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  • ISSN 1007-6336
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双进水管系统对单通道矩形圆弧角养殖池水动力特性影响的数值研究

任效忠 薛博茹 姜恒志 于林平 许条建 马真 史宪莹

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双进水管系统对单通道矩形圆弧角养殖池水动力特性影响的数值研究

    作者简介: 任效忠(1981-),男,山西孝义人,副研究员,主要研究方向为工程水动力学及工程设计,E-mail:renxiaozhong@dlou.edu.cn;
    通讯作者: 薛博茹(1996-),女,辽宁辽阳人,研究生,主要研究方向为工程水动力学特性,E-mail:745040524@qq.com
  • 基金项目: 国家自然科学基金面上项目(31872609);自治区(新疆)重点研发计划项目(2017B01004-2);国家重点研发计划项目(2017YFD0701701);广东省重点领域研发计划项目(2019B020215001);大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室开放基金项目(LP1818);辽宁省高等学校海洋产业技术研究院项目(2018-CY-24)
  • 中图分类号: TV13

Numerical study on the influence of double-inlet pipes system for single-drain rectangular arc angle aquaculture tank on hydrodynamic characteristics

  • 摘要: 为研究双进水管结构工况不同布设位置对海水循环水矩形圆弧角养殖池池底水动力特性的影响,基于RNG k-ε湍流模型,应用计算流体力学仿真技术,对双进水管结构工况下6种不同布设位置的养殖池内部流场进行三维数值模拟,采用流体动力学特征量重点分析排污口附近复杂的流场形态。研究结果表明:双进水管结构中进水管的布设位置对养殖池底部流速分布影响显著,双进水管均布设在圆弧角位置是优选布设,有利于改善养殖池底部水动力特性。
  • 图 1  验证模型建立示意

    Figure 1.  The schematic diagram of the verification model

    图 2  验证模型网格划分示意

    Figure 2.  The meshing diagram of the verification model

    图 3  圆形养殖池数值模型与试验结果比较

    Figure 3.  Velocity comparison of the numerical results and the experimental data in the circular tank

    图 4  矩形圆弧角养殖池模型

    Figure 4.  The schematic diagram of the rectangular tank with arc angle model

    图 5  模型网格划分示意

    Figure 5.  The meshing diagram of the model

    图 6  双进水管不同布设位置示意

    Figure 6.  The schematic diagram with different positions of double inlet pipe

    图 7  双进水管6种工况的养殖池内平均流速变化

    Figure 7.  The variation of the average velocity of double-inlet pipe with six conditions in tank

    图 8  双进水管6种工况的养殖池阻力系数

    Figure 8.  The variation of the resistance coefficient of double-inlet pipe with six conditions in tank

    图 9  养殖池底部不同工况各个流速区间占比变化

    Figure 9.  The variation of the velocity proportion with different conditions in tank

    图 10  养殖池内流场分布特征(hz=0.01 m)

    Figure 10.  The characteristic map of flow field in tank

    图 11  养殖池内流场分布特征(hz=0.03 m)

    Figure 11.  The characteristic map of flow field in tank

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出版历程
  • 收稿日期:  2019-10-10
  • 录用日期:  2020-04-23
  • 刊出日期:  2021-02-20

双进水管系统对单通道矩形圆弧角养殖池水动力特性影响的数值研究

    作者简介:任效忠(1981-),男,山西孝义人,副研究员,主要研究方向为工程水动力学及工程设计,E-mail:renxiaozhong@dlou.edu.cn
    通讯作者: 薛博茹(1996-),女,辽宁辽阳人,研究生,主要研究方向为工程水动力学特性,E-mail:745040524@qq.com
  • 1. 大连海洋大学,辽宁 大连 116023
  • 2. 设施渔业教育部重点实验室,辽宁 大连 116023
  • 3. 国家海洋环境监测中心,辽宁 大连 116023
  • 4. 大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁 大连 116024
基金项目: 国家自然科学基金面上项目(31872609);自治区(新疆)重点研发计划项目(2017B01004-2);国家重点研发计划项目(2017YFD0701701);广东省重点领域研发计划项目(2019B020215001);大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室开放基金项目(LP1818);辽宁省高等学校海洋产业技术研究院项目(2018-CY-24)

摘要: 为研究双进水管结构工况不同布设位置对海水循环水矩形圆弧角养殖池池底水动力特性的影响,基于RNG k-ε湍流模型,应用计算流体力学仿真技术,对双进水管结构工况下6种不同布设位置的养殖池内部流场进行三维数值模拟,采用流体动力学特征量重点分析排污口附近复杂的流场形态。研究结果表明:双进水管结构中进水管的布设位置对养殖池底部流速分布影响显著,双进水管均布设在圆弧角位置是优选布设,有利于改善养殖池底部水动力特性。

English Abstract

  • 海水工厂化循环水养殖是我国渔业现代化的重要发展领域之一,具有节约水土资源、实现科学精准管理和减少自然资源环境制约等优势。然而养殖生产中滞留于养殖池底部的残饵粪便等固体颗粒物极易发酵变质危害养殖生物健康,及时有效地去除养殖池系统固体污染物是保证海水循环水养殖系统稳定的关键技术之一[1-3]

    Oca等采用粒子追踪测速技术(PTV)评估4种不同进、出水方式的矩形养殖池内的流动模式,研究表明,进水方式由垂直进水调整为水平进水有利于减少低流速旋涡区[4]。也有学者通过试验研究了进水口结构对养殖池内流场特性的影响,研究表明,进水装置的射流方向是影响养殖池内流场特性的重要参数[5-6]

    海水工厂化循环水养殖装备设施是发展海水水产养殖工程的重要依托,养殖池是水产养殖的基础装备设施,通过改进与工程化应用优良性能的养殖池,为实现与协调可持续发展环境友好型海水水产养殖提供装备保障[7]。海水工厂化循环水养殖最常见的养殖池池型结构中,矩形圆弧角养殖池池内的流场特性明显优于矩形养殖池,空间利用率和生产性能等方面优于圆形养殖池等独特的自身优势成为最具潜力的养殖池池型结构之一。目前,循环水养殖池池型结构和进出水系统设计参数较多,针对养殖池内流场特性和养殖池系统的集排污性能的研究比较复杂,因而基于矩形圆弧角养殖池水动力特性的研究成果较少且缺乏系统性。实验图像的采集和数据的统计分析是养殖池池底集排污的主要研究手段。因此,为探索矩形圆弧角养殖池系统的集排污机制,开展养殖池内(尤其是池底)水动力特性的研究十分必要。

    本文基于有限体积法和有限差分法建立三维数值计算模型,利用计算流体动力学软件Fluent对双进水管结构工况下矩形圆弧角养殖池水动力特性进行数值计算,分析了6种不同的进水管布设位置的池底流场特性与排污口附近的流场分布规律。通过探索进水管结构及其设计参数对单通道循环水养殖池底水动力特性的影响,为海水工厂化循环水矩形圆弧角养殖池的双进水管结构设计提供理论依据。

    • 海水养殖池水动力学数值模拟以流体力学为基础建立数学模型[8]。由于RNG k-ε湍流模型在标准k-ε模型的基础上修正了湍流黏度,对瞬态N-S方程做时间平均处理,考虑平均流动中旋流的流动情况,本文采用RNG k-ε湍流模型。

      数值计算控制方程包括连续方程、动量方程、湍动能方程和湍流耗散率方程,具体如下[9]

      连续方程:

      动量方程:

      式中:ρμ是流体的密度和黏度;t是流经时间;uvw是沿x、y、z轴的速度分量;p是压力;i = 1、2、3,ui = u1u2u3 = uvwxi = x1x2x3 = xyzSui 是动量方程的广义源项,Sui = Fxi + SxiSxi = 0表示不可压缩流体; Fxi是重力,因此Su = Fx = 0,Sv= Fy = 0,Sw = Fz =−ρg

      RNG k-ε湍流模型方程如下。

      湍动能k方程:

      湍流耗散率ε方程:

      式中:Gk是由平均速度梯度引起的湍动能k的产生项;根据经验公式模型相关参数取值如下:C1Ɛ=1.42,C2Ɛ=1.68,湍动能与耗散率的湍流普朗特数分别为σk=σƐ=1.39。

      本文数值模型假设:

      (1)养殖池系统保持恒温,即不考虑温度的影响;

      (2)不考虑外部环境和内部养殖对象的干扰;

      (3)流体是黏性且不可压缩的。

    • 数值模拟结果与高质量网格密切相关,数值模拟前需要对网格数进行无关性验证[10-11]。本文应用Fluent前处理软件Mesh进行非结构化网格划分,并对进水管、射流口、排污口等位置进行网格加密处理。基于CFD仿真软件Fluent16.0平台和戴尔服务器,采用有限体积法求解三维N-S方程、有限差分法求解RNG k-ε湍流模型方程。求解方法采用压力隐式求解,压力速度耦合方式采用SIMPLE算法,湍流动能基于一阶迎风离散格式。

      本文数值计算模型的边界条件设置如下。

      进口边界:速度入口;

      出口边界:压力出口;

      湍流强度:由公式I=0.16 Re−0.125计算得到;

      水力直径:由射流口直径得到;

      固体壁面边界:池底边界和池壁均采用固体壁面边界;

      水面:假设水面无剪切和滑移速度,当自由界面处理,压力值为标准大气压。

      本文参数具体设置如下:

      入口速度v=1 m/s;水的密度ρ=998.2 kg/m3;水的黏度μ=1.03×10−3 kg/m3;雷诺数Re=3876.51;湍流黏度I=5.7%;水力直径DH=0.004 m。

    • 基于水动力学特征量对海水循环水养殖池系统流场特性进行定量描述,研究养殖池系统流场特性常见的水动力学特征量有流速V(m/s)、流量Q(L/h)[12]、入口冲击力Fi(N)[13]、养殖池阻力系数Ct[14-15]

      式中:ρ (kg/m3)为水的密度;Q为进水循环流量;Fi=ρQ(VinVavg);Ct =2Q(VinVavg)/AVavgVin为射流入口速度;Vavg为养殖池内平均速度;A(m2)为湿周(池底和侧壁的表面积之和)。

      本文研究中对海水循环水养殖系统水体空间和流速特征做如下规定:

      (1)养殖池水深为h (m),距池底高度hz (m),0≤hz/h≤0.25为养殖池底层,0.25<hz/h<0.75为中间层,0.75≤hz/h≤1为表层。

      (2)养殖池系统的平均流速为Vavg,定义0≤V/Vavg≤50%为低流速区间,50%<V/Vavg<150%为中流速区间,V/Vavg≥150%为高流速区间。

    • 为验证数值模拟结果的准确性,将本文建立的三维数值模型数值模拟结果与Oca和Masalo等[16]的试验模型进行比较。验证模型参数:圆形养殖池直径为0.49 m,水深为0.06 m,射流速度为0.47 m/s,验证模型建立示意图,如图1所示。模型单元网格划分采用四面体网格,在进水管、射流口、排污口等局部位置进行网格加密,网格和节点数分别为568477和129796,如图2所示。

      图  1  验证模型建立示意

      Figure 1.  The schematic diagram of the verification model

      图  2  验证模型网格划分示意

      Figure 2.  The meshing diagram of the verification model

      取距离池底高度hz=0.03 m所在截面,监测通过池中心纵切面的流场速度,相关实测结果(Oca等[16]的试验测量结果)与本文数值模拟结果对比,如图3所示。

      图  3  圆形养殖池数值模型与试验结果比较

      Figure 3.  Velocity comparison of the numerical results and the experimental data in the circular tank

      图3可以看出,总体上,模拟结果与实测结果呈现相同规律,无论是受到出水口影响的临近养殖池中心位置、中间区域还是接近养殖池壁的较高流速区,误差均在7%以内,整体吻合效果良好,验证了本文建立的数值模型合理,精度满足要求,可用于矩形圆弧角养殖池流场特性的数值计算研究。

    • 本文养殖池系统结构参数选用工厂生产养殖池主体结构比尺缩放和部分参数优化。矩形圆弧角养殖池池型结构参数:L(长)×B(宽)=1 m×1 m,圆弧角半径R=0.25 m,水深H=0.2 m (相对弧宽比R/B=0.25,径深比H/B=0.20,长宽比L/B=1.00);进水管直径为0.02 m,双进水管均贴近池壁沿水深方向布设并依据进水管布设位置的不同对其进行调整,至上而下均匀设置9个直径为D=0.004 m的射流孔,射流孔位置与池壁之间的水平距离C=0.01 m(进径比C/B=0.01),进水管射流孔射流方向与池壁相切(射流角度与池壁切向夹角为0°),射流孔射流速度恒定为1 m/s;出水口(Dout=0.02 m )置于池底中心位置,养殖池底无底坡,模型示意如图4所示。采用四面体网格对模型进行划分,并在进水管、射流口、排污口位置进行网格加密,网格和节点数分别为1329287和290016,同时进行网格无关性验证,与更精细的网格(网格数和节点数分别为2023410和420632)进行比较,数值计算结果无显著变化,数值计算模型网格划分如图5所示。

      图  4  矩形圆弧角养殖池模型

      Figure 4.  The schematic diagram of the rectangular tank with arc angle model

      图  5  模型网格划分示意

      Figure 5.  The meshing diagram of the model

    • 研究双进水管6种不同布设工况(如图6所示)对养殖池流场特性及池底流速分布的影响,双进水管均沿同一方向水平进水且规定如下。

      (A)双进水管位于相邻的两直边壁中间位置(间隔约1/4池壁周长)简称临直双管;

      (B)双进水管位于相邻的直边壁和弧壁中间位置(间隔约1/8池壁周长)简称直临弧双管;

      (C)双进水管位于两个相邻的弧壁中间位置(间隔约1/4池壁周长)简称临弧双管;

      (D)双进水管位于间隔的两直边壁中间位置(间隔约1/2池壁周长)简称对直双管;

      (E)双进水管其中一个位于直边壁中间位置而另一个进水管位于与其间隔的圆弧角中间位置(间隔约3/8池壁周长)简称直隔弧双管;

      (F)双进水管位于间隔的两圆弧角中间位置(间隔约1/2池壁周长)简称对弧双管。

      (A)—(C)称为相邻式双进水管结构,(D)—(F)称为间隔式双进水管结构。

      图  6  双进水管不同布设位置示意

      Figure 6.  The schematic diagram with different positions of double inlet pipe

      图7图8所示,位于圆弧角中间位置的进水管越多,养殖池系统的平均流速越大且阻力系数Ct 越小,间隔式双进水管结构和相邻式双进水管结构均呈现出相同趋势,并且间隔式优于相邻式,以对弧双管结构养殖池系统最佳。间隔式双进水管结构两进水管间隔距离较远,减小了入流水体间的相互干扰带来的能量损耗,因而间隔式双进水管结构优于相邻式双进水管结构。同时进水管结构布设于圆弧角中间位置更有利于降低输入养殖池系统能量的损耗。由于进水管结构布设于圆弧角中间位置,射流沿着弧壁顺畅转向并与池水自然混合、能量传递,至下一弧壁强迫转向时水体已进行了一定程度的混合和能量传递,沿池壁的射流高流速水体速度已经降低,此过程与弧壁摩擦碰撞消耗能量减小;而进水管结构布设于直壁中间位置,射流沿着直壁前进至相邻弧壁时运行距离短,至弧壁强迫转向时水体混合比较差,能量传递不充分,沿池壁射流的水体仍然保持较高速度,与弧壁摩擦碰撞过程中能量损耗较大。

      图  7  双进水管6种工况的养殖池内平均流速变化

      Figure 7.  The variation of the average velocity of double-inlet pipe with six conditions in tank

      图  8  双进水管6种工况的养殖池阻力系数

      Figure 8.  The variation of the resistance coefficient of double-inlet pipe with six conditions in tank

      此外,图9所示的各个速度区间占比中,6个工况的中流速区占比整体呈上升趋势,对弧双管的中流速区占比最大,达到95.23%;6个工况的低流速区占比整体呈逐步下降趋势,除对弧双管工况外,其他工况的高流速区占比总体稳定,对弧双管工况的高、低流速区占比均明显小于其他5种工况。

      图  9  养殖池底部不同工况各个流速区间占比变化

      Figure 9.  The variation of the velocity proportion with different conditions in tank

      距离池底hz=0.01、0.03 m两个截面的养殖池内流场分布特征图可直观地表述不同工况对养殖池底部流场分布的影响,如图10图11所示。

      图  10  养殖池内流场分布特征(hz=0.01 m)

      Figure 10.  The characteristic map of flow field in tank

      图10图11可以看出,6种工况中对弧双管进水结构的养殖池底部流场分布更加均匀,在圆弧角和边壁处低流速区域所占比例较小;对弧双管进水结构在圆弧角处尤其是池底呈现椭圆型运行轨迹,总体运行半径减小,并且有两处接力的进水结构提供水流推力,均匀且较大的水流推力在养殖池系统的流场中更有利于二次流的形成,进而对固体颗粒物如残饵粪便的汇聚起到促进作用[17]。而其他几种布设工况在圆弧角处均有不同程度较差的环流效果,并开始出现明显的低流速区和紊流现象;非规则的流场状态不利于二次流的形成,并且易造成残饵粪便等固体废弃物在流场低流速区及紊流区淤积或破碎。

      图  11  养殖池内流场分布特征(hz=0.03 m)

      Figure 11.  The characteristic map of flow field in tank

    • (1)本文研究的双进水管结构的6种工况中,间隔式双进水管结构的池内平均流速和养殖池阻力系数均优于相邻式双进水管结构,对弧双管养殖池系统的平均流速最大而阻力系数Ct最小。相邻式双进水管结构中,位于圆弧角中间位置的进水管越多,效果越佳;间隔式双进水管结构呈现相同规律;双进水管结构布设于圆弧角中间位置更有利于提高养殖池内平均流速。

      (2)本文研究的双进水管结构6种工况中,对弧双管养殖池底部流场分布更加均匀,在圆弧角和边壁处低流速区所占比例较小;其他几种布设工况的养殖池系统圆弧角处均出现较差的环流效果和明显的低流速区。

参考文献 (17)

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