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        淺海圍欄牧場(chǎng)設(shè)施工程數(shù)值模擬分析

        2020-06-01 07:58:51鄒海生朱燁洪揚(yáng)李超
        江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020年8期

        鄒海生 朱燁 洪揚(yáng) 李超

        摘要:為了研究淺海養(yǎng)殖圍欄設(shè)施的可靠性、安全性,以我國(guó)海洋工程的樁基設(shè)計(jì)及漁用網(wǎng)片水動(dòng)力性能研究為基礎(chǔ),應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù),對(duì)圍欄設(shè)施阻力進(jìn)行模擬計(jì)算與分析。研究表明,對(duì)單一網(wǎng)片采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行受力分析是可行的,其誤差范圍為±3 N,采用數(shù)值模擬方法對(duì)圍欄設(shè)施的水動(dòng)力性能進(jìn)行研究,得出隨著樁柱數(shù)的增加、流速的加快,圍欄設(shè)施的總阻力也逐漸增大,同時(shí)在一定區(qū)間內(nèi)其總阻力的變化小,適當(dāng)增加樁柱數(shù)或選擇合適樁柱數(shù),對(duì)圍欄設(shè)施有很好的保護(hù)作用。

        關(guān)鍵詞:養(yǎng)殖圍欄設(shè)施;樁柱;網(wǎng)片;數(shù)值模擬

        中圖分類號(hào): S953.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A

        文章編號(hào):1002-1302(2020)08-0238-04

        收稿日期:2019-03-22

        基金項(xiàng)目:中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(編號(hào):2017HY-ZD0603)。

        作者簡(jiǎn)介:鄒海生(1981—),男,安徽合肥人,工程師,主要從事海洋漁業(yè)裝備設(shè)施研究。Tel:(021)67866750;E-mail:zouhaisheng@fmiri.ac.cn。

        淺海牧場(chǎng)式圍欄設(shè)施與生態(tài)養(yǎng)殖符合漁業(yè)轉(zhuǎn)方式、調(diào)結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向,是海水養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)調(diào)整產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重要新興技術(shù),有廣闊的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景。圍欄牧場(chǎng)養(yǎng)殖設(shè)施是漁業(yè)裝備與工程集成應(yīng)用、相輔相成的重要體現(xiàn)[1-5]。目前該模式發(fā)展迅速,但存在規(guī)模較小、成本較高、養(yǎng)殖對(duì)象單一、技術(shù)不夠成熟等問(wèn)題;同時(shí)在圍欄構(gòu)建中普遍缺乏關(guān)于風(fēng)、浪、流的基礎(chǔ)理論作依據(jù),且國(guó)內(nèi)相關(guān)研究較少,在實(shí)際使用中存在著結(jié)構(gòu)安全性的問(wèn)題,可造成養(yǎng)殖生產(chǎn)的巨大經(jīng)濟(jì)損失等問(wèn)題。

        趙云鵬等對(duì)不同流速和不同沖角組合情況下的單片網(wǎng)衣周?chē)牧鲌?chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬[6];王磊等介紹了樁柱式銅合金圍欄養(yǎng)殖發(fā)展現(xiàn)狀及圍欄結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,并提出幾點(diǎn)建議[7];陳昌平等研究了水流作用下金屬網(wǎng)衣的水阻力,結(jié)果發(fā)現(xiàn),網(wǎng)線直徑加大會(huì)增加水的阻力[8]?,F(xiàn)有研究大部分都是利用數(shù)值方法對(duì)網(wǎng)衣受力進(jìn)行3個(gè)方向上的分析,而關(guān)于樁柱和網(wǎng)衣的模擬研究鮮見(jiàn)報(bào)道。為研究立柱的抗風(fēng)浪性能、圍欄網(wǎng)繩的受力情況,本研究先采用Fluent軟件對(duì)單一網(wǎng)片水動(dòng)力性能進(jìn)行數(shù)值模擬[9-10],并修正計(jì)算過(guò)程和有關(guān)參數(shù),驗(yàn)證數(shù)值模擬的可行性,再對(duì)不同流速下不同樁柱圍欄設(shè)施受力情況以及在同一流速下,不同樁柱圍欄設(shè)施的受力情況進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬,探討不同樁柱對(duì)圍欄設(shè)施受力的影響,旨在為圍欄設(shè)施的總體設(shè)計(jì)提供可靠的技術(shù)支持。

        1?流體力學(xué)控制方程

        海浪運(yùn)動(dòng)為不可壓縮性流動(dòng),因此本研究中流體運(yùn)動(dòng)的控制方程采用不可壓縮黏性流體Navier-Stokes方程組[11-12]:

        ρt+xi(ρui)=0

        t(ρui)+xj(ρuiuj)=-pxi+ρgi+xjμuixj+Si。(1)

        式中:ρ為流體密度;t為時(shí)間;xi,xj(i=1,2,3;j=1,2,3)為3個(gè)方向上的空間坐標(biāo);ui、uj為3個(gè)方向的速度分量;p為壓強(qiáng);gi為3個(gè)方向上的加速度;μ為動(dòng)力黏性系數(shù);Si為源項(xiàng)。

        RNGk-ε模型具有較高的精確度和可信度,已被廣泛應(yīng)用到各種湍流模擬中。本研究采用 RNGk-ε 模型進(jìn)行模擬,對(duì)于不可壓縮波浪,其輸運(yùn)方程為

        kt+xi(kui)=xjakveffkxj+Gk-ε

        εt+xi(εui)=xjaεveffεxj+G1εεkGk-G2εε2k。(2)

        式中:veff為有效黏度;Gk為由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng);ε為湍流耗散率;常數(shù)ak=aε=1.39,G1ε=1.42,G2ε=1.68。

        2?單一網(wǎng)片水動(dòng)力性能數(shù)值模擬及試驗(yàn)驗(yàn)證

        2.1?網(wǎng)片三維模型

        利用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent對(duì)單一網(wǎng)片進(jìn)行水動(dòng)力性能數(shù)值模擬[13-14],網(wǎng)片大小為480 mm×480 mm,網(wǎng)繩直徑為4 mm,間距為40 mm,實(shí)際網(wǎng)繩為上下編織形狀,但該形狀在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格劃分時(shí)比較繁瑣,因此將網(wǎng)繩簡(jiǎn)化為相互穿透齊平形狀,該簡(jiǎn)化操作對(duì)于數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響基本可以忽略,簡(jiǎn)化后的網(wǎng)片三維模型見(jiàn)圖1。

        2.2?網(wǎng)格劃分

        計(jì)算域選取網(wǎng)前1倍的網(wǎng)片長(zhǎng)度,網(wǎng)后4倍的網(wǎng)片長(zhǎng)度,如圖2所示。為了得到更加精確的模擬效果以及節(jié)省計(jì)算時(shí)間,在網(wǎng)格劃分時(shí),將網(wǎng)繩附近的網(wǎng)格進(jìn)行加密,網(wǎng)格由網(wǎng)繩處向外逐漸稀疏,以保證網(wǎng)格有良好的過(guò)渡性,這樣既能保證計(jì)算的準(zhǔn)確性,又能減少計(jì)算時(shí)間,整體域網(wǎng)格及網(wǎng)繩附近網(wǎng)格見(jiàn)圖3。

        由于要計(jì)算得到網(wǎng)繩對(duì)水流的阻力,而在網(wǎng)繩壁面附近流場(chǎng)變化比較劇烈,因此在劃分網(wǎng)格時(shí)網(wǎng)繩周?chē)M(jìn)行邊界層網(wǎng)格劃分,這樣能夠比較真實(shí)地捕捉網(wǎng)繩壁面附近的流場(chǎng)情況,網(wǎng)繩附近邊界層網(wǎng)格見(jiàn)圖4。

        2.3?計(jì)算結(jié)果及試驗(yàn)驗(yàn)證

        本研究模擬計(jì)算了流體流速為0.30、0.45、0.60、0.75、0.85 m/s時(shí)網(wǎng)片的阻力值,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。由表1、圖5可以看出,數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,說(shuō)明數(shù)值模型的建立、湍流模型的選取、邊界條件的設(shè)置及求解器的選取比較合理,誤差范圍為±3 N,由此說(shuō)明數(shù)值模擬計(jì)算在網(wǎng)箱阻力計(jì)算上具有較好的可行性。

        圖6為單一網(wǎng)繩在流體流速為0.6 m/s時(shí)周?chē)膲毫退俣仁噶糠植迹?在網(wǎng)繩迎流面由于受到網(wǎng)繩的阻滯流速會(huì)突然減小,壓力增大,流到網(wǎng)繩兩側(cè)時(shí)速度會(huì)增大,網(wǎng)繩背面速度很小,因此所得到的數(shù)值模擬流場(chǎng)信息與實(shí)際相符。

        3?圍欄設(shè)施數(shù)值模擬及優(yōu)化

        3.1?不同樁柱數(shù)模型建立

        在“2”節(jié)對(duì)單一網(wǎng)片數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上,對(duì)圍欄設(shè)施進(jìn)行受力計(jì)算, 圍欄設(shè)施平面布局形式采用圓形,實(shí)際圍欄設(shè)施直徑大小為40 m,樁柱直徑為 1 m,水深為10 m,取樁柱數(shù)為15、20、25、30進(jìn)行計(jì)算,網(wǎng)目形狀為正方形,數(shù)值模擬計(jì)算中縮尺比為 1 ∶20,圖7給出了樁柱數(shù)為25的圍欄設(shè)施平面及三維模型,模型總體直徑為1 996 mm,樁距為 250 mm,相鄰樁柱夾角為14.4°,樁柱直徑為 50 mm。

        由于圍欄設(shè)施模型較大且網(wǎng)繩較細(xì),導(dǎo)致整個(gè)模型的長(zhǎng)寬比非常大,給網(wǎng)格劃分帶來(lái)了極大的難度,因此在模型高度上選取0.08 m進(jìn)行計(jì)算,三維模型和數(shù)值計(jì)算模型見(jiàn)圖7。

        3.2?不同流體流速圍欄設(shè)施阻力數(shù)值模擬結(jié)果

        本研究計(jì)算了流體流速為0.11、0.22、0.34、0.45、0.56、0.67 m/s 時(shí)不同樁柱數(shù)圍欄設(shè)施對(duì)水流的總阻力,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8。

        由圖8可以看出,隨著樁柱數(shù)的增加,流速的加快,圍欄設(shè)施的總阻力也逐漸增大,在樁柱數(shù)為15根時(shí),圍欄設(shè)施阻力比其他樁柱數(shù)下小,說(shuō)明此時(shí)圍欄設(shè)施的主要受力在網(wǎng)繩上,隨著樁柱數(shù)減少到一定數(shù)量時(shí),總阻力表現(xiàn)為網(wǎng)繩的受力,水流沖擊對(duì)于網(wǎng)繩的破壞較大,而當(dāng)樁柱數(shù)增加到30根時(shí),樁柱所受總阻力變大,水流對(duì)網(wǎng)繩的沖擊力減小,此時(shí)對(duì)于網(wǎng)繩有保護(hù)作用。同時(shí)還可以看出,樁柱為15~25根時(shí),圍欄設(shè)施的總阻力相差不多,增加或者減小樁柱,總阻力變化不明顯。

        3.3?同一流速圍欄設(shè)施所受阻力數(shù)值模擬結(jié)果

        研究同一流速下,不同樁柱數(shù)圍欄設(shè)施的受力情況。模擬計(jì)算了流速為0.45 m/s時(shí)圍欄設(shè)施受力的變化情況。

        從圖9可以看出,在流速為0.45 m/s時(shí),隨著樁柱數(shù)的增加,圍欄設(shè)施的總阻力增加;在樁柱數(shù)為17~20根時(shí)總阻力變化較小,而在樁柱數(shù)為 20~21根、24~25根、27~28根時(shí)總阻力變化較大,可以得出,在一定合理的范圍內(nèi),增加樁柱數(shù)對(duì)總阻力無(wú)大影響。根據(jù)計(jì)算的數(shù)據(jù), 擬合得出數(shù)學(xué)

        模型:

        y=-0.000 04x4+0.002 2x3-0.035 1x2+0.388 3x+8.990 7;

        r2=0.989 7。(3)

        4?結(jié)論

        通過(guò)對(duì)5個(gè)流體流速下網(wǎng)片阻力進(jìn)行數(shù)值模擬分析得出,流體在網(wǎng)繩兩側(cè)的速度會(huì)增大,網(wǎng)繩背面速度很小,且數(shù)值模擬的流場(chǎng)信息與實(shí)際相符。證明該數(shù)值模型可用于圍欄樁柱的模擬性研究,通過(guò)分析不同樁柱數(shù)、不同流速下圍欄設(shè)施總受力情況,最終可知,流速越大圍欄設(shè)施受到阻力越大;同時(shí)在樁柱數(shù)為15~25根時(shí),圍欄設(shè)施總阻力相差不大;在同一流速下,17~20根樁柱范圍內(nèi)總阻力變化較小;所以在進(jìn)行圍欄設(shè)施設(shè)計(jì)時(shí),為了保護(hù)網(wǎng)繩不被破壞可適當(dāng)增加樁柱數(shù)量,但同時(shí)還需考慮成本、制造工藝等方面的問(wèn)題,還可在一定范圍內(nèi)或總阻力跳變較大時(shí),選擇合適樁柱數(shù)。

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