摘要
近海系统对自然变异、人类活动及全球变化的响应是海洋科学研究的热点问题之一。海水养殖是人类活动对近岸环境影响研究的重要部分，一方面，养殖冠层对流体运动产生阻力，改变了当地的水动力和生态环境，从而改变了营养物质的输运特征，而这些生态影响又反作用于养殖物的生长。另一方面，水产养殖结构本身受到波浪和水流的共同作用，近年来向外海的不断扩张使得其面临更加严峻海况条件的考验。结构的安全性和可靠性直接影响到海水养殖的生产效益。因此，研究水产养殖结构在水流、潮汐和波浪作用下的动力响应以及准确模拟养殖区域与周围水体之间的相互作用，进而研究其水动力影响是相当重要的。 本文采用物理模型试验和数值模拟计算相结合的手段，进行波浪和水流作用下水产养殖结构的动力响应分析和海水养殖区域内外流场变化的研究，主要研究工作及成果如下: (1)物理模型试验研究。针对平养和垂养形式的藻类及贝类养殖筏结构，开展了规则波和不规则波作用下养殖筏缆绳受力情况和波浪传播通过养殖冠层区域变化情况的物理模型试验研究。根据试验结果，对缆绳的受力特性与波浪要素和结构参数之间的关系进行了讨论;对波浪通过养殖区域时的透射、反射以及区域内部的能量耗散情况的影响因素进行了分析。为揭示结构与流体相互作用过程中的变化规律提供数据支撑，为数值模型的完善和验证提供参考。 (2)建立波浪和水流作用下的养殖结构设施动力响应计算模型。针对现有研究中养殖结构动力分析中对养殖单元部分简化较大，缺少对其所展现出的柔性运动所产生影响进行考虑的问题，在养殖结构运动响应耦合动力模型中对养殖单元部分的柔性进行了充分的模拟。采用试验结果对柔性养殖单元和养殖结构计算模型进行了验证，并对波浪作用下养殖单元之间的遮蔽效应和养殖筏缆绳力的影响因素进行了讨论和分析。结果表明缆绳力最大值一般出现在相对筏身长度B/L=1.15～1.35附近，且最大缆绳力呈现出随相对波高的增大近似线性增长的趋势。数值模型及讨论结果可用于结构安全性和可靠性验证，以及可为海洋牧场中的养殖结构形式优化和布置方式选取等提供参考。 (3)水流与柔性冠层相互作用研究。建立水流与柔性冠层区域相互作用的数值模型，对柔性冠层流中的流场特征进行研究，讨论了考虑冠层柔性的必要性，为波浪与养殖冠层相互作用数值模型的建立提供基础。计算模型基于Navier-Stokes方程和k-ε湍流模型建立。首先，通过数值模型计算与物理模型试验相结合的手段给出了冠层区域阻力系数与冠层特性和流场条件之间的经验关系式。区域阻力系数与单个养殖单元（植物）特性相关，同时，随区域密度和冠层占水体高度比的增大而增大。然后，基于水流作用下柔性养殖单元运动受力计算模型，引用有效长度的概念，分析了柔性单元有效长度与其物理参数和流速大小之间的关系，并拟合出经验公式。在水动力数值模型中引入该经验公式以确定与流场变化实时响应的有效冠层高度范围。最后，通过计算模拟得到有效冠层高度沿水流传播方向的变化和冠层区域内外的流速分布情况。数值结果与试验现象和实测结果一致，相对于刚性体假设的结果与实际情况更加吻合。 (4)波浪与养殖冠层区域相互作用研究。在水流与柔性冠层相互作用数值模型的基础上，结合波浪作用下柔性冠层有效高度范围取值方法，考虑结构与水体之间的相对运动情况，建立数值模型对波浪传播通过海水养殖冠层的反射、透射以及能耗情况进行计算模拟，并通过与物理模型试验结果对比分析进行了验证。之后通过数值计算研究分析了波浪与养殖冠层相互作用时的沿程波高变化特征以及相关影响因素对透、反射及能耗系数的影响规律。结果表明，各工况下的波高衰减均随着波浪周期的增大而逐渐减小，表明悬浮养殖冠层对高频波浪的消减作用更加强烈。由于各自养殖单元特性的不同，垂养形式冠层中波高沿程的衰减趋势比较均匀;平养形式中的波高衰减主要集中在冠层区域后半段，且在高频波浪工况中表现的更加明显。另外，垂养和平养形式养殖冠层中波浪透、反射及能耗系数随相对区域宽度B/L的变化趋势一致。波浪透射系数Kt在B/L=0.65附近出现极大值，能耗系数Kd的变化趋势与之相反，在B/L=0.65附近出现极小值。最后，基于试验和数值计算结果，给出了规则波及不规则波作用下垂养和平养形式养殖冠层透射系数的计算公式。
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