两种双通道圆形养殖池水动力特性的数值模拟与研究

刘乃硕,刘 思,俞国燕

(广东海洋大学机械与动力工程学院,广东湛江524088)

水产养殖工程

两种双通道圆形养殖池水动力特性的数值模拟与研究

刘乃硕,刘 思,俞国燕

(广东海洋大学机械与动力工程学院,广东湛江524088)

为给养殖池的池型选择与设计提供理论依据,在相同的池体尺寸、进水速度和池底出水比例条件下,针对Cornell和Waterline两种经典双通道圆形养殖池,对其速度流场进行了计算流体动力学(CFD)仿真分析。仿真应用Ansys 15.0软件中的Fluent模块,采用RNG k-ε湍流模型对两种池型的内部速度流场进行了数值模拟,分析其流场特性并进行对比。结果显示:两种池型的水流速度向池中心方向在很短距离内随着径向距离的减少而急速增大,当达到某一径向距离时,速度达到最大值,然后速度随着径向距离的减小而减小,在池子中心轴线或附近处速度降到最小;在纵向上,与池心相同水平距离处的水体流转速度则随着高度增加而减小;在池底出水分流比小于10%时,Cornell池池底自清洁能力、池子整体流场均匀性均比Waterline池差。仿真结果从理论上验证了两种池型底流比例的经验设计值在10%以上。

圆形养殖池;水动力特性;数值模拟;计算流体动力学;RNG k-ε

工厂化循环水养殖因占地少、用水量低、产量高、对环境影响小、养殖环境可控、可实现绿色健康养殖等特点,成为一种新型的高效养殖模式[1-4]。而在当前全封闭或半封闭的商业化循环水养殖系统(RAS)中,矩形和圆形养殖池是普遍使用的两种池形[5-9]。矩形池易于管理、构建成本较低,但池水均匀性差,存在低混合区,即所谓的盲点和死区容积[9]。圆形池因具有快速移除可沉淀颗粒的自净能力[10]以及较好的整体混合性和均匀性,已成为室内高密度养殖系统的首要选择,在商业化RAS养殖中的应用日渐广泛,正朝着大尺寸养殖池方向发展[11-13]。随着养殖池直径的增大,单池经济风险也随之加大。在大尺寸池子底部距离中心底流出口的远距离处,将颗粒从这些外围底部移除就成为问题[14]。池水回转速度、死水区和沉淀区等水动力因素的控制成为关键。如何营造合适的水力环境,在维持鱼池自净与提供适宜鱼类生长的环境之间找到平衡就成为一个挑战。高度依赖于反复试验与经验设计的传统养殖池设计手段已无法满足上述要求。另一方面,随着计算流体动力学(CFD)技术的快速发展,使得借助于CFD对养殖池流场等水动力特性进行分析成为可能。

本研究针对Cornell[8]和Waterline[10]这两种典型的双通道圆形养殖池,在相同池体尺寸、进水速度和池底出水比例条件下,对两种池形的速度流场进行CFD模拟仿真分析,对比评估其速度流场、均匀性和混合性等水动力特性指标,以期为圆形养殖池的选型设计提供参考。

1 CFD建模

2002年,Rasmussen[15]首次采用CFD对鱼池水力性能进行分析并验证其有效性。其后,有学者对采用何种CFD模型可以更好地分析养殖池的水动力特性进行了探索,有应用雷诺应力模型(RSM)[16]模拟Cornell池和Waterline池的径向和切向速度分布以及近池底边界层流态的;有采用标准k-ε模型对Waterline池进行CFD水力特性模拟分析的[15];有采用标准 k-ε模型和RNGk-ε模型分别对Cornell养殖池进行速度流场数值模拟与结果有效性验证,并确定后者模拟效果优于前者[17]。虽然Fluent软件还提供其它单方程模型,如Spalart-Allmaras模型、大涡模拟(LES)模型,但在养殖池流场分析中,目前仅有RNGk-ε、标准k-ε模型和RSM三种模型的有效性得到了验证。

然而,由于湍流是一种无规律的非定常流态,表现出极大的数学非线性,加之养殖池的结构形状和设定边界条件存在差异、划分网格的质量和导入Fluent计算时所选湍流模型与实际流态的贴切度都直接影响着CFD仿真结果的优劣,导致采用何种CFD湍流模型进行养殖池水力特性分析更为合适,尚无统一标准。

1.1 池型基本尺寸

应用前处理软件Gambit创建养殖池的物理模型。Cornell池物理模型如图1所示。

图1 Cornell池养殖池示意图Fig.1 Geometry of Cornell pond

池体为圆柱体,直径3.66 m,高0.9 m;池体两侧为进水管道,选用135度弯管和直管两种,直径0.042m,由上到下第1、3、4水平切向45度喷射,第2管道为水平反向喷射,第5管道指向下方,第6管道为直管。池底圆台状凹槽直径为0.3 m、0.1m,高度0.2 m;出水管道直径0.05 m;池壁侧面的溢流口直径0.15 m。Waterline池(图2)池体尺寸与Cornell池相同,无池壁溢流口,但在池底中心有一竖管,竖管直径0.08m,高0.9m。

1.2 网格划分与边界条件设定

图2 Waterline池养殖池示意图Fig.2 Geometry ofWaterline pond

养殖池池体结构不是单一结构,池体尺寸相对进、出水管道较大。本研究应用Gambit软件,为方便不同计算阈之间的数据交换,统一采用非结构网格,划分总网格数约55万。池体和进、出水管道均设置为流体区域(fluid),池体侧壁和底部边界为固体壁面(wall),因进水管道管壁处于流体区域交界面,无需设置,故默认为壁面边界wall。求解器拟用稳态压力基求解,速度耦合方式为无压力修正的SIMPLIC,湍流动能采用精度更高的二阶迎风离散格式计算。应用湍流模型RNG k-ε,选用fluent提供的各项默认参数设置;入口边界为速度入口(velocity-inlet),进水流速为1 m/s,湍流强度5%,水力直径 0.042 m;出口采用自由出流边界(outflow),池底出水管道出流比例占总出流的6%,溢流比例为94%;水面无剪切和滑移,壁面应用标准壁面函数;池顶为自由界面。

2 结果与分析

圆形养殖池池底的自清洗能力和池水的混合性等通过流场体所在各位置的转速和X、Y、Z方向速度分量以及各平面的速度云图和矢量图来进行分析,具体仿真分析对象为距离池底0.06、0.21、0.36、0.51和0.66 m深度的水平截面以及截面上过进水管后,周向距离为0.38m点的直径线段。

2.1 Cornell池仿真结果

图3为Cornell池不同深度处的速度流场分布趋势图。

图3 Cornell池在不同深度的水流速度Fig.3 Water velocity at different depth of Cornell pond

横坐标为距离池心的距离,纵坐标表示水速大小,5条不同颜色曲线代表距离池底0.06、0. 21、0.36、0.51和0.66 m处水平截面上所选直径线段上点的速度。池的不同深度水流速度基本趋势为:(1)不同高度曲线基本符合“M”形状,回转速度为池壁附近最大,中心轴线处最低(池底除外)。(2)靠近池壁处速度梯度大,水体速度首先由池壁向池中心方向在很短距离内随着径向距离的减少而急速增大,当达到某一径向距离时,速度达到最大值;然后速度随着径向距离的减小而减小,在中心轴线处速度降到最小。(3)回转速度变化曲线基本为0点对称。

对Cornell池,从其水平截面速度矢量图(图4)中可清晰观察到池底直管进水喷射流的流动路线,因受到旋转水流作用发生偏斜,这极大增加了池底径向力。在0.36 m和0.66m深度处的水流相对较稳定,池壁近处的高速水流趋于变小,靠近池中心速度矢量箭头密度较小,水转速度较为均匀,中心处速度较低。

图4 Cornell池在不同高度的水平截面速度矢量图Fig.4 Horizontal section velocity vector at different height of Cornell pond

图5为0.06、0.21和0.36 m深度处Cornell池水平线段的径向速度图谱。

近池壁处的水流流动状况相对复杂,水流与池壁的碰撞、旋转水流等因素,促使负值径向流速的产生。距离池心1.2 m处的水速稳定在0值左右,面向池心的冲刷力偏弱,但底部池心处受出水流漩涡的影响变大。

另外,还观察到随着深度的增加,径向流速逐渐减小。

2.2 Waterline池仿真结果

图6、图7为waterline池(6%底流比例)在不同深度的XY散点速度图,X轴代表距离中心轴线的距离,Y轴为水流速度。

图5 Cornell池在不同深度的径向速度Fig.5 Radial velocity at different depth of Cornell pond

图6 Waterline池在不同深度的水流速度(直径线段)Fig.6 Water velocity at different depth of Waterline pond(line of diameter)

图6为含中心竖管的XY散点速度图,从图中可知,池子中心竖管流速远大于其他位置的旋转速度,中心两侧的速度基本对称。因选择了6%的底流比例,绝大部分水流通过池心上方的溢流口排出,溢流口管道直径稍大于池底出水口直径,导致管道高流速排水。

图7为去除竖管后沿半径方向上的XY散点速度图谱。

图7 Waterline池在不同深度水流速度(半径线段)Fig.7 Water velocity at different depth of Waterline pond(line of radius)

从图中可知,池壁处速度接近0,并随着径向距离的减小,径向速度在紧挨池壁处(在距离池壁约1/10～1/8半径内)达到一个较大值,然后再随着径向距离的减小,速度也不断减小,在靠近中心轴线处速度降到最小。

由于粘度的影响,池壁处速度近乎为0,然后经由进水管道进水与池壁的作用,水速大梯度上升到最高速度点,产生池内水流的旋转运动,因为池壁和池底的阻力作用,水速逐渐降低。底部出水管道产生小的涡流,但因分流比例仅有6%,涡流对水速的影响较小;中心上部溢流口处因大流量排水导致速度增加,产生大的涡流,对周边水域产生一定的影响。

图8为waterline池在0.06、0.36和0.66m深度的水平截面矢量图,图中箭头密集度代表绝对速度的大小,箭头指向为流速的方向。从图中可以看出不同深度水平截面的水流情况,出水管道喷射出高速水流,带动整体水流旋转运动。近池壁处箭头密集表明速度较大,随后沿半径指向中心方向速度渐趋稳定,在池壁到池心距离的1/ 3区域水流湍急,而在池心附近的2/3区域速度相对稳定,从而营造出了2种流速状态的水域,可供鱼苗选择性游动。

图8 Waterline池在不同高度的水平截面速度矢量图Fig.8 Horizontal section velocity vector at different height ofWaterline pond

3条直线中,0.06 m深度处受最低进水直管喷射水流的影响,径向力较大,与池底的摩擦等阻力因素极速减小。除池底外,径向力随着高度的增加而减小,与旋转速度变化类似。

2.3 流场特性对比分析

从5个不同深度的水体流速(图3、6、7)发现,Cornell池和Waterline池在不同半径方向上有着相同的变化趋势:两者都是在池壁处速度最大,并沿着半径指向池中心方向速度逐渐降低,在池子中心或附近处速度最低;水池中同半径处,随着高度的增加速度减小。两种池形,虽然速度变化规律相似,但因分流比小、结构上溢流口位置和尺寸不同,导致两者的水流速度在池子中心处存在较大差异。主要不同点在于:

(1)Waterline池的速度图谱中R=0处速度较为突出。原因在于池的溢流口位于池子中心上方,溢流口直径0.08 m,为保证94%的溢流,产生了强涡旋和高速水流,致使0.66m深度的中心水流因受到涡旋的吸扯而流速增加。

(2)池底的涡旋不同。Cornell池水流旋转速度图谱显示 R=0处池底速度相对增加。Waterline池因池底出流比例仅为6%,水流流经时与中心竖管发生碰撞,使得水流向上流向溢流口,这减小了池底原来的涡旋强度,而Cornell池因为没有溢流管道的影响,涡旋强度稍强于Waterline池,在图谱中能观察到距离池底0.06 m深度的中心速度有增大趋势。

(3)池子上部的水速不同。Waterline池因为池顶中心存在强涡流,故池子上部水流有趋于集中的趋势,水速也大于同位置处的Cornell池。

另外,两种池形在径向速度分布上存在明显差异:从矢量图(图4、8)观察发现,Cornell池池底有涡旋作用,对周边产生一定的吸引和拉扯力,因而存在有一定的径向流;而Waterline池没有明显的径向流动,除池壁处外的水速均相对均匀。从XY散点图(图5、7)得知:对Waterline池底,在相同半径位置处,随着高度的增加(从0.06 m到0.36m),径向力逐渐降低,而且这种差异梯度随着与中心处距离的减小而逐渐减小,直至中心处接近一致;对Cornell池,由于池底涡旋的作用,致使池底的径向力在中心处有增大的趋势,而对0.21、0.36m深度的径向力影响不明显; Waterline池底,由于上部溢流分走了池底一部分水流,减小了池底涡旋强度,这是由池子中心上部溢流口的结构所决定的,中心溢流口出水会产生一定强度的涡旋,从而使得池子中上部比中底部的径向吸引力大。

3 结论

在相同池子尺寸、池底出水比例和进、排水的情况下,Waterline池由于其中心上部溢流口的强涡流和中心竖管的作用,产生了中心轴线处的悬浮上升流,增加了池子中心处与两侧的水交换,从而获得比 Cornell池更优良的水质均匀性和混合性。

在较低的底流出水比例下,Cornell池池底除中心位置会产生较强的径向力外,其它位置相对弱于Waterline池,池底表现出的自清洁能力弱于Waterline池。因此,为获得较好的自净能力与混合性,池子底流出水比例需高于某一数值,仿真结果从理论上验证了两种池形底流比例的经验设计值在 10%以上(Cornell池≥20%,Waterline池≥10%)。

本文对两种池型的仿真研究仍存在局限性:仿真是在池内无鱼的情况下,且没有分析不同分流比和温度等因素对速度分布的影响,因此所得出的池内速度流场未能完全说明实际养殖情形,后期将对有鱼类活动的养殖池的水力特性进行深入研究。

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Numerical simulation of and research on hydrodynamiccharacteristics of two dual-channel circular aquaculture ponds

LIU Naishuo,Liu Si,YU Guoyan
(College ofMechanical and Power Engineering,Guangdong Ocean University,Zhanjiang 524088,China)

In order to provide theoretical basis for type section and design of aquaculture ponds,computational fluid dynamics(CFD)simulation analysis of velocity flow field is conducted for two classical dual-channel circular aquaculture ponds-Cornell and Waterline under the conditions of the same body size,water flooding velocity and water yielding ratio at the bottom of the ponds.Fluentmodule of Ansys 15.0 software is applied to simulation,RNG k-εturbulencemodel is applied to numerical simulation of velocity flow fields inside the two ponds,and characteristics of the flow fields are analyzed and compared.The results show that thewater velocity in the two ponds increases sharply with reduction of the radial distance in a short distance towards the center, reaches themaximum at certain radial distance,and then decreaseswith reduction of the radial distance before reaching the minimum in the central axis of the ponds or nearby;longitudinally,the water velocity decreases with increase of the heightat the same horizontal distance to the center;when water yielding ratio at the bottom of the ponds is below 10%,both the bottom self-cleaning capacity and the overall flow field uniformity of Cornell are worse than Waterline.The results also verify that the empirical design value ofwater yielding ratio at the bottom of the two ponds is above 10%theoretically.

circular aquaculture pond;hydrodynamic characteristics;numerical simulation;computational fluid dynamics;RNG k-ε

S955.1

A

1007-9580(2017)03-001-06

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.03.001

2017-04-05

广东省与湛江市科技攻关项目(2014A020208118、2016A02018);广东省研究生教育创新计划项目(2014JGXM-MS25, 2016QTLXXM_52);广东省海洋装备及制造工程技术研究中心资助项目;广东海洋大学创新强校工程项目(Q14209)

刘乃硕(1988—),男,硕士研究生,研究方向:设施渔业与数字化设计。E-ma i l:t i anguhu008@163.c om

俞国燕(1970—),女,教授,研究方向:智能设计与制造、现代渔业装备等。E-ma i l:yuguoyan0218@163.c om