入水管參數對船載養殖艙流場特性的影響

郭黎明 王志 陳楚瑤

(1 上海和創船舶工程有限公司研發部,上海 200135;2 上海海事大學海洋科學與工程學院,上海 200135)

中國是世界上最大的水產養殖國,水產養殖產量占世界總產量的70%左右[1],但傳統水產養殖業仍存在著耗水量大、尾水排放污染、病害嚴重、濫用藥物等問題[2]。近年來,根據循環水養殖體系的優勢,在國內外開展了水產養殖業的研究和實踐[3]。封閉的工廠化生產方式對儀器設備的依賴程度很高,而養殖艙是可移動式養殖工船的關鍵設施,因此,構建適宜的養殖艙流場環境是實現高效養殖的重要保障[4-5]。目前養殖艙的設計及優化在國內尚未引起足夠的重視,養殖艙內流場的研究更是少有涉及[6]。在養殖艙流場特性的相關研究中,Oca等[7]結合ADV(流速儀傳感器)和數學分析法,針對圓形養殖艙內水體的速度分布提出了一個數學模型。該模型可以擬合流量、入水管直徑和水深,以獲得圓形養殖艙的最佳流速和均勻的流場。Gorle等[8]利用CFD(計算流體動力學)技術開發養殖艙流體動力學的計算模型,以模擬養殖艙中的流場,并區分相對較小和較大養殖艙的物理特性,研究結果給出了包括速度、渦流和湍流在內的艙內流場分布;此外他們還研究模擬了一個大型八角形循環水養殖艙的水流速度分布,通過ADV模型試驗對數值模擬結果進行了驗證,表明在低流量進水管中加入一個徑向流量可以提高養殖艙的整體水動力性能[9]。于林平等[10]從養殖艙幾何形狀優化和進出水裝置改進等多方面開展研究,以改善養殖艙系統的水動力特性和集排污性能。F?re[11]建立了一個模型來估計物理參數變化對鮭魚生長性能的影響。該模型通過對不同尺寸養殖艙的研究試驗數據進行驗證,能夠預測不同養殖艙規模的影響。

本文基于CFD技術模擬分析養殖艙的流場特性,并對入水管的數量、距池壁的距離、入射角度等參數對流場結構的影響進行探討,通過對比養殖艙內流場的平均速度和均勻程度來探尋最優入水管的布置方案,以提供適宜養殖魚類的生長環境,并為船載養殖艙的設計提供參考依據。

1 計算模型的建立

1.1 理論方法

(1)湍流控制方程

湍流是一種普遍存在的流動,其基本特征是多物理尺度和數學非線性,實際的水流流動大多可以認為是湍流流動,因此在進行數值模擬時需要選取適當的湍流模型[12]。RNGk-ε模型是對標準k-ε模型的改進,修正了湍流黏度,考慮了平均流動中的旋轉和旋流流動情況,并在ε方程中反映了主流的時均應變率[13]。與標準k-ε模型相比,RNGk-ε模型可以更好地處理高應變率及流線彎曲程度較大的流動[5]。因此本文所采用的湍流模型為RNGk-ε模型。該模型連續性方程和動量守恒方程用張量的指標形式表示如下。

連續性方程:

(1)

動量守恒方程:

(2)

RNGk-ε模型湍流動能和耗散率方程分別為

YM

(3)

(4)

式(3)～(4)中,Gk是由平均速度梯度引起的湍動能k的產生項;Gb是由浮力引起的湍動能k的產生項,對于不可壓縮流體,Gb=0;YM表示可壓縮湍流脈動膨脹對總耗散率的影響,對于不可壓縮流體,YM=0。在FLUENT中,作為默認值常數,C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=0.09,αk和αε分別是湍動能k和耗散率ε的有效湍流普朗特數的倒數。

(2)自由液面捕捉方法

水汽交混自由液面應用VOF(volume of fluid)方法進行捕捉,VOF模型適用于處理分層或自由表面這樣的問題[14-15]。VOF方程為:

(5)

當C=1時,網格充滿流體A,為流體網格;當C=0時,為空網格;當0

1.2 養殖艙模型的建立

(1)船載養殖艙模型

根據CAD圖紙提供的參數,在Solidworks 2018中建立養殖艙包括內部入水管的幾何模型,幾何模型的詳細參數在下文進行介紹。船載養殖艙布置見圖1。如圖1所示,整艘船載養殖艙共設置18個養殖艙,從船艉至船艏分別編號為1 ～18號,其中1號至14號養殖艙幾何尺寸相同,15號至18號受船艏影響,外形和尺寸進行了調整。為了使研究結論具有普遍性,對船舯附近的7號養殖艙進行流場分析,7號養殖艙的位置見圖1,其內部布置見圖2。7號養殖艙為八角形,其內側沿船長、船寬和深度方向的長度分別為15.34 m×16.60 m×17.00 m。為了收集沉積的飼料和魚糞等固體殘渣,養殖艙底部(圖2中紅色壁面)是坡度為2°的斜坡,以便于顆粒物向底排口集中。

圖1 船載養殖艙布置圖

圖2 7號養殖艙水動力計算模型

(2)入水管和出水管模型

在養殖艙內設置進水管和出水管,并在管上開孔(見圖3～4)。參考國內外研究現狀可知,養殖艙進水管需要對稱分布才能獲得較好的循環流場,如果只在一側安裝1根或2根進水管,無法充分攪動養殖艙內部水體流場,導致進水口遠端的流場速度較低,不適宜魚類生存。根據養殖艙八角形結構的特點,在艙內對角線處對稱安裝2根或者4根進水管,使流場分布更為均勻,也有利于魚類養殖作業。因此,本研究在養殖艙內設置2根或4根入水管,入水管直徑為630 mm,沿長度方向均勻開設33個孔(出水口),入水管的安裝位置、角度以及出水口孔徑將在后文進行探討。根據流量和開孔面積參數,初始布置4根進水管時養殖艙換水速度為1.52 m/s。出水口則由頂部排水口、中間排水管上的出水口及底排水口組成,其中頂部排水口的流量占總流量的30%,中間出水口及底排水口的排水量占總流量的70%。

圖3 進水管網格分布情況

圖4 出水管和底排水口網格分布情況

1.3 網格劃分與邊界條件設置

將建好的幾何模型轉換為IGS格式文件,并導入Ansys ICEM CFD軟件中劃分網格,網格分布見圖2～4。整個流場內部采用四面體網格劃分,入水口和出水口等尺寸較小的區域將網格進行加密進而提高計算精度。養殖艙流動空間內的網格數量為287萬,入水管表面網格數為10.7萬,入水口網格數為1.4萬,出水口網格數為5.6萬,中間管出水口網格數為1.5萬,底排水口網格數為0.3萬。

本研究中的養殖艙邊界條件設置如下:入水口設為速度入口,入口速度根據入水口的直徑和流量進行確定;出水口設為壓力出口;假設水面無剪切和滑移速度,當作自由界面處理,壓力值為大氣壓;池底和池壁為固體壁面邊界,采用標準壁面函數;池頂為自由液面。計算過程中,壓力速度耦合方式采用SIMPLE的方法,湍流動能采用一階迎風離散模式[16]。

1.4 網格無關性驗證

對網格的獨立性進行驗證,排除網格密度對養殖艙流場模擬結果的影響。劃分3組不同密度的網格模型,分別命名為Mesh-coarse、Mesh-medium和Mesh-fine。艙室網格尺寸依次減小25%,對應的網格數量分別為128萬、287萬和644萬。

采用前文介紹的方法對初始布置方案的養殖艙進行水動力分析,將3組網格計算的流場平均速度結果進行對比。由于養殖艙內的水流循環方向與水平面平行,且后文將對不同水深位置的流場進行對比,因此,本研究選取3種不同水深(2 m、7 m和12 m),對其平面處的平均速度和速度分布情況進行網格無關性分析。網格無關性驗證結果見表1。

表1 網格無關性驗證中不同水深處的平均速度

從計算結果中可以看出,網格密度對計算結果有一定的影響。由Mesh-coarse加密到Mesh-medium的過程中,平均速度變化較大,因此需要進一步加密。由Mesh-medium繼續加密到Mesh-fine的過程中,網格數量增加了2.24倍,而不同位置處的流速變化均在1%左右。成倍加密網格帶來了巨大的計算量,但是對計算結果影響較小,因此,后文均采用Mesh-medium的網格密度來進行養殖艙流動數值分析。

2 結果與分析

2.1 計算工況介紹

為了分析入水管布置方式對養殖艙流場的影響,本文對入水管數量、入水管與池壁距離和入水口開孔角度等參數進行分析,具體入水管入射角度和位置見圖5,具體分析工況見表2。為了能夠對比2根和4根入水管工況的流場情況,將2根入水管的口徑改為4根入水管口徑的1.414倍,也就是14.14 mm,這樣處理后所有入水管的射流速度均為1.52 m/s。

表2 入水管參數

圖5 入水管入射角度和位置示意圖

2.2 不同參數對養殖艙流場的影響

2.2.1 計算結果的整理

為了分析以上入水管參數對流場的影響,文中計算了所有工況的流場,并對比了水深5 m處的流速分布,結果見圖6～7。

圖6 采用2根入水管的養殖艙速度分布(水深5 m處)

由圖6～7可以看出,入射角度在22.5°～45°范圍內,隨著入射角度的增大,養殖艙內流場低速區逐漸減小,個別工況增加到一定程度時流場變得紊亂。當入射角度在30°～35°時,入射流將與艙內水體運動的切線方向形成一個夾角,切線方向上的水體與池壁相互作用,產生能量損失,使得流體的切向速度降低,入射流逐漸轉向,驅使中心區域的流體旋轉,破壞了流場的混合均勻性。為了分析入水管數量、池壁距離以及開孔角度3個參數對流場分布的影響,本文保持其他兩種變量不變,單獨分析某個參數對養殖艙內水體循環情況的影響。

2.2.2 入水管數量對養殖艙流場的影響

選取入水管距池壁2 900 mm、開孔角度為35°時的養殖艙,比較入水管分別為2根和4根時的養殖艙流場,養殖艙中縱剖面處的速度分布見圖8。

結合圖8結果和圖7中對應的工況結果可以看出,在布置2根入水管的養殖艙內,顯示為深藍色的低速區范圍較小,而布置4根入水管的養殖艙內流速小于0.1 m/s的區域范圍更大。通常大范圍的低速區不適合進行魚類養殖,因此,在本研究的參數范圍內,布置2根入水管的養殖艙流場更優。

圖8 不同入水管數量的中縱剖面速度分布情況(左為2根,右為4根)

2.2.3 入水管與池壁的距離對養殖艙流場的影響

確定入水管數量后,將開孔角度設置為35°,分析入水管距池壁的距離對養殖艙流場的影響,養殖艙中縱剖面處的速度分布如圖9所示。

由圖9和圖7中對應的工況結果可以看出,隨著入水管與池壁距離的增加,流場中央的低速區逐漸變小,當與池壁的距離為3 400 mm時,低速區最小。繼續增加距離,流場低速區反而增大。因此,在一定條件下,入水管與池壁的距離有最優布置情況,對比分析結果,入水管距離池壁3 400 mm時流場最優。

2.2.4 開孔角度對養殖艙流場的影響

確定前兩個參數后,再對開孔角度進行對比,養殖艙中縱剖面處的速度分布如圖10所示。

由圖10和圖7中對應的工況結果可以看出,隨著開孔角度的增加,養殖艙內的低速區逐漸減小,當開孔角度為35°時,艙內流場最為均勻。繼續增加開孔角度,入水口的射流互相影響,使養殖艙內流場混亂,不利于魚類養殖,因此,開孔角度為35°時流場最優。

2.3 養殖艙入水管最優布置方式分析

為了更合理地選擇入水管的布置方式,對幾種工況的平均速度和標準差進行對比,分別繪制成散點圖和表格。在不同工況下流場平均速度變化情況見圖11,標準差見圖12。

圖11 入水管與池壁不同距離時的流場平均速度變化情況

圖12 不同池壁距離下流場速度的標準差結果

由養殖艙內平均流速、標準差和流場云圖綜合分析得出,當入水管距池壁距離由1 900 mm增大到3 400 mm時,艙內水體逐漸呈現離心運動狀態,鄰近艙壁的水體逐漸呈現向中心運動的態勢,水體由離心運動狀態逐漸變為環流運動(與艙壁幾何形狀有關),水體質點間的能量消耗占比減小,艙內水體混合均勻性明顯改善;當入水管與池壁的距離從3 400 mm增大到3 900 mm時,水體質點間的非規則運動及相互摩擦產生的能量損失導致養殖艙中間區域出現大面積低流速區,艙內水體混合均勻性逐漸變差,養殖艙的利用率降低。

平均速度體現了養殖艙內整體速度的情況,當出現流場紊亂的情況,平均速度會迅速下降;而標準差體現了養殖艙內流場速度的均勻程度,標準差結果越小,流場越均勻。對比計算結果發現,入水管數量、與池壁的距離以及入射角度都影響流場的平均速度和標準差。減少流場與池壁間的摩擦和入射水流之間的干擾,能夠減小流體動能的損失,流場速度也會更平均;當不同位置速度差異變小后,流場速度的標準差也隨之減小。對比采用4根和2根入水管的養殖艙,2根管的平均速度更高,標準差更小,且2根入水管的安裝布置更為簡單。

增大入水管與池壁的距離能夠提高養殖艙的平均速度并降低標準差,當與池壁的距離從1 900 mm增大到2 900 mm或3 400 mm時,流場平均速度達到最大值,此時標準差也達到最小值。

增加入射角度也可以提高養殖艙流場的平均速度并降低標準差,當入射角度增加到30°或35°時,流場平均速度達到最大值,此時標準差也達到最小值。

2.4 入水管流速對養殖艙流場的影響

根據前文分析結果可知,當采用兩根入水管、入水管距池壁3 400 mm、入射角度為35°時,養殖艙流場分布較為合理。確定好養殖艙入水管的布置方式后,還需要確定養殖艙換水速度(入水管射流速度)對流場的影響,同時觀察液面的變化情況。其中1倍、2倍和3倍流量分別對應的入口射流速度為1.52 m/s、3.04 m/s和4.56 m/s,同時底排水的速度也隨之成倍增加。不同流量下養殖艙對稱面內液面狀態和速度矢量結果見圖13。

從以上結果可以看出,當底排水速度增加到一定程度后能夠產生水面漩渦。增大底排水流速的方式是提高養殖艙內的流量,當入水管流速成倍增加后,底排水的流速也相應地成倍增加,當底排水流速增大到200%時,流場速度分布發生改變,液面產生輕微的凹陷,養殖艙中心位置出現漩渦,流場速度矢量產生旋轉,出現類似“龍卷風”的結構,速度場中心處出現類似“暴風眼”的低速區。當底排水流速增大到300%時,這種漩渦的規模和強度繼續增加,液面出現明顯的凹陷,漩渦的旋轉速度遠超流場其他位置的速度,不同高度的中心在水平位置發生擺動,使之更像“龍卷風”。這種流場分布不利于魚類養殖,因此設計養殖艙流量時一定要考慮流場是否會出現漩渦。

3 討論

目前大多數船載養殖艙的深度相比寬度較小,大深度養殖艙的相關研究較少。本文采用CFD方法分析了不同入水管的布置方式對船載養殖艙流場的影響,得出以下研究結論:

(1)流場模擬結果表明,養殖艙壁面處的水流速度最大,艙內流速分布由艙壁向中心逐漸減小。養殖艙中心存在流動較慢的低速區,隨著進水流速的增大,低速區域的面積逐漸減小,但不會消失,艙體中心小面積的低速區可有效防止固體顆粒物受擾動后重新懸浮,但若該區域逐漸擴大,會降低養殖艙的利用率和排污能力。出現低速區的主要原因是:水體質點與艙壁摩擦造成的能量損失。

(2)選擇合理的進水管布置,可以在滿足養殖需要的同時優化養殖艙流場。由流場速度分布特征圖可以看出,采用2根(雙管間隔式)入水管布設艙底,流場平均速度更高,標準差更小,養殖艙壁面處的低流速區占比小,流場分布更加均勻。雙管間隔式進水保證了流場水流均勻,有利于二次流的形成,可以促進魚類糞便等固體廢棄物的匯聚,且兩根管的布置更簡單。其余工況下,養殖艙的倒角和邊壁處均會出現環流運動和大面積的低速區。

(3)增大入水管與池壁的距離能夠提高養殖艙流場平均速度并降低標準差。當入水管距池壁3 400 mm時,水體質點與艙壁摩擦消耗的能量占比逐漸降低,艙內水體用于維持環流運動和離心運動所需要的能量增多,艙內能量足以忽略水體離心運動時質點間相互撞擊產生的能量損失,艙內水體的均勻性得到改善,養殖艙水體質點呈現穩定平衡的規則質點運動,艙內高低流速區分布穩定,流場整體流速較高且流體混合均勻。

(4)降低養殖艙由入射水流與艙壁撞擊所產生的能量消耗是優化養殖艙流場特性的有效方式。當入射角度在22.5°～35°時,水流平均速度隨著入射角度的增加而逐漸增大;當入射角度在35°～45°時,水流平均速度隨著入射角度的增加而逐漸減小。當入射角度為35°時,養殖艙內平均流速達到最大,此時標準差也達到最小值。

(5)提高底排水速度能夠產生液面旋渦。當底排水流量增加到設計工況的2倍時,液面會出現凹陷,流場中心處出現漩渦結構,漩渦外圍速度大小超過流場其他位置的速度;繼續增加底排水流量,漩渦沿水深方向發生擺動。

本研究旨在為船載養殖艙流場分析提供一種新的研究思路,未來將會通過實船測量進一步驗證本文研究結果的可靠性。