水流作用下平面金属网衣水阻力特性数值模拟

陈昌平,王文,郑佳成,郑艳娜,史宪莹,刘昌凤、3(.大连海洋大学海洋与土木工程学院,辽宁大连603;.马鞍山市水利局,安徽马鞍山43000;3.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连604)

水流作用下平面金属网衣水阻力特性数值模拟

陈昌平1,王文1,郑佳成2,郑艳娜1,史宪莹1,刘昌凤1、3
(1.大连海洋大学海洋与土木工程学院,辽宁大连116023;2.马鞍山市水利局,安徽马鞍山243000;3.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024)

为研究养殖用金属网衣多孔小直径网状结构的水动力响应特性,采用计算流体动力学原理,基于Navier-Stokes方程及大涡模拟(LES)湍流模型,并运用ABAQUS/CFD模块中的Gauss-Seidel耦合方法进行了水流作用下网衣的流固耦合计算,在试验验证的基础上,得到了不同目脚尺寸和网线直径组合条件下锌铝合金网衣的平面受力计算结果。结果表明:当网衣目脚尺寸由25 mm增加到35、45 mm时,3种网线直径对应的网衣受到的水阻力值平均减小幅度分别为29.15%和43.79%;当网线直径由2.5 mm增加到3.2、4.0 mm时,3种目脚尺寸对应的网衣受到的水阻力值平均增加幅度分别为27.01%和55.84%。本研究结果可为进一步探究金属网箱在波流作用下的整体受力变形提供理论参考。

金属网衣;流固耦合;水阻力特性;数值模拟

在近海养殖海域生态环境不断恶化、人类对食品质量安全要求不断提高的背景下,近岸传统网箱养殖的弊端逐渐显现。近年来,深水金属网箱逐渐进入中国网箱养殖业的视野,与重力式网箱相比,金属网箱具有抗浪流、耐腐蚀、轻附着、低污染、养殖空间大和水产品品质高等优势,将会成为中国极具发展潜力的新型养殖模式。网衣是金属网箱的重要组成部分,在养殖环境中承受着复杂的波浪水流作用,在网箱养殖向外海深水推进过程中其安全性备受关注,因此,研究金属网衣在波浪水流作用下的水动力特性具有十分重要的意义。

多年来,国内外学者通过模型试验、数值模拟手段针对纤维类网衣开展了系列研究,主要包括网衣的模型试验相似准则研究[1-4]、网衣水阻力系数研究[5-9]、网衣在波流作用下的动力特性研究[10-13]等。在此基础上,相关学者开展了一系列由网衣、浮架和锚碇系统构成的深水网箱水动力特性研究。近年来,随着金属网箱的逐渐运用,金属网衣的研究也随之展开。Tsukrov等[14]以网衣密实度为参数,对4种不同密实度的铜合金平面网衣在水流作用下的受力进行了测试,分析了4种网衣的阻力系数,并与两种不同密实度的尼龙网衣测试结果进行了比较,结果表明,铜合金网衣的法向阻力系数明显小于尼龙网衣,同时讨论了影响网衣法向阻力系数的相关因子(网目形状、网衣密实度、网衣材质)。Gansel等[15]采用试验测试的方法,得到了水流作用下不同孔隙率的圆柱形金属网衣流阻力值,并与经验公式进行了比较。Cha等[16]采用试验的方法研究了不同直径、网目长度在不同冲角条件下的链形铜合金网衣水阻力系数,并和柔性网衣的阻力系数进行了比较。Decew等[17]通过试验方法获得了一种链形铜合金网衣的等效刚度,并证实采用传统的有限元方法可有效模拟该种网衣组成的重力式网箱的体积变形。

考虑到纤维类网衣属于小直径多孔柔性结构,在网衣的数值模拟中,通常采用的网衣单元模型主要包括桁架单元、梁单元、索单元、弹簧单元等。本研究中针对一种锌铝合金网衣,依据有限元原理,基于ABAQUS软件,将网衣视为梁单元模型,并首次运用Gauss-Seidel耦合方案,在试验结果验证的基础上,计算了方形金属网衣在水流作用下的水阻力值,讨论了网衣受力与目脚尺寸、网线直径的关系,数值模拟结果将为进一步研究金属网箱在波流作用下的整体受力变形提供有益参考。

1 数值模拟方法

1.1 流场模拟

模拟流体为牛顿流体,连续性方程为

针对不可压缩流体,连续性方程为

其中:t为时间;v和籽分别为流体的速度和密度。

不可压缩流体的动量守恒N-S方程为

其中:p为流体压力;滋为流体运动黏度系数;g为重力加速度。

为便于数值求解N-S方程,采用Johnston等[18]提出的与不可压缩流N-S方程等价的压力泊松方程(PPE)形式:

式中:f为外力项。

对公式(4)、(5)通过下式进行离散:

其中:M为质量矩阵;A(v)为对流算子;K为黏性扩散算子;G为梯度算子;D为散度算子;L为压力泊松算子;F为体力。

流场中的湍流模型采用大涡模拟法(LES),大尺度涡通过滤波后的Navier-Stokes方程直接求解,小尺度的涡则采用亚格子尺度模型(SGS)模拟。

经过滤波函数的滤波,可得到大尺度涡的不可压缩Navier-Stokes方程为

亚格子应力子ij采用Smagorinsky-Lilly的亚格子尺度模型,具有以下形式:

式中:淄t为亚格子尺度的湍流黏度,且

式中:驻i为沿坐标轴i方向的网格尺寸;CS为Sma-gorinsky常数,且

式中:y+为网格到壁面的最近距离;A+为半经验常数,取25;CS0为VanDriest常数,取0.1。

本研究中,流场模拟区域大小为:X方向1200 mm,Y方向1000 mm,Z方向1030 mm。

1.2 网衣模拟

在ABAQUS的Standard模块里,按照网衣平面尺寸及网线直径、网目大小,建立了一个与实际模型相同的网衣模型,并将建立好的模型导入到Hypermesh分析软件中。划分网格时,将导入Hy-permesh软件的网衣进行十字经纬交叉。每个经纬十字交叉时,上下左右各取半个网衣长度大小的距离,将所取的部分看成一个独立体,整张网衣就是由许多此类独立体形成的矩形阵列。网格采用结构化网格,所有单元都由六面体组成。网格的收敛性由ABAQUS分析无误后方可完成整个运算过程。以直径4 mm、网目45 mm的平面网衣为例,网衣划分的总单元个数为2 280 944个。图1为网衣结构单元划分示意图。

网衣单元结构运动方程为

其中:m为质量矩阵;c为阻尼矩阵;k为刚度矩阵;x为结构位移;F为作用在单元结构上的外力。

1.3 流固耦合计算

在ABAQUS中,使用ABAQUS/Standard和ABAQUS/CFD两个模块进行流固耦合计算,流体域和固体域的计算分开进行,在流体域内釆用有限体积法和有限单元法结合,对线性化的基于压力的流体动力学控制方程及湍流模型控制方程进行迭代求解,得到结构表面流体的速度,通过伯努利方程,求得结构表面的压强,沿结构表面积分可得到作用于结构的流体水动力荷载值;在结构域内采用有限单元法计算结构响应。流固之间将每一步计算的物理量相互反馈给对方,并得到对方所得出的物理量进行下一步计算。图2为Gauss-Seidel流固耦合计算过程示意图。

图1 网衣单元结构网格示意图Fig.1M esh of the net structure element

图2 流固耦合计算示意图Fig.2Schematic diagram of Gauss-Seidelcoup ling schem e

2 数值模拟验证

2.1 水槽试验

银行规模与向小企业贷款力度呈反向关系，广西贫困县县域经济主要以中小企业为主。对县域中小企业提供足够资金支持，就会对县域经济第二产业发展产生显著的促进作用。发展本地小商业银行，有利于向本地县域中小企业贷款，服务本地经济。

为验证数值模拟的准确性和可靠性,在大连理工大学船模试验水槽中进行了金属网衣试验,水槽规格为170 m伊7 m伊4 m(长伊宽伊深)。根据目前网箱养殖工程实际情况,确定锌铝金属网衣的3种网目和3种网线直径,网衣具体参数如表1所示。

表1 平面网衣参数Tab.1Properties of a plane net

试验过程中,网衣固定在定制的铁质框架内,网衣四边与框架固定,框架上部为传感器和数据采集系统。图3为网衣试验布置图。网衣上边缘距离水表面为15 cm。试验采用拖曳方法,拖车速度分别为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 m/s。由于采用拖曳方式,框架的存在对流场的影响较小,因此,可以忽略对网衣受力的影响。

图3 网衣试验布置图Fig.3Experimental set up of net

2.2 结果比较

根据网线直径、目脚尺寸和流速分组情况,网衣试验工况共有30种,考虑不失一般性,图4给出了锌铝合金网衣在5种流速条件、不同网目大小及网线直径情况下,网衣受力的数值计算结果与试验结果的对比情况。计算公式为

网衣受力试验值=框架与网衣总体受力试验值-单独框架拖曳受力试验值。

图4-A中25 mm伊2.5 mm表示网衣目脚尺寸为25 mm、网线直径为2.5 mm的网衣;图4-B中35 mm伊3.2 mm表示目脚尺寸为35 mm、网线直径为3.2 mm的网衣;图4-C中45 mm伊4.0 mm表示目脚尺寸为45 mm、网线直径为4.0 mm的网衣。

由图4可知,不同工况下网衣受力的数值模拟计算结果与试验结果吻合较好,3种工况下计算值与试验值网衣受力值相对误差分别为7.59%、4.35%和4.65%,统计其他各种工况计算值与试验值相对误差,平均值小于10%,说明采用该数值计算方法具有较好的准确性。

3 讨论

3.1 网衣受力与目脚尺寸的关系

由表2可知,在3种网线直径条件下,目脚尺寸为35、45 mm时,各工况下网衣受力平均减小幅度分别为29.15%和43.79%。根据Morsion等提出的计算小直径构件流阻力半经验半理论方法可知,在纯流作用下,平面网衣受力大小与网衣在水流作用方向的投影面积大小成正比关系,在平面方形编织网外框尺寸及网衣网线直径相同情况下,目脚尺寸增加,网衣在水流作用方向的投影面积减小,因此,网衣整体受力也随之减小。

图4 网衣受力计算值与试验值比较Fig.4Comparison of the calculation value and meas-ured results of force acting on the net

图5 不同目脚尺寸条件下网衣受力比较Fig.5Comparison of net forces under different mesh sizes

表2 目脚尺寸变化引起的网衣受力变化幅度统计Tab.2Statistics of relative variation in the net force in differentmesh sizes

3.2 网衣受力与网线直径的关系

图6为网衣目脚尺寸相同、网线直径不同条件下,锌铝合金网衣在各种流速条件下的受力比较,其中l=25 mm、l=35 mm、l=45 mm分析表示目脚尺寸为25、35、45 mm。由图6可知,在目脚尺寸相同条件下,随网线直径的增加,网衣受力也随之增加。以网线直径2.5 mm为基准,在不同流速作用下,直径为3.2、4.0 mm时网衣受力增加幅度平均值见表3。表3中3.2 mm/2.5mm表示网线直径3.2 mm相对于网线直径2.5 mm网衣受力的增加幅度。

由表3可知,在3种网目大小情况下,网线直径从2.5 mm增加到3.2、4.0 mm时,在不同流速作用下,网衣受力平均增加幅度分别为27.01%和55.84%。由于网线直径增加,在目脚尺寸不变情况下,网衣在水流方向的投影面积相应增加,因此,网衣受到的流阻力也相应有所增加。

图6 不同网线直径条件下网衣受力比较Fig.6Comparison of net forces under different diame-ters of tw ines

表3 网线直径变化引起的受力变化幅度统计Tab.3Statistics of relative variation in the net force indifferent diameters of tw ines

4 结论

基于Navier-Stokes方程及湍流模型,运用CFD流固耦合技术,得到了金属网衣在水流作用下的阻力值,一种锌铝合金网衣在水流作用下,水阻力大小与网目尺寸及网线直径的关系为:

(1)当目脚尺寸由25 mm增加到35、45 mm时,网线直径对应的网衣受到的水阻力值平均减小幅度分别为29.15%和43.79%。

(2)当网线直径由2.5 mm增加到3.2、4.0 mm时,目脚尺寸对应的网衣受到的水阻力值平均增加幅度分别为27.01%和55.84%。

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Numerical simulation on hydrodynam ic characteristics of the planemetal net under current

CHEN Chang-ping1,WANGWen1,ZHENG Jia-cheng2,ZHENG Yan-na1, SHIXian-ying1,LIU Chang-feng1,3
(1.College of Marine and Civil Engineering,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China;2.Water Conservancy Bureau of Ma蒺anshan City, Ma蒺anshan 243000,China;3.State Key laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)

In order to study the hydrodynamic characteristics of the metal net in aquaculture,which is a special kind of porous net structurewith small diameter,the computational fluid dynamicswas used in the force calculation of the plane net.Based on the Navier-Stokes Equation and the turbulencemodel of Large Eddy Simulation(LES), the fluid-structure interaction was simulated by the Gauss-Seidelmethod in the ABAQUS/CFDmodel.Verified by the experiment,the force on the plane netwith different net size and different thread diameter was computed and analyzed.The simulation results showed thatwhen the net size increased from 25 mm to 35 mm,and 45 mm,the drag forces of the net with three different diameter thread were decreased by 29.15%and 43.79%respectively. When the thread diameter increases from 2.5 mm to 3.2 mm,and 4.0 mm,the average increase of drag forces of the netwith three different net size were increased by 27.01%and 55.84%respectively.The results provide a theoretical reference for the further study of themetal cage under the action of wave current.

metal net;fluid-solid coupling;hydrodynamic characteristics;mathematical simulation

TV131.6

A

10.16535/j.cnki.dlhyxb.2017.03.017

2095-1388(2017)03-0363-06

2016-12-30

国家自然科学基金资助项目(31572663,51239002,51409039);辽宁省教育厅科研项目(L2014280)

陈昌平(1971—),男,博士,教授。E-mail:ccp@dlou.edu.cn

郑艳娜(1978—),女,博士,副教授。E-mail:zhengyn@dlou.edu.cn