牡蠣(Oyster)俗稱蚵或蠔，營養美味深受大家喜愛，主要養殖區域在台灣中南部沿海地區。一般養殖期從十月開始至翌年五月止，颱風期間則停止養殖。損失主要原因為發生蚵棚流錨，導致柯棚與蚵棚互相碰撞，造成破壞，如果有較佳的錨碇系統，則可以降低蚵農的損失。因此，本計畫延續過去二年之研究成果，採用數值模式與現場試驗，探討於不規則波作用下浮筏式牡蠣養殖設施的動力特性分析。研究步驟包括二大部分：一修改撰寫現有數值模式模擬實際柯棚遭受風浪之運動行為，另一則是進行現場試驗及錨碇纜繩張力量測。數值模式是採用質量集結點法為基礎，以修正之Morison經驗公式計算構件的受力，再將受力平分到質點上，以便建立運動方程式，最後再經由4階的Runge-Kutta法，即可預測下一時刻質點的位移及速度，再由纜繩質點的位移求取纜繩張力。至於現場海象條件則視為由無數個線性波疊加而成，並假設其為Goda修正之JONSWAP頻譜，只要給定海流條件及入射波頻譜之有義週期和波高，即可透過數值模式造出不規則波與浮筏式蚵架相互作用。而現場試驗是利用現場型張力計連接錨碇纜繩量測實際受力，再利用ADCP都普勒潮波儀紀錄實驗過程的海象資料，最後將資料與數值模式輸出值比對，確保數值模式之準確性，以協助養殖業者改善養殖設施。

Oysters not only are delicious but also enriched with nutrition; thus, they have being loved for generations. The main oyster aquaculture sites spread along the southwestern coastal regions of Taiwan. The oyster raft made by a lot of bamboo and Styrofoam has about 2-year life span. They are frequently abandoned in the coastal areas and cause serious environmental problem. Thus this project intends to investigate the capability of a set of oyster raft against current and waves and improve its durability in the field. The numerical model is established based on the lumped mass method as well as the modified Morison equation by calculating the drag and inertia forces on each element. Then the 4th-order Runge-Kutta (RK4) method is used as a time marching scheme to predict the displacement and velocity of nodes for the next time step. The sea-states are treated as the combination of many linear waves, and assume that Goda modified JONSWAP spectrum is good for the present study. Only design sea-state conditions are needed to input in the numerical model to generate the dynamic results of interaction of fluid and structure. Two instruments such as ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) and tension gauge are deployed in the field test to measure the wave/current data as well as the mooring line tension. The comparisons of numerical tension results and the in-situ measurements show a good agreement. With this validation, a correct numerical model was established and is ready for applying to any in-situ raft system for planning or design purposes.

摘要 I
Abstract II
目錄 IV
表目錄 VII
圖目錄 VIII
符號對照表 XII
第一章 諸論 1
1.1 前言 1
1.2 研究背景及目的 2
1.3 文獻回顧 3
1.4 研究方法 7
1.5 本文架構 8
第二章 浮筏式蚵架及基本理論 10
2.1 浮筏式蚵架結構介紹 13
2.1.1 蚵架系統 15
2.1.2 錨碇系統 16
2.1.3 牡蠣串 16
2.1.4 保麗龍塊 17
2.2 波流場的基本假設 17
2.3 不規則波流場之描述 21
2.4 不規則波造波函數 22
2.5 蚵架構件受力分析 23
2.5.1 重力 23
2.5.2 浮力 24
2.5.3 張力 24
2.5.4 流阻力與慣性力 24
第三章 數值模式 27
3.1 質量集結點法概述 27
3.2 構件受力情況與質量集結點之運動方程式 28
3.3 RUNGE-KUTTA METHOD 28
3.4 數值流程圖 29
第四章 現場試驗 32
4.1 現場概述 32
4.1.1 氣象資料 32
4.1.2 海象資料 33
4.2 蚵棚製作 37
4.3 試驗儀器設備 38
4.3.1 硬體設備 38
4.3.2 軟體設備 43
4.4 現場佈置 44
4.4.1 試驗前置作業 44
4.4.2 現場儀器佈置 45
第五章 數值模式與試驗結果分析討論 48
5.1 資料描述 48
5.1.1 ADCP資料 48
5.1.2 波浪資料分析 58
5.2 數值模式常數處理 64
5.3 張力計資料描述 67
5.4 數值模式計算結果 67
5.5 綜合比較 78
第六章 結論與建議 80
參考文獻 83
附錄A 纜繩材料尺寸資料表 87
附錄B 質量慣性矩 88
附錄C 纜繩與蚵架牡蠣 90
附錄D 剛體運動 102
附錄E 電路內容 112
附錄F ADCP程式 113
附錄I 張力計程式 132

[1] 陳陽益、莊文傑(1990)「波流交會作用理論之初步探討」，第12屆海洋環境工程研討會論文集，第248-265頁。
[2] 張耀民(2000)「可沈式箱網養殖工程之研究」，國立中山大學海洋環境及工程學系碩士班碩士論文。
[3] 唐宏結(2001)「箱網容積變形改善研究」，國立中山大學海洋環境及工程學系碩士班碩士論文。
[4] 黃材成、唐宏結(2002)「可沉式海上箱網錨碇措施研究(II)」，第24屆海洋工程研討會論文集，第751-758頁。
[5] 黃材成、唐宏結(2003)「海上養殖箱網錨碇措施研究」，第25屆海洋工程研討會論文集，第429-435頁。
[6] 蔡政霖(2004)「台灣牡蠣養殖產業之經濟分析」，國立台灣海洋大學河海工程學系碩士班碩士論文。
[7] 吳聖海(2006) 「海上箱網錨碇物抓地力在砂質底床之研究」，國立中山大學海洋環境及工程學系碩士班碩士論文。
[8] 王柏伸(2006)「單錨式箱網纜張力現場實驗」，國立中山大學海洋環境及工程學系碩士班碩士論文。
[9] 潘仁雅(2007)「單錨式箱網結構改善及錨碇纜繩老化風險分析研究」，國立中山大學海洋環境及工程學系碩士班碩士論文。
[10] 唐宏結(2008)「箱網養殖浮式平台之研究」，國立中山大學海洋環境及工程學系博士班博士論文。
[11] 吳育勳(2008)「牡蠣養殖發展之研究-以台南市牡蠣養殖區為例」，國立中山大學海洋環境及工程學系碩士班碩士論文。
[12] 李冠穎(2010)「外海浮筏式蚵架動力分析」，國立中山大學海洋環境及工程學系碩士班碩士論文。
[13] 陳意青 (2010) 「大波浪作用下海上牡蠣養殖設施纜繩受力之試驗研究」，國立臺灣海洋大學河海工程學系碩士班碩士論文。
[14] 張崗德 (2010) 「浮桶延繩式牡蠣養殖設備動力分析」，國立中山大學海洋環境及工程學系碩士班碩士論文。
[15] 連育興 (2011)「浮筏式蚵架於不規則波浪場受力分析」，國立中山大學海洋環境及工程學系碩士班碩士論文。
[16] 蘇健寧 (2011) 「單錨式藻類箱網養殖系統研究」，國立中山大學海洋環境及工程學系碩士班碩士論文。
[17] 行政院農委會漁業署漁業資訊服務網 http://www.fa.gov.tw/chnn/
[18] Blevins, R.D., 1984. Applied Fluid Dynamics Handbook. Van Nostrand Reinhold Company, pp 334.
[19] Brebbia, C.A., Walker, S., 1979. Dynamic Analysis of Offshore Structures. Newnes-Butterworths, London.
[20] Brorsen, M., Larsen, J., 1987. Source generation of nonlinear gravity waves with the boundary integral equation method. Coastal Engineering 11, 93-113.
[21] Buitrago,E., Alvarado, D., 2005. A highly efficient oyster spat collector made with recycled materials.Aquacultural Engineering 33,pp 63-72.
[22] Craig Stevens, David Plew, Neil Hartstein, David Fredriksson (2008), The physics of open-water shellfish aquaculture, Aquacultural Engineering 38, pp 145-16
[23] Díaz, C., Figueroa, Y., Sobenes, C.,2011. Effect of different longline farming designs over the growth of Mytilus chilensis (Hupé, 1854) at Llico Bay, VIII Región of Bio-Bio, Chile. Aquacultural Engineering 45, pp 137-145.
[24] D’Souza, A.F., Garg, V.K.(1984), “Advanced Dynamics Modeling and Analysis”, Prentice-Hall, Inc., Eglewood Cliffs, New Jersey, pp. 78-114, pp 152-155.
[25] Fredriksson, D.W., Steppe, C.N., Wallendorf, L., Sweeney, S., Kriebel, D. 2010. Biological and hydrodynamic design considerations for vertically oriented oyster grow out structures. Aquacultural Engineering 42, pp 57-69.
[26] Goda, Y., 1999. A comparative review on the functional forms of directional wave spectrum. Coastal Engineering Journal 41(1), pp 1-20.
[27] Hsu, T.W., Hsiao, S.C., Ou, S.H., Wang, S.K., Yang, B.D., Chou, S.E., (2007). An application of Boussinesq equations to Bragg reflection of irregular waves. Ocean Engineering 34, 870-883.
[28] Huang, C.C., Tang, H.J., Liu, J.Y.(2006a), Dynamical analysis of net cage structures for marine aquaculture: Numerical simulation and model testing, Aquacultural Engineering 35, pp. 258-270.
[29] Huang, C.C., Tang, H.J., Wang, B.S., Yang, R.Y., Kuo, L.A., Jan, S.J.(2006b), Numerical simulation and field study of a single-point-mooring marine cage, Proc. of the 16th International Offshore and Polar Engineering Conference 3, pp. 292-296.
[30] Huang, C.C., Tang, H.J., Liu, J.Y.(2007), Modeling volume deformation in gravity-type cages with distributed bottom weights or a rigid tube-sinker, Aquacultural Engineering 37, pp. 144-157
[31] Huang, C.C., Tang, H.J., Liu, J.Y.(2008), Effects of waves and currents on gravity-type cages in the open sea, Aquacultural Engineering 38, pp. 105-116.
[32] Huang, C.C., Tang, H.J., Pan, J.Y.(2009), Numerical modeling of an SPM cage with a frontal rigid frame, IEEE Journal of Oceanic Engineering 34(2), pp 113-122.
[33] Huang, C.C., Lee, K.Y. (2010), Dynamic analysis of a floating raft system for oyster culture. Proc. 20th International Offshore and Polar Engineering Conference Vol 1, pp 543-547.
[34] Raman, N.W., Colbourne, B., Gagnon, M., Bergeron, P., 2008. “Numerical model of a mussel longline system: Coupled dynamics ’’, Ocean Engineering 35, pp 1372-1380.
[35] Steven, C., Plew, D., Hartstein, N., Fredriksson, D., 2008. The physics of open-water shellfish aquaculture. Aquaculture Engineering 38,pp 145-160.
[36] Wittenbug, J., 1977. Dynamics of Systems of Rigid Bodies. B. G. Teubner Stuttgart, pp 19-31.
[37] Webster, R.L., 1976. An application of the finite element method to the determination of nonlinear static and dynamic responses of underwater cable structures. General Electric Technical Information Series Report R76EMH2, Syracuse, New York.