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        氣力人工上升流對水體溫度的影響研究*

        2014-03-29 05:45:00冷金英黃豪彩陳家旺樊煒葛晗林杉劉明洲楊景陳鷹
        機電工程 2014年4期
        關(guān)鍵詞:上升流湖水溫度場

        冷金英,黃豪彩,陳家旺,樊煒,葛晗,林杉,劉明洲,楊景,陳鷹

        (浙江大學(xué)海洋學(xué)院,浙江杭州310058)

        0 引言

        自然上升流是一個關(guān)鍵的海洋物理過程[1-2],它可以把海水下層的營養(yǎng)鹽帶到中上層,使上升流地區(qū)的海洋初級生產(chǎn)力達到大洋的6倍,魚類生產(chǎn)量達到大洋的75倍,使上升流地區(qū)成為世界上海洋生產(chǎn)力較高的區(qū)域[3-5]。海洋上升流是支持漁業(yè)生產(chǎn)的重要因素,能夠很好地改善海洋生態(tài)環(huán)境[6],一方面可為浮游植物提供足夠的營養(yǎng)供其進行光合作用,從而產(chǎn)生出更多的有機物供魚類生長繁殖,世界主要漁場多數(shù)分布在上升流充沛的海域,如東海漁場、秘魯漁場等[7-8];另一方面可以降低上層海水的溫度,緩解溫室效應(yīng),為浮游生物提供一個適宜生長的溫度范圍,對環(huán)境起到良性的作用[9-10]。但是在自然界中,自然上升流海域占世界海洋面積的比例很小。

        人工上升流技術(shù)利用某種特殊裝置,將溫度較低且含有豐富營養(yǎng)鹽的深層海水提升至真光層,提高其作用海域的初級生產(chǎn)力。本研究的人工上升流采用注氣的方式,稱為氣力人工上升流[11]。目前人工上升流是國內(nèi)外海洋科學(xué)研究的熱點與前沿,其研究重點為在工程上實現(xiàn)海域研究,但在如何監(jiān)測和評價人工上升流的環(huán)境效應(yīng)(如溫度場的監(jiān)測)等方面的研究較少。目前日本在人工上升流方面處于世界領(lǐng)先水平,利用水泵抽水的方式提升營養(yǎng)鹽,稱為“拓?!把b備,其中的監(jiān)測系統(tǒng)能夠監(jiān)測溫度和鹽度曲線隨距離的變化。

        為給以后的海試做準(zhǔn)備,本研究首先在千島湖地區(qū)進行試驗研究,主要研究注氣式人工上升流的可行性,其中包括涌升管的設(shè)計、溫度的變化以及注氣量和液體提升量之間的關(guān)系。在千島湖湖試的基礎(chǔ)上,本研究利用試驗中的背景數(shù)值(如湖水溫度和密度隨深度的變化)建立VOF多相流模型對溫度場進行仿真。在仿真過程中忽略管壁的摩擦和管壁的熱傳遞,水體溫度場的仿真結(jié)果和試驗結(jié)果基本吻合。

        1 試驗研究

        1.1 試驗裝置

        為驗證氣力人工上升流提升海水的可行性和效果,人工上升流項目組于2011年10月25日在浙江省淳安縣千島湖地區(qū)進行了為期3天的試驗研究。試驗所在方位為北緯29°33′51″,東經(jīng)119°11′9″,試驗水域水深40 m,湖水靜止。雙體試驗船上有試驗所需的電源、起重機、甲板作業(yè)單元等,保證了試驗的順利進行和人員的人身安全。

        試驗裝置如圖1所示,主要包括:試驗船(雙體船)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、空壓機、流體控制閥、壓力控制閥、氣體流量計、注氣管、起重機、注氣口、電磁流量計、溫度、壓力傳感器、配重塊和涌升管等。其中試驗所用涌升管管徑為0.4 m,管長28 m。

        圖1 試驗裝置圖

        空壓機產(chǎn)生的氣體依次經(jīng)過氣體控制閥、壓力控制閥、氣體流量計、注氣管,通過噴嘴注入涌升管內(nèi);距管口8 m位置處安裝電磁流量計;注氣口位于電磁流量計上面0.5 m處;溫度傳感器共兩個,分別位于涌升管管口的內(nèi)部和管底的外部;數(shù)據(jù)采集器用于實時采集、顯示和存儲溫度數(shù)據(jù);計算機用于實時監(jiān)測所測得的溫度數(shù)據(jù)。

        試驗前,本研究對溫度傳感器和溫鹽深計(CTD)進行校準(zhǔn),然后進行設(shè)備組裝,組裝完成后進行數(shù)據(jù)采集,同時實時測量涌升管內(nèi)溫度隨時間的變化,試驗現(xiàn)場圖如圖2所示。

        圖2 試驗現(xiàn)場圖

        1.2 溫度監(jiān)測系統(tǒng)

        該實驗采用溫度傳感器(如圖3(b)所示)測量湖水的溫度,溫度傳感器的探頭由負溫度系數(shù)熱敏電阻組成,如圖3(a)所示,其具有靈敏度高、體積小、質(zhì)量輕、熱慣性小、壽命長、溫度特性波動小以及價格便宜等優(yōu)點,可進行高靈敏度、高精度檢測。對于負溫度系數(shù)的熱敏電阻來說,其阻值與溫度之間的關(guān)系可表示為:

        式中:RT—溫度T(K)時的電阻值;R0—熱力學(xué)溫度為T0時的電阻值,R0=272.8 kΩ;B—熱敏電阻的材料常數(shù);T0—基準(zhǔn)溫度,通常為298.15 K;T—測得的溫度[12]。

        溫度傳感器測得的數(shù)據(jù)由傳輸電纜線傳送到自主研發(fā)的數(shù)據(jù)采集器(如圖3(c)所示)。數(shù)據(jù)采集器包含電源電路、處理傳感器信號的調(diào)理電路、控制數(shù)據(jù)采集器循環(huán)操作和進行A/D轉(zhuǎn)換的Flash存儲器、通信接口。LabVIEW是一種多功能的圖形化編程軟件,計算機通過LabVIEW軟件,可以在操作界面(如圖3(d)所示)內(nèi)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集、顯示和存儲,從而實現(xiàn)系統(tǒng)的原位、實時監(jiān)測[13]。

        圖3 溫度監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分和軟件操作界面

        1.3 試驗結(jié)果

        試驗采用空壓機進行注氣,注氣過程中速度的調(diào)節(jié)方式采用手動,氣體速度隨時間變化不規(guī)則,注氣管的直徑為10 mm,注氣時的平均氣流量在300 L/min~400 L/min,氣體的輸入速度和水體上下層的溫度數(shù)據(jù)隨時間的變化情況如圖4所示,水體溫度和密度隨深度的變化如圖5所示。

        從圖4可以看出,沒有注氣過程發(fā)生時,距湖水表層1 m處的上層溫度和距湖水表層29 m處下層溫度的變化都不大,溫度分別維持在22℃和16.8℃左右;

        圖4 氣體輸入速度和測得的溫度數(shù)據(jù)隨時間的變化

        隨著注氣過程的開始,上層溫度隨著下降,在50 s的時間內(nèi),溫度降低到16℃左右,并且低于涌升管底部溫度,說明涌升管底部以下溫度更低的湖水由于上升流效應(yīng)被帶至上層,涌升管底部溫度保持不變;

        隨著注氣過程的結(jié)束,在100 s時間內(nèi),上層溫度又慢慢回升到22℃左右,說明由于湖水密度差的原因,密度高的低溫湖水慢慢沉降,密度低的表層湖水仍在表層,底層溫度不變。

        圖5 湖水溫度和密度隨深度的變化(由CTD測得)

        從圖5中可以看出,在0~17 m的范圍內(nèi),湖水溫度變化不大,為22℃左右,湖水密度為997.8 kg/m3左右;17 m~30 m的范圍內(nèi)湖水溫度逐漸降低,降至14℃左右,湖水密度逐漸升高,最高可達最低999.4 kg/m3。千島湖位于錢塘江上游新安江主流上,是中國北亞熱帶地區(qū)的大型深水水體,水溫具有明顯的分層現(xiàn)象。17 m處為溫躍層,湖水溫度和密度急劇變化。在以后進行的試驗中,研究人員可以控制稀釋后的深層海水保持在這個深度不變,這樣可以解決沉降問題,所以溫躍層的存在可以很好地指導(dǎo)以后的試驗。

        2 溫度場仿真

        2.1 Fluent計算模型

        在計算過程中,水做不可壓縮處理。在上升流過程中,湖水的溫度和速度都隨時間變化,所以為非定常流動,湖水的雷諾數(shù)為:

        式中:V—涌升管內(nèi)水的運動速度,最小速度設(shè)為0.1 m/s;D—涌升管管徑,0.4 m;μ—運動粘度,湖水的運動粘度可取為10.09·10-6。

        經(jīng)計算得雷諾數(shù)為3 964,大于2 320,因此本研究采用湍流模型【14-15】。

        2.2 計算幾何模型和邊界條件設(shè)置

        計算模型中湖水所在豎直截面區(qū)域?qū)挾葹?0 m,深度為30 m;涌升管長度為28 m,直徑0.4 m,涌升管口離水面的距離為1 m;本研究在離水面9 m處設(shè)置氣體產(chǎn)生裝置,氣體發(fā)生裝置長和寬分別為0.1 m,其中氣體發(fā)生裝置的上邊界是氣體的速度入口,其余邊界為wall;網(wǎng)格個數(shù):125 608。在計算模擬過程中,會用到千島湖湖試測得的溫度和密度隨深度變化的背景數(shù)值如圖5所示。氣體入口處的溫度約為22℃,涌升管底部水的速度入口,湖水速度入口處的溫度約為16℃,湖水水面為出口,出口類型為壓力出口。涌升管管壁,氣體發(fā)生裝置的外壁和整個流體區(qū)域的外壁的邊界類型設(shè)為wall。由于涉及氣液兩相流,且氣泡在水中的運動過程是一個動態(tài)的過程,在計算時筆者選取非穩(wěn)態(tài)的計算方法,在求解過程中采用VOF模型和PISO壓力-速度耦合格式,并保持所有變量的亞松弛因子設(shè)置為默認(rèn)[16-19]。

        2.3 溫度場數(shù)值仿真結(jié)果

        本研究運用Fluent對長為28 m,直徑為0.4 m的涌升管內(nèi)流體溫度場進行仿真,氣體輸入速度如圖4所示。仿真過程中,在離管口處設(shè)置溫度監(jiān)測點,監(jiān)測點位置的溫度仿真結(jié)果如圖6所示。

        圖6 仿真過程中氣體速度和溫度隨時間的變化

        從圖6中可以看出,試驗溫度和仿真溫度的趨勢基本上吻合,溫度開始下降的時間和下降的斜率吻合的很好,在溫度回升階段,仿真溫度回升后的最大溫度為20℃左右,試驗溫度為22℃左右。由于溫度仿真模型中沒有考慮大氣輻射等因素,而且湖水內(nèi)部實際是有流動的,試驗區(qū)域是一個很大的開放區(qū)域等,溫度場仿真的結(jié)果會和實際測量的溫度數(shù)據(jù)有偏差,在以后的仿真中需繼續(xù)對模型進行修正,使仿真結(jié)果更加接近實驗數(shù)據(jù)。

        3 結(jié)束語

        研究結(jié)果表明,氣力人工上升流可明顯提升湖水,上升流過程中上層湖水的最低溫度要低于涌升管底部的底層溫度,說明上升流可將涌升管底端以下的湖水提升至上層,實現(xiàn)底部低溫湖水和上部高溫湖水的冷、熱交換,同時也可將水底豐富的營養(yǎng)鹽帶到表層,供浮游生物食用,從而提高湖水的初級生產(chǎn)力。溫度場仿真計算模型考慮千島湖真實的密度和溫度梯度,與實驗基本吻合,能夠很好地預(yù)測上升流對湖水溫度的影響??紤]海水中洋流等因素,從而可以用該模型預(yù)測氣力人工上升流對海水溫度場的影響。研究人員可以在以后的計算中改變涌升管管徑和長度等,從而指導(dǎo)涌升管的設(shè)計和注氣量的控制等,以期找到最佳的涌升管設(shè)計方案和最佳的注氣量,更好地指導(dǎo)注氣式人工上升流系統(tǒng)的設(shè)計。

        ):

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