基于CFD的養殖水體固液旋流分離裝置數值模擬與驗證

李建平，吳 康，何相逸，陳駿煬，季明東，葉章穎，朱松明

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基于CFD的養殖水體固液旋流分離裝置數值模擬與驗證

李建平1,2，吳 康1，何相逸1，陳駿煬1，季明東1，葉章穎1,2，朱松明1,2

（1. 浙江大學生物系統工程與食品科學學院，杭州 310058； 2. 農業部設施農業裝備與信息化重點實驗室，杭州 310058）

為探究旋流分離裝置對水產養殖水體的分離效果，采用計算流體力學方法對旋流分離裝置內部的流動特性進行數值模擬，得到了不同入口流量、不同入口濃度對固液分離性能的影響，通過試驗數據對模擬結果進行了驗證。模擬結果表明：隨著入口流量的增加，分離裝置內部流體速度增大，湍流流動增強，不利于固體顆粒的沉降。當入口濃度增加時，筒內流體運動速度降低，滯留在筒體中的顆粒濃度增加，降低了固液分離效率。入口流量和入口濃度的增加均會導致不同粒度顆粒分離效率下降，且隨著顆粒粒度的增大，分離效率下降幅度增大。通過與試驗數據相比，模擬誤差在10% 以內，模擬結果可信。該研究可為旋流分離裝置在水產養殖領域的應用提供參考。

水產養殖；流體力學；流場；旋流分離；分離效率

0 引 言

中國是水產品生產大國，2016年，中國水產品總產量達6 901.25萬t，其中養殖產量為5 142.39萬t，占總產量的74.51%，較2015年同比增長4.14%[1]。隨著養殖規模的不斷提升，水質資源破壞和環境污染等問題的加劇，養殖模式亟待向高效可持續方向轉變[2-3]。工廠化養殖系統由于能有效改善水體環境，且具有養殖周期短、單位面積產量高等優點，已成為行業研究熱點[4-5]。工廠化養殖密度高，產生的固體廢棄物量較多，去除水體中的大顆粒懸浮物是廢棄物處理的首要任務。目前，大顆粒物去除主要采用離心分離、機械過濾等方法，旋流分離器作為一種離心式的分離裝置，已廣泛應用在石油化工、污水處理等行業[6-9]。然而，其在水產養殖領域的研究和應用鮮有報道。

計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）是利用計算機模擬流體流動、傳熱及相關傳遞現象的技術[10]，其以速度快、成本低、流場信息全面等優點，逐漸成為研究旋流分離器的重要手段[11-13]。劉新陽等[14]采用高濃度混合多相流模型并結合雷諾應力模型和顆粒動力學理論對滴灌用水力旋流器內部顆粒體積濃度分布和分離效率進行了數值模擬。邱元鋒等[15]以高含沙水作為微灌水源，利用CFD模擬分析了離心分離器的內部流場特征。史明明等[16]為提高循環生物絮團系統渦旋分離器分離效率，運用CFD技術對3種不同筒徑比渦旋分離器內固液兩相三維流動進行了數值模擬。

本文以甲魚養殖水體固體懸浮顆粒物為研究對象，設計了一種旋流分離裝置。基于Fluent軟件對旋流分離裝置內部的流動特性進行模擬分析，探究了不同流量、不同濃度對水體固液分離性能的影響，以期為旋流分離裝置在水產養殖領域的研究及應用提供理論參考。

1 數值模擬

1.1 模擬對象

旋流分離裝置主要由柱段和錐段組成，其結構如圖1a所示。流場模擬的計算域，即數值模擬的求解空間是流體存在區域，根據旋流分離裝置結構，提取數值模擬的計算域，如圖1b所示。

1.2 模擬方程

甲魚養殖水中含有大量固體顆粒，屬于固液兩相混合，需要利用多相流模型描述流場變化規律。由于混合液內固相顆粒體積分數相對較大，并且在旋流分離裝置內分布相對廣泛，所以選擇 Mixture多相流模型[17-18]。對于不可壓縮流體，其相關控制方程如下[19-20]

1）質量守恒方程

式中為空間坐標；為養殖水密度，kg/m3；為時間，s；u為速度在方向上的分量，m/s。

圖1 旋流分離裝置圖

2）動量守恒方程

式中為養殖水密度，kg/m3；為流體壓強，Pa；μ為流體動力黏性系數；u為速度在方向上的分量，m/s；x，y為笛卡爾坐標分量；為重力加速度，m/s2。

3）湍動參數方程

旋流分離裝置內為強旋流流動，因此本文采用雷諾應力模型（RSM模型）作為湍流模型。RSM模型輸運方程為：

4）試驗分離效率

式中為底流口的顆粒質量流率，kg/s；為入口處顆粒的質量流率，kg/s。其中=×，為樣品濃度，mg/L；為體積流量，m3/s。

1.3 網格劃分與邊界條件

網格劃分的質量和數量直接影響到控制方程離散的精度和速度，所以劃分合適數量的高質量網格是水力旋流裝置數值研究的關鍵之一[21]。本文利用Fluent前處理軟件Gambit 2.4.6 對旋流分離裝置模型進行混合網格劃分，為提高模擬的準確性，對進口、溢流口、底流口進行加密處理，網格數量為278209個，如圖2所示。同時針對旋流分離裝置進行了網格無關性驗證，相對于當前網格數目，網格數為12萬時的模擬結果變化較大，當網格數增加到47萬時，模擬結果無顯著變化，因此當前網格數符合數值模擬要求。

圖2 旋流分離裝置網格圖

由于旋流分離裝置進水流量穩定，故將旋流裝置的入口設為速度入口，速度為0.36 m/s，速度方向垂直于進口指向進口內側。將底流口和溢流口設為壓力出口，壓力為101 325 Pa。根據前期養殖水顆粒物粒徑體積分布測試結果，模擬采用3種顆粒相粒徑：50、100和150m，每種粒徑顆粒的體積分數分別為0.03、0.04、0.03。

1.4 模擬參數確定

本文基于ANSYS Fluent 15.0平臺進行旋流分離裝置內多相流運動的模擬計算，通過壓力修正法中的半隱式方法來實現速度場與壓力場的耦合。擴散項、源項和對流項的插值方式均選擇對流運動的一階迎風差分格式，在壓強插值方法上選用適用于高度旋流、高壓強梯度的Presto方法，采用標準壁面函數處理靠壁面區域。其他物料參數如表1所示。

表1 物料參數

2 模擬結果與分析

為對比不同參數下的流場分布特性，設置溢流管1/2處縱截面=0作為流場監測面，監測面上錐段1/4處橫線和柱段2/3處橫線作為流場監測線，如圖3所示。

2.1 不同入口流量對分離性能的影響

入口濃度10%條件下不同入口流量旋流分離裝置內的速度云圖如圖4所示。從圖4可以看出，隨著入口流量增加，筒體中部的低速區域面積減少，外旋流區域面積增大，整個筒內的流體速度加快，流場的湍流強度增強。圖5給出了不同入口流量旋流分離裝置內部流線圖。入口流量增加時，入口流速增大，物料在裝置內的速度變化加快，相應地流體的跡線較為繁密。結合圖4和圖5可以看出，入口流量的增加導致旋流分離裝置內部流場湍流強度增大，不利于固相顆粒的沉降。

圖3 監測位置示意圖

圖4 不同入口流量旋流分離裝置速度云圖

圖5 不同入口流量旋流分離裝置流線圖

速度分布是衡量旋流分離裝置分離性能的重要因素[22]。圖6和圖7分別為不同入口流量柱段監測線和錐段監測線的速度分布。隨著入口流量的增加，柱段和錐段監測線切向速度均增大。對于柱段監測線，多數監測點的軸向速度也隨流量增加而增大，但是在中心位置兩側會存在2個點，屬于內外旋流臨界點，其速度大小接近0，并且方向會發生變化；對于錐段監測線，多數監測點的軸向速度也隨著增大，并且內外旋流的臨界點靠近中心位置。如圖6所示，對于柱段監測線，在中心處切向速度接近于0，表明顆粒在此處受到的離心力較小，在內旋流的作用下，顆粒向上端溢流口處運動，入口流量的增加將導致溢流產率增大。由圖7可知，錐段監測線切向速度和軸向速度均在近壁面區域附近達到最大值，表明顆粒在此區域受到的離心力較大，在一定范圍內將提高旋流分離裝置的分離效率，但由于軸向力作用，有部分顆?？赡芟蛞缌骺谔庍\動，增大溢流產率。

圖8顯示了入口流量對旋流分離裝置內不同粒度顆粒分離效率的影響。對于3種粒徑顆粒，不同入口流量分離效率均呈現下降趨勢，這是由于入口流量增加時，分離裝置內部速度增大，顆粒受到湍流流場影響，增加了沉降分離難度。從圖中還可以看出，大粒徑的顆粒分離效率高于小粒徑顆粒的分離效率，主要原因是大粒度顆粒受到的離心力大，因此大部分顆粒隨著筒內外旋流運動到底流口，分離效果較好。

圖6 不同入口流量柱段監測線的速度分布

圖7 不同入口流量錐段監測線的速度分布

圖8 入口流量對不同粒度顆粒分離效率的影響

2.2 入口濃度對分離性能的影響

圖9顯示了入口流量1.6 m3/h時不同入口濃度旋流分離裝置內的速度云圖。速度云圖從上至下分3組，分別表示=0 mm、柱段橫截面=400 mm、錐段橫截面=?90 mm 3個特征面的速度分布。從圖9中可以看出，隨著入口濃度增大，筒體中部的低速區域面積相對增加，外旋流區域面積減小。原因在于增大入口濃度使筒體內顆粒數目增加，顆粒間相互作用增強，物料在裝置內的速度減緩，固相顆粒的分離效果降低。此外，由于顆粒在筒體內滯留時間加長，顆粒不能及時從底流口流出，而在內旋流的作用下從溢流口排出，增加了顆粒的溢出，使溢流產率升高。

圖9 不同入口濃度旋流分離裝置速度云圖

不同入口流量柱段監測線和錐段監測線的速度分布如圖10和圖11所示。從圖中可以看出，當徑向距離增大時，監測線的切向速度整體趨勢先增大后減小，且不同入口濃度下切向速度分布趨勢基本一致。結合圖10和圖11可知，入口濃度對錐段監測線的軸向速度分布影響較大，而對柱段監測線的速度分布影響相對較小。

圖10 不同入口濃度柱段監測線的速度分布

圖11 不同入口濃度錐段監測線的速度分布

圖12顯示了入口濃度對旋流分離裝置內不同粒度顆粒分離效率的影響。當入口濃度増大時，3種粒徑粒度顆粒分離效率均下降。且隨著固體顆粒粒度增大，底流固體顆粒分離效率的下降幅度增大。原因在于大粒度顆粒質量體積大，受到的質量力大，易發生顆粒間的相互作用，使沉降分離難度增加。

圖12 入口濃度對不同粒度顆粒分離效率的影響

2.3 試驗驗證

在前文設計的基礎上，加工了一種旋流分離裝置。為驗證模型結果的準確性，在杭州唯康農業開發有限公司甲魚養殖池中采集水樣，利用采集的甲魚養殖池水樣，在旋流分離裝置中進行了試驗。采用Bettersize3000plus 激光粒度儀（丹東百特儀器有限公司）測試了水樣中顆粒物粒徑的體積分布，顆粒粒徑主要分布在0～175m，與前期測試結果一致。試驗系統進料速度為0.36 m/s，入口流量設定為1.6 m3/h，試驗現象穩定后，同時在進口、底流口與溢流口處取樣，對顆粒濃度進行了測試。

模擬結果與試驗結果對比如圖13所示，從圖13可以看出，各處顆粒濃度模擬值與試驗值的比較接近，且整體變化趨勢一致，誤差在10%以內，結果可靠[20,23]。模擬值在逆流口處的數據高于試驗值，而在入口和底流口處低于試驗值，這可能主要是在模擬時簡化了水體固相模型，將粒度分布寬廣的顆粒簡化成只有3個粒徑的顆粒群。

圖13 顆粒濃度模擬結果與試驗結果對比

3 結 論

1）入口流量增加時，分離裝置內部流場速度增大，湍流流動加劇，不利于固相顆粒的沉降。

2）入口濃度増大，導致流體速度減小，固體顆粒間作用增強，顆粒在筒體內滯留時間加長，分離效率降低。

3）入口流量和入口濃度的增加均會使不同粒度顆粒的分離效率降低，而且隨著粒度的增大，分離效率下降幅度較大。

4）驗證試驗結果與模擬結果誤差在10%以內，這表明CFD模擬能很好的描述旋流分離裝置內部流場變化規律，為旋流分離裝置的研究及應用提供了理論基礎。

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Numerical simulation and validation of solid-liquid cyclone separation device for aquaculture water based on CFD

Li Jianping1,2, Wu Kang1, He Xiangyi1, Chen Junyang1, Ji Mingdong1, Ye Zhangying1,2, Zhu Songming1,2

(1.310058,; 2.310058,)

With the continuous improvement of the scale of breeding, the deterioration of water resources and environmental pollution, the breeding model needs to be transformed into an efficient and sustainable direction. The industrial farming system has the advantages of short culturing period and high yield per unit area. However, due to the large amount of solid wastes generated with high density of industrial farming, the removal of large particles of suspended solids in water is the primary task of waste treatment. As a centrifugal separation device, the cyclone separator has been widely used in petrochemical, sewage treatment and other industries. In order to explore the separation effect of solid-liquid cyclone separation device on aquaculture water, the computational fluid dynamics (CFD) method was used to simulate the flow characteristics of the cyclone separation device. At first, hybrid meshing of the cyclone separation device model was finished using the pre-processing software Gambit 2.4.6. In order to improve the accuracy of simulation, the mesh of inlet, overflow port and bottom flow port were all encrypted. The grid independent validation was done to choose the acceptable mesh. The inlet of the cyclone device was set as the velocity inlet, and the bottom flow port and the overflow port were set as pressure outlets. At last, the mesh was imported in Fluent software to analyze the effects of different inlet flow rates and different inlet concentrations on solid-liquid separation performance. In this simulation, the coupling of velocity field and pressure field was achieved by a semi-implicit method in the pressure correction method. First-order upwind difference scheme of convection motion was selected for the interpolation method of the diffusion term, the source term and the convection term. And the wall surface region was treated by the standard wall function. In order to compare the flow field distribution characteristics under different parameters,=0 of the longitudinal section at 1/2 of the overflow pipe was set as the flow field monitoring surface, furthermore, 1/4 of the cone section and 2/3 of the column section on the monitoring surface were taken as the flow field monitoring lines. The simulation results show that as the inlet flow rate increases, the low-speed area in the middle of the cylinder reduces, and the area of the outer swirling area increases. Moreover, fluid velocity inside the separation device increases, and the turbulent flow increases, which is detrimental to the sedimentation of solid particles. Increasing the inlet concentration will increase the amount of particles in the cylinder and the interaction between particles is enhanced. In addition, the fluid velocity in the cylinder decreases, and the concentration of particles retained in the cylinder increases, which reduce the solid-liquid separation efficiency. The increase of the inlet flow and the inlet concentration leads to a decrease in separation efficiency of particles with different particle sizes. And the larger the particle size, the more significant the separation efficiency decreases. According to the comparison between simulation results and experimental data, the simulation error is less than 10%, and the simulation results are trustworthy. This study can provide a reference for the application of cyclone separation devices in aquaculture.

aquaculture; fluid mechanics; flow field; cyclone separation; separation efficiency

2018-12-17

2019-05-28

浙江省重大科技專項重點農業項目（2015C02010）和國家水體污染控制與治理科技重大專項課題（2014ZX07101）聯合資助

李建平，教授，博導，主要從事設施水產養殖工程技術與裝備研究。Email：jpli@zju.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.021

S238

A

1002-6819(2019)-11-0182-06

李建平，吳 康，何相逸，陳駿煬，季明東，葉章穎，朱松明. 基于CFD的養殖水體固液旋流分離裝置數值模擬與驗證[J]. 農業工程學報，2019，35(11)：182－187. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.021 http://www.tcsae.org

Li Jianping, Wu Kang, He Xiangyi, Chen Junyang, Ji Mingdong, Ye Zhangying, Zhu Songming. Numerical simulation and validation of solid-liquid cyclone separation device for aquaculture water based on CFD[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(11): 182－187. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.021 http://www.tcsae.org