与水流的迎角等因素对这些力的大小起着决定性的作用。
了解菱形网格比方形网格具有更大的阻力、尼龙的柔韧性会因变形而增加阻力以及攻角是负载的有力修正因素，可以做出更明智的决策。
此外，根据网型和操作条件验证预测模型有助于改进工程计算，为不断发展的水产养殖业打造更安全、更耐用、更经济可行的结构。持续开展此类研究对于应对不断扩张的行业挑战至关重要。
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