兩種雙通道圓形養(yǎng)殖池水動力特性的數值模擬與研究

劉乃碩,劉 思,俞國燕

(廣東海洋大學機械與動力工程學院,廣東湛江524088)

水產養(yǎng)殖工程

兩種雙通道圓形養(yǎng)殖池水動力特性的數值模擬與研究

劉乃碩,劉 思,俞國燕

(廣東海洋大學機械與動力工程學院,廣東湛江524088)

為給養(yǎng)殖池的池型選擇與設計提供理論依據,在相同的池體尺寸、進水速度和池底出水比例條件下,針對Cornell和Waterline兩種經典雙通道圓形養(yǎng)殖池,對其速度流場進行了計算流體動力學(CFD)仿真分析。仿真應用Ansys 15.0軟件中的Fluent模塊,采用RNG k-ε湍流模型對兩種池型的內部速度流場進行了數值模擬,分析其流場特性并進行對比。結果顯示:兩種池型的水流速度向池中心方向在很短距離內隨著徑向距離的減少而急速增大,當達到某一徑向距離時,速度達到最大值,然后速度隨著徑向距離的減小而減小,在池子中心軸線或附近處速度降到最小;在縱向上,與池心相同水平距離處的水體流轉速度則隨著高度增加而減小;在池底出水分流比小于10%時,Cornell池池底自清潔能力、池子整體流場均勻性均比Waterline池差。仿真結果從理論上驗證了兩種池型底流比例的經驗設計值在10%以上。

圓形養(yǎng)殖池;水動力特性;數值模擬;計算流體動力學;RNG k-ε

工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖因占地少、用水量低、產量高、對環(huán)境影響小、養(yǎng)殖環(huán)境可控、可實現綠色健康養(yǎng)殖等特點,成為一種新型的高效養(yǎng)殖模式[1-4]。而在當前全封閉或半封閉的商業(yè)化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)(RAS)中,矩形和圓形養(yǎng)殖池是普遍使用的兩種池形[5-9]。矩形池易于管理、構建成本較低,但池水均勻性差,存在低混合區(qū),即所謂的盲點和死區(qū)容積[9]。圓形池因具有快速移除可沉淀顆粒的自凈能力[10]以及較好的整體混合性和均勻性,已成為室內高密度養(yǎng)殖系統(tǒng)的首要選擇,在商業(yè)化RAS養(yǎng)殖中的應用日漸廣泛,正朝著大尺寸養(yǎng)殖池方向發(fā)展[11-13]。隨著養(yǎng)殖池直徑的增大,單池經濟風險也隨之加大。在大尺寸池子底部距離中心底流出口的遠距離處,將顆粒從這些外圍底部移除就成為問題[14]。池水回轉速度、死水區(qū)和沉淀區(qū)等水動力因素的控制成為關鍵。如何營造合適的水力環(huán)境,在維持魚池自凈與提供適宜魚類生長的環(huán)境之間找到平衡就成為一個挑戰(zhàn)。高度依賴于反復試驗與經驗設計的傳統(tǒng)養(yǎng)殖池設計手段已無法滿足上述要求。另一方面,隨著計算流體動力學(CFD)技術的快速發(fā)展,使得借助于CFD對養(yǎng)殖池流場等水動力特性進行分析成為可能。

本研究針對Cornell[8]和Waterline[10]這兩種典型的雙通道圓形養(yǎng)殖池,在相同池體尺寸、進水速度和池底出水比例條件下,對兩種池形的速度流場進行CFD模擬仿真分析,對比評估其速度流場、均勻性和混合性等水動力特性指標,以期為圓形養(yǎng)殖池的選型設計提供參考。

1 CFD建模

2002年,Rasmussen[15]首次采用CFD對魚池水力性能進行分析并驗證其有效性。其后,有學者對采用何種CFD模型可以更好地分析養(yǎng)殖池的水動力特性進行了探索,有應用雷諾應力模型(RSM)[16]模擬Cornell池和Waterline池的徑向和切向速度分布以及近池底邊界層流態(tài)的;有采用標準k-ε模型對Waterline池進行CFD水力特性模擬分析的[15];有采用標準 k-ε模型和RNGk-ε模型分別對Cornell養(yǎng)殖池進行速度流場數值模擬與結果有效性驗證,并確定后者模擬效果優(yōu)于前者[17]。雖然Fluent軟件還提供其它單方程模型,如Spalart-Allmaras模型、大渦模擬(LES)模型,但在養(yǎng)殖池流場分析中,目前僅有RNGk-ε、標準k-ε模型和RSM三種模型的有效性得到了驗證。

然而,由于湍流是一種無規(guī)律的非定常流態(tài),表現出極大的數學非線性,加之養(yǎng)殖池的結構形狀和設定邊界條件存在差異、劃分網格的質量和導入Fluent計算時所選湍流模型與實際流態(tài)的貼切度都直接影響著CFD仿真結果的優(yōu)劣,導致采用何種CFD湍流模型進行養(yǎng)殖池水力特性分析更為合適,尚無統(tǒng)一標準。

1.1 池型基本尺寸

應用前處理軟件Gambit創(chuàng)建養(yǎng)殖池的物理模型。Cornell池物理模型如圖1所示。

圖1 Cornell池養(yǎng)殖池示意圖Fig.1 Geometry of Cornell pond

池體為圓柱體,直徑3.66 m,高0.9 m;池體兩側為進水管道,選用135度彎管和直管兩種,直徑0.042m,由上到下第1、3、4水平切向45度噴射,第2管道為水平反向噴射,第5管道指向下方,第6管道為直管。池底圓臺狀凹槽直徑為0.3 m、0.1m,高度0.2 m;出水管道直徑0.05 m;池壁側面的溢流口直徑0.15 m。Waterline池(圖2)池體尺寸與Cornell池相同,無池壁溢流口,但在池底中心有一豎管,豎管直徑0.08m,高0.9m。

1.2 網格劃分與邊界條件設定

圖2 Waterline池養(yǎng)殖池示意圖Fig.2 Geometry ofWaterline pond

養(yǎng)殖池池體結構不是單一結構,池體尺寸相對進、出水管道較大。本研究應用Gambit軟件,為方便不同計算閾之間的數據交換,統(tǒng)一采用非結構網格,劃分總網格數約55萬。池體和進、出水管道均設置為流體區(qū)域(fluid),池體側壁和底部邊界為固體壁面(wall),因進水管道管壁處于流體區(qū)域交界面,無需設置,故默認為壁面邊界wall。求解器擬用穩(wěn)態(tài)壓力基求解,速度耦合方式為無壓力修正的SIMPLIC,湍流動能采用精度更高的二階迎風離散格式計算。應用湍流模型RNG k-ε,選用fluent提供的各項默認參數設置;入口邊界為速度入口(velocity-inlet),進水流速為1 m/s,湍流強度5%,水力直徑 0.042 m;出口采用自由出流邊界(outflow),池底出水管道出流比例占總出流的6%,溢流比例為94%;水面無剪切和滑移,壁面應用標準壁面函數;池頂為自由界面。

2 結果與分析

圓形養(yǎng)殖池池底的自清洗能力和池水的混合性等通過流場體所在各位置的轉速和X、Y、Z方向速度分量以及各平面的速度云圖和矢量圖來進行分析,具體仿真分析對象為距離池底0.06、0.21、0.36、0.51和0.66 m深度的水平截面以及截面上過進水管后,周向距離為0.38m點的直徑線段。

2.1 Cornell池仿真結果

圖3為Cornell池不同深度處的速度流場分布趨勢圖。

圖3 Cornell池在不同深度的水流速度Fig.3 Water velocity at different depth of Cornell pond

橫坐標為距離池心的距離,縱坐標表示水速大小,5條不同顏色曲線代表距離池底0.06、0. 21、0.36、0.51和0.66 m處水平截面上所選直徑線段上點的速度。池的不同深度水流速度基本趨勢為:(1)不同高度曲線基本符合“M”形狀,回轉速度為池壁附近最大,中心軸線處最低(池底除外)。(2)靠近池壁處速度梯度大,水體速度首先由池壁向池中心方向在很短距離內隨著徑向距離的減少而急速增大,當達到某一徑向距離時,速度達到最大值;然后速度隨著徑向距離的減小而減小,在中心軸線處速度降到最小。(3)回轉速度變化曲線基本為0點對稱。

對Cornell池,從其水平截面速度矢量圖(圖4)中可清晰觀察到池底直管進水噴射流的流動路線,因受到旋轉水流作用發(fā)生偏斜,這極大增加了池底徑向力。在0.36 m和0.66m深度處的水流相對較穩(wěn)定,池壁近處的高速水流趨于變小,靠近池中心速度矢量箭頭密度較小,水轉速度較為均勻,中心處速度較低。

圖4 Cornell池在不同高度的水平截面速度矢量圖Fig.4 Horizontal section velocity vector at different height of Cornell pond

圖5為0.06、0.21和0.36 m深度處Cornell池水平線段的徑向速度圖譜。

近池壁處的水流流動狀況相對復雜,水流與池壁的碰撞、旋轉水流等因素,促使負值徑向流速的產生。距離池心1.2 m處的水速穩(wěn)定在0值左右,面向池心的沖刷力偏弱,但底部池心處受出水流漩渦的影響變大。

另外,還觀察到隨著深度的增加,徑向流速逐漸減小。

2.2 Waterline池仿真結果

圖6、圖7為waterline池(6%底流比例)在不同深度的XY散點速度圖,X軸代表距離中心軸線的距離,Y軸為水流速度。

圖5 Cornell池在不同深度的徑向速度Fig.5 Radial velocity at different depth of Cornell pond

圖6 Waterline池在不同深度的水流速度(直徑線段)Fig.6 Water velocity at different depth of Waterline pond(line of diameter)

圖6為含中心豎管的XY散點速度圖,從圖中可知,池子中心豎管流速遠大于其他位置的旋轉速度,中心兩側的速度基本對稱。因選擇了6%的底流比例,絕大部分水流通過池心上方的溢流口排出,溢流口管道直徑稍大于池底出水口直徑,導致管道高流速排水。

圖7為去除豎管后沿半徑方向上的XY散點速度圖譜。

圖7 Waterline池在不同深度水流速度(半徑線段)Fig.7 Water velocity at different depth of Waterline pond(line of radius)

從圖中可知,池壁處速度接近0,并隨著徑向距離的減小,徑向速度在緊挨池壁處(在距離池壁約1/10～1/8半徑內)達到一個較大值,然后再隨著徑向距離的減小,速度也不斷減小,在靠近中心軸線處速度降到最小。

由于粘度的影響,池壁處速度近乎為0,然后經由進水管道進水與池壁的作用,水速大梯度上升到最高速度點,產生池內水流的旋轉運動,因為池壁和池底的阻力作用,水速逐漸降低。底部出水管道產生小的渦流,但因分流比例僅有6%,渦流對水速的影響較小;中心上部溢流口處因大流量排水導致速度增加,產生大的渦流,對周邊水域產生一定的影響。

圖8為waterline池在0.06、0.36和0.66m深度的水平截面矢量圖,圖中箭頭密集度代表絕對速度的大小,箭頭指向為流速的方向。從圖中可以看出不同深度水平截面的水流情況,出水管道噴射出高速水流,帶動整體水流旋轉運動。近池壁處箭頭密集表明速度較大,隨后沿半徑指向中心方向速度漸趨穩(wěn)定,在池壁到池心距離的1/ 3區(qū)域水流湍急,而在池心附近的2/3區(qū)域速度相對穩(wěn)定,從而營造出了2種流速狀態(tài)的水域,可供魚苗選擇性游動。

圖8 Waterline池在不同高度的水平截面速度矢量圖Fig.8 Horizontal section velocity vector at different height ofWaterline pond

3條直線中,0.06 m深度處受最低進水直管噴射水流的影響,徑向力較大,與池底的摩擦等阻力因素極速減小。除池底外,徑向力隨著高度的增加而減小,與旋轉速度變化類似。

2.3 流場特性對比分析

從5個不同深度的水體流速(圖3、6、7)發(fā)現,Cornell池和Waterline池在不同半徑方向上有著相同的變化趨勢:兩者都是在池壁處速度最大,并沿著半徑指向池中心方向速度逐漸降低,在池子中心或附近處速度最低;水池中同半徑處,隨著高度的增加速度減小。兩種池形,雖然速度變化規(guī)律相似,但因分流比小、結構上溢流口位置和尺寸不同,導致兩者的水流速度在池子中心處存在較大差異。主要不同點在于:

(1)Waterline池的速度圖譜中R=0處速度較為突出。原因在于池的溢流口位于池子中心上方,溢流口直徑0.08 m,為保證94%的溢流,產生了強渦旋和高速水流,致使0.66m深度的中心水流因受到渦旋的吸扯而流速增加。

(2)池底的渦旋不同。Cornell池水流旋轉速度圖譜顯示 R=0處池底速度相對增加。Waterline池因池底出流比例僅為6%,水流流經時與中心豎管發(fā)生碰撞,使得水流向上流向溢流口,這減小了池底原來的渦旋強度,而Cornell池因為沒有溢流管道的影響,渦旋強度稍強于Waterline池,在圖譜中能觀察到距離池底0.06 m深度的中心速度有增大趨勢。

(3)池子上部的水速不同。Waterline池因為池頂中心存在強渦流,故池子上部水流有趨于集中的趨勢,水速也大于同位置處的Cornell池。

另外,兩種池形在徑向速度分布上存在明顯差異:從矢量圖(圖4、8)觀察發(fā)現,Cornell池池底有渦旋作用,對周邊產生一定的吸引和拉扯力,因而存在有一定的徑向流;而Waterline池沒有明顯的徑向流動,除池壁處外的水速均相對均勻。從XY散點圖(圖5、7)得知:對Waterline池底,在相同半徑位置處,隨著高度的增加(從0.06 m到0.36m),徑向力逐漸降低,而且這種差異梯度隨著與中心處距離的減小而逐漸減小,直至中心處接近一致;對Cornell池,由于池底渦旋的作用,致使池底的徑向力在中心處有增大的趨勢,而對0.21、0.36m深度的徑向力影響不明顯; Waterline池底,由于上部溢流分走了池底一部分水流,減小了池底渦旋強度,這是由池子中心上部溢流口的結構所決定的,中心溢流口出水會產生一定強度的渦旋,從而使得池子中上部比中底部的徑向吸引力大。

3 結論

在相同池子尺寸、池底出水比例和進、排水的情況下,Waterline池由于其中心上部溢流口的強渦流和中心豎管的作用,產生了中心軸線處的懸浮上升流,增加了池子中心處與兩側的水交換,從而獲得比 Cornell池更優(yōu)良的水質均勻性和混合性。

在較低的底流出水比例下,Cornell池池底除中心位置會產生較強的徑向力外,其它位置相對弱于Waterline池,池底表現出的自清潔能力弱于Waterline池。因此,為獲得較好的自凈能力與混合性,池子底流出水比例需高于某一數值,仿真結果從理論上驗證了兩種池形底流比例的經驗設計值在 10%以上(Cornell池≥20%,Waterline池≥10%)。

本文對兩種池型的仿真研究仍存在局限性:仿真是在池內無魚的情況下,且沒有分析不同分流比和溫度等因素對速度分布的影響,因此所得出的池內速度流場未能完全說明實際養(yǎng)殖情形,后期將對有魚類活動的養(yǎng)殖池的水力特性進行深入研究。

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Numerical simulation of and research on hydrodynamiccharacteristics of two dual-channel circular aquaculture ponds

LIU Naishuo,Liu Si,YU Guoyan
(College ofMechanical and Power Engineering,Guangdong Ocean University,Zhanjiang 524088,China)

In order to provide theoretical basis for type section and design of aquaculture ponds,computational fluid dynamics(CFD)simulation analysis of velocity flow field is conducted for two classical dual-channel circular aquaculture ponds-Cornell and Waterline under the conditions of the same body size,water flooding velocity and water yielding ratio at the bottom of the ponds.Fluentmodule of Ansys 15.0 software is applied to simulation,RNG k-εturbulencemodel is applied to numerical simulation of velocity flow fields inside the two ponds,and characteristics of the flow fields are analyzed and compared.The results show that thewater velocity in the two ponds increases sharply with reduction of the radial distance in a short distance towards the center, reaches themaximum at certain radial distance,and then decreaseswith reduction of the radial distance before reaching the minimum in the central axis of the ponds or nearby;longitudinally,the water velocity decreases with increase of the heightat the same horizontal distance to the center;when water yielding ratio at the bottom of the ponds is below 10%,both the bottom self-cleaning capacity and the overall flow field uniformity of Cornell are worse than Waterline.The results also verify that the empirical design value ofwater yielding ratio at the bottom of the two ponds is above 10%theoretically.

circular aquaculture pond;hydrodynamic characteristics;numerical simulation;computational fluid dynamics;RNG k-ε

S955.1

A

1007-9580(2017)03-001-06

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.03.001

2017-04-05

廣東省與湛江市科技攻關項目(2014A020208118、2016A02018);廣東省研究生教育創(chuàng)新計劃項目(2014JGXM-MS25, 2016QTLXXM_52);廣東省海洋裝備及制造工程技術研究中心資助項目;廣東海洋大學創(chuàng)新強校工程項目(Q14209)

劉乃碩(1988—),男,碩士研究生,研究方向:設施漁業(yè)與數字化設計。E-ma i l:t i anguhu008@163.c om

俞國燕(1970—),女,教授,研究方向:智能設計與制造、現代漁業(yè)裝備等。E-ma i l:yuguoyan0218@163.c om