連子祥, 嵇春艷, 程 勇, 郭建廷

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院,鎮(zhèn)江 212100)

我國海洋資源豐富,產(chǎn)業(yè)鏈健全,海洋漁業(yè)養(yǎng)殖作為海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分,是實(shí)現(xiàn)海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展和助推我國海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的重要方面.近年來,隨著海洋漁業(yè)養(yǎng)殖區(qū)域逐漸轉(zhuǎn)移至深遠(yuǎn)海,養(yǎng)殖區(qū)域環(huán)境因素影響愈加凸顯,其中海流流速尤為突出,其決定了養(yǎng)殖區(qū)域水質(zhì)及魚類的品質(zhì),因此對(duì)阻流裝置的研究是一個(gè)十分重要的課題[1-3].造價(jià)成本是海洋漁業(yè)養(yǎng)殖所考慮的重要因素之一,養(yǎng)殖網(wǎng)箱作為一種低成本、高產(chǎn)量的海洋裝備被廣泛應(yīng)于現(xiàn)階段的水產(chǎn)養(yǎng)殖之中.近年來,隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖的大力發(fā)展,人們對(duì)養(yǎng)殖網(wǎng)箱也有了較多研究.文獻(xiàn)[4]對(duì)不同結(jié)固比的平面網(wǎng)衣和網(wǎng)箱系統(tǒng)的流速衰減情況進(jìn)行了模型試驗(yàn),測得了流速在網(wǎng)衣后和網(wǎng)箱內(nèi)的變化情況.文獻(xiàn)[5]通過模型試驗(yàn),研究了圓柱體網(wǎng)箱受力與變形規(guī)律,同時(shí)測量網(wǎng)箱內(nèi)部阻流效果約為20%.現(xiàn)階段對(duì)阻流裝置的研究仍然以網(wǎng)衣及網(wǎng)箱為主,網(wǎng)箱養(yǎng)殖雖然造價(jià)成本低,制作簡易,但阻流能力有限.以大黃魚養(yǎng)殖為例,研究表明,大黃魚幼苗的平均臨界游泳速度為39.85 cm/s,最大不超過50.02 cm/s,因此大黃魚幼苗不適宜在長時(shí)間流速超過50 cm/s的水域進(jìn)行養(yǎng)殖[6].文中提出設(shè)計(jì)了一種新型浮式阻流裝置,布置于養(yǎng)殖網(wǎng)箱前,該裝置可使掩護(hù)區(qū)域流速降低,從而達(dá)到阻流的目的.

1 浮式阻流裝置構(gòu)型設(shè)計(jì)及數(shù)值計(jì)算方法

1.1 構(gòu)型設(shè)計(jì)

新型板-網(wǎng)浮式阻流裝置如圖1,主要應(yīng)用于深遠(yuǎn)海區(qū)域,考慮造價(jià)成本及環(huán)境因素,故設(shè)計(jì)浮式阻流裝置主體部分采用方箱型浮體,該浮體結(jié)構(gòu)簡單且型寬較大,穩(wěn)定性較強(qiáng);阻流裝置基于反射及粘滯作用原理,由等間隔布置的阻流板及阻流網(wǎng)構(gòu)成,阻流板高度為HP,由于剛性板結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)一體化裝置帶來較大的荷載,故將阻流網(wǎng)布置于阻流板下方,以減少一體化裝置的剛性結(jié)構(gòu),保證其穩(wěn)定性,阻流網(wǎng)長度為Hn,阻流網(wǎng)布置至水底并在網(wǎng)衣底部布置沉子,保證阻流網(wǎng)衣垂直,以減小網(wǎng)衣變形.

圖1 浮式阻流裝置構(gòu)型示意

1.2 數(shù)值計(jì)算理論基礎(chǔ)

1.2.1 湍流模型

基于計(jì)算流體力學(xué)軟件,對(duì)浮式阻流裝置周圍的流場特性進(jìn)行分析研究,采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行求解.同時(shí),由于浮式阻流裝置的阻流構(gòu)件包含網(wǎng)衣,因此采用含多孔介質(zhì)的動(dòng)量源項(xiàng)模擬網(wǎng)衣,對(duì)網(wǎng)衣的阻流效果進(jìn)行數(shù)值計(jì)算.

采用的連續(xù)方程及控制方程為:

(1)

(2)

式中:ρ為流體密度;v為流體速度矢量;α,S,Γ為通用變量;μ為流體動(dòng)力粘度;div為散度,用于表征空間各點(diǎn)矢量場發(fā)散的強(qiáng)弱程度;T為應(yīng)力張量;Si為增加的多孔介質(zhì)的動(dòng)量源項(xiàng),在多孔介質(zhì)區(qū)域外的流體Si=0,位于多介質(zhì)區(qū)域內(nèi)部時(shí),

Si=?P=-ρ(Pi|νs,n|+Pv)νs,n

(3)

式中:?P為壓降;νs,n為流體的表觀速度;Pi為多孔慣性阻力;Pv為多孔粘性阻力.

1.2.2 多孔介質(zhì)模型

浮式阻流裝置的阻流構(gòu)件主要以柔性網(wǎng)衣及剛性平板為主,對(duì)網(wǎng)衣的建模較為復(fù)雜,故本文引用多孔介質(zhì)模型,以帶開孔的空透平板代替網(wǎng)衣進(jìn)行數(shù)值計(jì)算.

Pi,Pv可根據(jù)Ergun經(jīng)驗(yàn)方程[7]得到,其表達(dá)式為:

(4)

式中:L為多孔介質(zhì)區(qū)域高度;A,B為經(jīng)驗(yàn)系數(shù);μ為流體粘性系數(shù);vs為流體表觀流速;χ為孔隙率;Dp為平均孔徑.

Ergun經(jīng)驗(yàn)公式將多孔介質(zhì)模型的壓力損失項(xiàng)分為了粘性能量損失與動(dòng)力學(xué)能量損失,其中A,B的值需根據(jù)不同的適用情況而改變.通過Ergun方程計(jì)算得到不同流速情況下多孔介質(zhì)的ΔP/L后,可根據(jù)最小二乘法擬合dp/L與流速v的流速-壓降曲線,得到數(shù)值計(jì)算所需的多孔慣性阻力系數(shù)及多孔粘性阻力系數(shù).

為便于數(shù)據(jù)分析,定義阻流效率系數(shù)K*為:

(5)

式中:Vf為裝置后某測點(diǎn)平均流速;Va為入流流速.

2 數(shù)值計(jì)算方法驗(yàn)證

2.1 數(shù)值水槽模型計(jì)算域設(shè)置及驗(yàn)證

為了驗(yàn)證文中數(shù)值計(jì)算方法的準(zhǔn)確性,采用多孔介質(zhì)模型替代網(wǎng)衣,按網(wǎng)衣周圍流場分布試驗(yàn)[8-9]進(jìn)行數(shù)值建模,建立長為15 m,寬為2 m,水深為0.7 m的數(shù)值造流水槽,如圖2.考慮壁面對(duì)繞流的作用,數(shù)值造流場兩側(cè)采用光滑壁面,造流區(qū)域定義為速度入口,入流流速為15.9 cm/s,末端采用壓力出口邊界,同時(shí)在造流入口后建立厚度為50 mm的多孔介質(zhì)模型,并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格加密處理,來代替網(wǎng)衣進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)網(wǎng)衣的孔隙率及網(wǎng)目長度,計(jì)算得到多孔粘性阻力系數(shù)及多孔慣性阻力系數(shù)分別為30 kg/m3·s及12 148 kg/m4.

圖2 網(wǎng)衣試驗(yàn)布置示意(單位:m)

2.2 數(shù)值模型阻流效果收斂性分析及驗(yàn)證

根據(jù)上述試驗(yàn)布置建立數(shù)值水槽,根據(jù)網(wǎng)衣長度Ln選及高度Hn取3種多孔介質(zhì)區(qū)域網(wǎng)格加密尺寸,3個(gè)不同時(shí)間步來驗(yàn)證網(wǎng)格與時(shí)間步收斂性,其具體參數(shù)如表1.

表1 數(shù)值水槽收斂性驗(yàn)證網(wǎng)格及時(shí)間步參數(shù)

以C2測點(diǎn)為例,其不同網(wǎng)格加密情況及時(shí)間步情況下的流速衰減變化如圖3,當(dāng)流速達(dá)到穩(wěn)定后,模型2與模型1平均流速誤差為1.3%,模型2與模型3誤差為0.4%,誤差均在允許范圍之內(nèi),說明模型2已經(jīng)收斂.

圖3 多孔介質(zhì)模型收斂性分析及驗(yàn)證

分析圖3可知,3種模型誤差均在1%以內(nèi),為考慮計(jì)算成本及誤差,對(duì)數(shù)值水槽網(wǎng)格采用模型2的加密方式,時(shí)間步采用0.004 s.

2.3 數(shù)值模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

圖4為數(shù)值計(jì)算的網(wǎng)衣前后流場分布,網(wǎng)衣掩護(hù)區(qū)域流速降低,兩側(cè)繞流流速增加,沿來流方向,掩護(hù)區(qū)域來流與兩側(cè)繞流逐漸匯合,掩護(hù)區(qū)域范圍變小.圖5為不同測點(diǎn)處流速的試驗(yàn)值與計(jì)算值,網(wǎng)衣后測點(diǎn)流速最大誤差不超過8.2%,且網(wǎng)衣后流速衰減趨勢與試驗(yàn)結(jié)果基本一致,說明文中的數(shù)值計(jì)算方法能夠較好地模擬出浮式阻流裝置的阻流效果.

圖4 數(shù)值計(jì)算網(wǎng)衣前后流場分布

圖5 網(wǎng)衣阻流效果試驗(yàn)計(jì)算對(duì)比

3 新型阻流裝置阻流效果分析

3.1 數(shù)值水槽建立

圖6為基于CFD軟件建立的數(shù)值水槽,造流區(qū)位于數(shù)值水槽左端,水槽右端為阻尼區(qū)出口,水槽兩側(cè)及水槽底部采用光滑壁面,文中模擬采用氣液兩相流,液面以上為空氣.數(shù)值水槽長為20 m,寬為7.5 m,水深為1 m,方箱浮體堤寬為1 m,吃水為0.125 m,阻流板長為0.5 m,寬為0.1 m,阻流網(wǎng)長為0.375 m,網(wǎng)衣孔徑為0.02 m,模型縮尺比為20.為保證計(jì)算精度要求,對(duì)多孔介質(zhì)區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理.

圖6 浮式阻流裝置計(jì)算域

3.2 阻流裝置數(shù)值模型主要設(shè)計(jì)參數(shù)

為研究阻流裝置的阻流效果以及不同構(gòu)型參數(shù)對(duì)阻流性能的影響,設(shè)置的浮式阻流裝置數(shù)值計(jì)算工況及相應(yīng)參數(shù),表2.

表2 數(shù)值試驗(yàn)計(jì)算工況

網(wǎng)衣的多孔介質(zhì)參數(shù)可由Ergun經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算獲得,具體的多孔介質(zhì)參數(shù)如表3.

表3 多孔介質(zhì)模型參數(shù)表

如圖7,定義方箱浮體中心為坐標(biāo)原點(diǎn),X方向?yàn)樗魅肷浞较?為監(jiān)測浮式阻流裝置后流場的變化情況,布置測點(diǎn)于浮式阻流裝置后.測點(diǎn)1～4位于浮體中心軸線上,測點(diǎn)1距浮體后1.5 m,測點(diǎn)2～4相隔1 m等距布置.A～C測點(diǎn)垂直于中心軸線向外布置,B測點(diǎn)距A測點(diǎn)0.4 m,C測點(diǎn)距B測點(diǎn)0.8 m.同時(shí),為研究不同水深處流速的變化情況,分別對(duì)水深H*=0.2,0.4,0.6,0.8 m處的各測點(diǎn)進(jìn)行測量.

圖7 數(shù)值水槽測點(diǎn)布置示意

3.2.1 不同流速及水深情況下阻流效果分析

對(duì)浮式阻流裝置在不同流速情況下各測點(diǎn)流速變化情況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,取各測點(diǎn)流速的平均值進(jìn)行分析,具體計(jì)算結(jié)果如圖8、9.

圖8 不同水深橫向測點(diǎn)阻流效率

為研究不同水深處流速衰減情況,測點(diǎn)布置位置分別設(shè)在:方箱浮體后方(H*=0.2 m);阻流板后方(H*=0.4 m);阻流板與阻流網(wǎng)交界處(H*=0.6 m);阻流網(wǎng)后方(H*=0.8 m)時(shí),各水深測點(diǎn)的流速變化情況.

由圖8,隨著水深的增加,阻流效果也略有降低,水深0.2 m時(shí),位于浮體后各測點(diǎn)流速衰減較大,水深為0.8 m,位于網(wǎng)衣后時(shí),流速衰減較小.網(wǎng)衣后與浮體后測點(diǎn)阻流效果相差較小,最大不超過10%,說明網(wǎng)衣能夠有效發(fā)揮阻流作用.

對(duì)比上圖分析可知,沿中軸線方向,橫向測點(diǎn)阻流效率逐漸增加,小流速情況下阻流效果較好,位于浮體后4.5 m處測點(diǎn)阻流效率最大可達(dá)71%,平均阻流效率可達(dá)65%;流速越大,其流速衰減幅度越小,當(dāng)入流流速為34 cm/s時(shí),于浮體后4.5 m處測點(diǎn)阻流效率最大僅為44%,平均阻流效率可達(dá)40%.其主要原因是由于流速變大,浮式阻流裝置兩側(cè)繞流流速增加,使來流匯合加快,導(dǎo)致阻流裝置掩護(hù)區(qū)域變小.

根據(jù)圖9分析可知,位于中軸線上的測點(diǎn),阻流效率較高,沿垂直于中軸線方向向外,測點(diǎn)平均流速逐漸增大,其主要原因是由于靠近浮體外側(cè)的流與浮體兩側(cè)加速的繞流匯合,導(dǎo)致流速變大.

圖9 不同水深縱向測點(diǎn)阻流效率

3.2.2 不同密實(shí)度情況下阻流效果分析

為了分析不同密實(shí)度情況下浮式阻流裝置阻流性能的變化,圖10為入流流速為18 cm/s時(shí),2種不同網(wǎng)衣密實(shí)度S(S=0.4,S=0.5)條件下不同測點(diǎn)的流速衰減情況.

圖10 不同密實(shí)度情況下阻流效率

由圖10可見,隨著密實(shí)度的增加,不同水深處各測點(diǎn)的流速也有所減小,且遠(yuǎn)離浮體的3,4號(hào)測點(diǎn)的流速衰減幅度增加的較為明顯,以0.8m水深處4號(hào)測點(diǎn)為例,當(dāng)網(wǎng)衣密實(shí)度為0.4時(shí),裝置后4.5m測點(diǎn)阻流效率可達(dá)60%,當(dāng)網(wǎng)衣密實(shí)度增加至0.5時(shí),該測點(diǎn)阻流效率可達(dá)72%,阻流效果提升了20%.說明增加網(wǎng)衣的密實(shí)度,能夠有效提高阻流裝置的阻流效率,同時(shí)也能使繞流匯合速度放慢,增長阻流裝置掩護(hù)區(qū)域,提升阻流性能.

4 結(jié)論

(1) 該裝置具有較好的阻流效果,在0.5～1.5 m/s流速范圍內(nèi),阻流裝置后1.3倍浮體長度掩護(hù)范圍內(nèi),總體阻流效率不低于35%.

(2) 不同流速情況下,浮式阻流裝置的阻流效果也有所不同,流速為0.8 m/s時(shí),流速偏小,浮式阻流裝置能較好的對(duì)來流進(jìn)行阻擋,位于裝置后1.3倍浮體長度處測點(diǎn)的平均阻流效率可達(dá)65%,最大可達(dá)71%;隨著流速增加,當(dāng)入流流速達(dá)到1.5 m/s時(shí),繞流影響加大,繞流匯合加快,導(dǎo)致阻流裝置阻流效果變差,位于裝置后1.3倍浮體長度處測點(diǎn)的平均阻流效率為40%,最大可達(dá)44%;

(3) 不同水深處各測點(diǎn)流速變化趨勢相同,阻流效果相差較小,位于浮體后處測點(diǎn)的阻流效果較好.網(wǎng)衣后各測點(diǎn)與阻流板后測點(diǎn)阻流效率相差較小,最大不超過10%,說明網(wǎng)衣能夠有效進(jìn)行阻流,同時(shí)過多的剛性結(jié)構(gòu)會(huì)增加制造成本且影響浮式阻流裝置的穩(wěn)定性,增加網(wǎng)衣長度可有效解決該類問題;

(4) 網(wǎng)衣對(duì)浮式阻流裝置阻流效果影響明顯,對(duì)比網(wǎng)衣密實(shí)度S=0.4和S=0.5時(shí)阻流裝置后各測點(diǎn)流速分布情況可知,增加網(wǎng)衣密實(shí)度至0.5時(shí),可使網(wǎng)衣的粘滯作用增加.遠(yuǎn)離阻流裝置處測點(diǎn)阻流效果增加較為明顯,最大阻流效率可達(dá)72%,相較于網(wǎng)衣密實(shí)度S=0.4時(shí),阻流效果提升約為20%.