基于热流固耦合模型的养殖工船养殖舱温度场数值模拟

翟绪辉，程 晖， 刘长东， 黄六一

(中国海洋大学水产学院海洋渔业系，山东 青岛 266003)

随着社会经济的发展，近岸养殖空间不断压缩，研发深远海大型养殖设施装备，如深远海大型网箱、养殖工船，开发现代化的“深蓝”养殖空间，是提高养殖发展质量的新途径[1-3]。养殖工船是一种可移动的海上养殖平台，与养殖网箱相比，养殖工船具有养殖密度高、方便海上移动等优点。根据养殖环节的需求，养殖工船可以移动到适宜水温和水质条件的海域进行养殖生产，有效避开台风等恶劣自然灾害[4]。

20世纪80～90年代，法国、日本、挪威等渔业发达国家进行了养殖工船的概念设计，并提出大型养殖工船方案[5]。中国于21世纪初期，也陆续开展了深远海养殖装备设施设计及发展趋势研究分析。2006年，丁永良[6]论述了国外海上工业化养鱼现状、技术内涵及中国开展海上工业化养鱼的必要性。徐皓等[7]论述了中国深远海养殖工程装备科技发展现状及深远海养殖产业发展存在的主要问题，并提出实施旧船加改装，集成构建游弋式大型养殖工船及综合渔业生产平台等深远养殖工程装备科技重点任务。王靖等[8]、韩冰等[9]、肖凯隆等[10]、崔铭超等[11]对养殖工船的系统结构设计进行了研讨。

养殖工船养殖舱内水体温度、流速及船体摇动会对养殖对象产生重要影响。崔铭超等[12-13]开展了横摇和纵摇运动下养殖工船水环境流场特性数值分析研究，发现船体晃动对养殖对象安全及结构强度均有极大的不利影响。刘闯[14]开展了新型养鱼船工作船舱内流场计算流体力学(CFD)数值仿真研究，研究结果可为养鱼船改造方案中的母船选型提供参考。韩冰等[15]基于三维势流理论，对养殖工船的耐波性能进行研究和评价。高瑞等[16]通过数值仿真分析了横摇状态下养殖水舱的适鱼性。鲑鳟等冷水鱼类对水温的要求较为苛刻，大西洋鲑的适宜生活温度为12～16℃ ，超过18℃ 逐渐衰弱死亡[17]。开展养殖工船养殖舱水温的数值仿真研究，掌握温度的空间分布，对水温进行实时监测，对保障养殖鱼种的生长存活具有重要意义。宋协法等[4]基于CFD技术开展了养殖工船养殖水舱的流场和温度场数值模拟研究，论述了最小进水流速和保温方案。张慧鑫[18]釆用Ansys软件进行了养殖池温度场和速度场模拟与仿真，并依据模拟的温度场分布，指导温度传感器布设，实施养殖池温度的实时监测。

应用养殖工船开展鲑鳟等高品质鱼种养殖[19]，需建立完善的水循环系统和温度控制系统[20-22]。温度控制系统需在养殖水体中布设温度传感器，根据温度传感器的实时监测数据，通过自动控制系统控制冷水进水流速，保证养殖水体水温的适宜性[23]。开展养殖舱养殖水体数值仿真研究，探究温度场分布，可有效指导温度传感器的布设位置。

相比于传统的养殖舱养殖水体数值仿真分析方法，本研究考虑温度场与流场的耦合交互作用，构建养殖工船养殖水舱三维瞬态热流固耦合模型，并应用该模型进行数值仿真分析，研究不同流速和不同保温层厚度对养殖工船养殖水舱温度分布的影响，探讨温度控制系统中温度传感器布设位置。本研究结果对养殖工船养殖水舱水温的实时监测，保障水温的适宜性具有重要意义。

1 材料

研究对象为位于青岛的钢质、单甲板、单底、柴油机推进尾机型冷水团养殖工船[2]。夏季通过抽取冷水团的冷水进行大西洋鲑养殖。养殖水舱立体规格为10 m×6 m×3.8 m，由横、纵舱壁、甲板和底板组成，横、纵舱壁上分别有等距的高度为300 mm、400 mm肋板。养殖水舱的结构如图 1 所示，其中浅蓝色部分为流体，灰色部分为保温层。入水口设计在养殖水舱的对角处，距离水舱外侧壁0.5 m，从舱底向上垂直排列间隔0.6 m。溢流管在养殖水舱中间，从底部伸至2.4 m处。入水口直径Φ1=25 mm，溢流口直径Φ2=250 mm。入水口的水流速度选取范围为4 m/s、5 m/s 和6 m/s。保温层材料选用硬质聚氨酯泡沫，其厚度T选取范围为20 cm、30 cm和40 cm。

图1 养殖水舱几何尺寸

2 数学模型及模拟方法

2.1 控制方程

瞬态热流固耦合中主要涉及水舱内流体控制方程和保温层的固体传热方程。养殖水舱中的水体流动的计算使用有限体积法求解瞬态雷诺时均纳维-斯托克斯(Reynolds-averaged Navier-Stokes,RANS[24]) 方程。流场的控制方程为:

Δ·u=0

(1)

(Δu+ΔuT)]+g

(2)

Δ·(τ·u)+ρr+ρg·u

(3)

式中：u为流体速度，p为压强，v为粘性系数，ρ为流体密度，g为重力加速度，E为能量。对于湍流问题使用k-wSST模型进行封闭，模型的形式为[25]：

(Δ·u)-ρβω2-ρ(F1-1)CDkω+Sω

(4)

(Δ·u)-ρβ·ωk+Sk

(5)

(6)

式中：k为湍动能，w为湍动能耗散率。

对于固体部分(保温层)，考虑其初始温度为室温，养殖鱼舱的外侧有固定的温度。其固体传热方程[26]：

(7)

2.2 边界条件和初始值

热边界条件和初始值是求解上述偏微分方程的必要条件。养殖水舱的进水流量影响养殖舱水体温度，本研究设置3个速度梯度。养殖水舱与外界的热交换主要通底板、舷侧、舱壁热传导及水体表面与空气的热交换。夏季黄海表层的水温较均匀，一般为24～27℃之间，本研究取黄海表层温度为27℃，壁面温度设置为27℃。水体表面空气温度为34℃。保温层为硬质聚氨酯材料，密度30 kg/m3，导热系数设置为0.03 W/(m·℃)[27]。黄海中部洼地存在一个巨大的夏季冷水团，黄海冷水团具有3个低温中心，夏季低温中心水温低于9℃[28]，本研究取入水口温度为10℃。边界条件和初始值根据养殖工况给出，具体的数值如表1 所示。

表1 数值模拟的初始条件和边界条件

2.3 数值求解方法

数值求解使用Ansys Fluent 软件进行。其中流体部分使用压力-速度耦合算法。固体部分为不考虑热应力问题，因此只求解热传导方程。耦合传热包括在固体和液体交界面进行热传导与热对流。

3 数值模拟结果

3.1 水温和流速随时间变化

因为入水口的水温较低，随着时间的增加，养殖水舱的水温会逐渐降低。图2反映了在保温层厚度为30 cm，入水水流速度为5 m/s 时，养殖舱水温和流速随时间的变化。流速分布图显示：水流在入口处附近速度达到最大，然后沿着水流方向逐渐降低；同一侧的4个入水口的水流在经过一段距离后汇集成一股水流；由于受到湍流作用的影响，这股水流会随时间沿着池壁上下摆动，这种上下摆动的现象有利于水体的温度交换，有利于整个养殖水舱的温度的均匀分布。由于入水口处水温较低，因此池壁附近，尤其是接近入水口处水温会比较低。根据计算条件设定，养殖水舱上方在接近空气处有较薄的一层水温较高的区域，并且在养殖水舱的上表层附近有较大的温度梯度。

图2 养殖水舱内流速和水温的断面分布随时间变化

3.2 速度场三维空间分布

从图3的流速空间分布可以看出，养殖水舱内水流的流动比较复杂。在壁面的流动属于典型的依附壁面的边界层湍流，由于入流速度较高，在图示红圈处形成了旋转涡流。黑色圆圈标出水流冲击对面舱壁的位置，由于湍流的不稳定特性，这个冲击位置会随时间上下摆动。

图3 当保温层厚度30cm、入水流速5m/s、时间60min时养殖水舱水流速度空间分布

3.3 温度场三维空间分布

图4显示保温层厚度为30 cm，入口流速为5 m/s时养殖水舱温度三维空间分布，图中等温面均为16℃ 结果。图4所示，入水口处的4股低温水流会先汇聚成1股水流，然后沿着养殖鱼舱的侧壁流向对面的舱壁。由于水的流动，入水口侧壁的水温要比中间处的水温低。随着时间的推移，养殖水舱内的水温会逐渐降低。由于冷水的密度比热水的高，养殖水舱底部水体会先降温，然后上方水体降温。由于两侧水流的相对流动，会在养殖水舱中心的出水孔附近产生一个漩涡状的温度场。

图4 当保温层厚度30cm、入水水流速度5m/s养殖鱼舱的温度三维空间分布

图5展示了保温层厚度为30 cm，入口流速为5 m/s时，养殖水舱水温体积百分比随时间的变化。养殖水舱内的水温空间波动范围比较小，基本在4℃ 以内。

图5 当保温层厚度为30cm、入口流速为5m/s时养殖水舱水温体积比例随时间变化

随着时间的增加，水舱温度逐渐降低，并且水温的空间波动范围趋于减小。当时间超过1 h，养殖水舱的全部水体温度都处在大西洋鲑适宜生长的温度范围内。

3.4 温度场断面分布

图6～图8展示了在3种保温层厚度和入口流速下，养殖水舱水体X=0 m、Y=0 m和Z=2.4 m断面处的温度分布。这3幅图均反应水舱下层水温比上层水温低，水舱壁面附近水温比中部溢流管附近水温低。对比不同保温层厚度发现保温层厚度对养殖水舱中水温空间分布并未有显著性影响，但是较厚的保温层可以减慢来自水舱外部的热量传入，有利于加快养殖水舱水温的降低。不同的冷水入水流速主要影响养殖水舱的水温降低速度，入水流速越快，养殖水舱水温降低越快，但是对水温的空间分布并没有显著性影响。

图6 时间为60min时养殖水舱水温在X=0m断面的分布

图7 时间为60min时养殖水舱水温在Y=0m断面的分布

4 讨论

4.1 温度传感器布设分析

利用养殖工船开展鲑鳟等鱼类养殖，需保障养殖舱适宜的水温[28]，故构建温度自动控制系统十分必要。温度控制系统需通过温度传感器实时监测养殖舱水温，并通过监测的水温调控进水流速。由于养殖舱水温分布不均，故养殖舱水温数值仿真模拟结果，可指导温度传感器的布设位置。温度控制系统一般采用多点测温法[18,29]，温度控制点应布设在水温相对稳定，温度变化幅度较小的区域。本研究预设6个温度监测点(图9，P1-P6)，6个监测点位于垂直剖面，垂直高度均为2.5 m (即距水面0.5 m)，模拟监测点的温度变化情况，分析传感器布设的合理性。

图9 温度监测点位置

图10展示了6个温度监测点的水温随时间的变化曲线。图10(a)显示P2、P3监测点的水温在达到相对稳定的状态时，仍有较大的水温波动，这是因为入水口的湍流效应，水流会上下摆动，同时带动水温的大幅波动。图10(b)显示位于出水口附近的P5监测点同样有较大的水温波动。监测点P4 、P6 在温度达到稳定状态时，水温上下波动最小，适合作为水温自动控制系统温度传感器的布设位置。

图10 温度监测点的水温随时间变化曲线

同时，由于养殖鱼舱的对称特征，这两点表现出了几乎重合的温度变化曲线。

4.2 热流固耦合模型及模拟结果分析

本研究考虑到流场会影响温度场分布，温度场又反作用于流场[30]，同时考虑水体与外界空气的热量交换，构建热流固耦合模型[31]，模拟养殖水体温度场和流场分布。相比于传统的不考虑耦合作用，分别对养殖水体的流场和温度场开展模拟的方法[4]，本研究方法虽对计算机计算能力有较高要求，但随着并行计算能力的不断提升，本研究方法会改善模拟精度。张慧鑫[18]应用与本研究相似的流程，开展了大面积养殖池的温度场和流场数值模拟研究，并基于模拟结果指导温度传感器布设位置。本研究基于CFD数值模拟结果，开展养殖工船养殖水体温度监测研究，发现温度传感器的布设应在温度高的上水层，保障养殖水舱冷水鱼类的生长存活。同时养殖工船利用冷水团进行鲑鳟鱼类养殖的养殖水舱温度场分布应尽可能均匀，维持鲑鳟鱼类适宜温度范围，最大程度利用养殖水体。对比保温层厚度和不同流速，温度场变化差异不显著，可通过增加搅动设备等措施，使养殖水舱温度分布更加均匀[18,29,32]。

5 结论

考虑温度场与流场的耦合作用，本研究构建三维瞬态热流固耦合模型，对养殖工船养殖舱水体温度和流速进行数值仿真模拟。对比20 cm、30 cm和40 cm 3种保温层厚度发现：保温层厚度对养殖舱中水温空间分布并未有显著性影响，稳定状态时的平均水温与保温层厚度无关，但是较厚的保温层可以减慢来自水舱外部的热量传入，有利于加快养殖水舱的水温降低。比较3种保温层厚度，20 cm保温层养殖水体水温降低较慢，但30 cm和40 cm保温层，水温变化无显著差异，均具有较好的保温效果，故考虑节约成本，可使用30 cm硬质聚氨酯材料的保温层。水舱下层水温比上层水温低，这是由于水体表面与空气的热交换引起的，故配置具有保温功能的养殖舱盖对减缓养殖舱水温降低速度十分必要。由于壁面的边界层湍流作用，养殖水舱壁面附近水温比中部溢流管附近水温低。比较3种入口流速，不同入口流速主要影响养殖水舱的水温降低速度，对水温的空间分布并没有显著性影响。温度监控系统中温度传感器应布置在水温变化幅度小、温度相对较高的位置，这样有利于保证所有养殖水体适宜养殖品种的生长成活。本研究发现温度传感器适宜布设于养殖舱中心垂直剖面，远离排水口，靠近水面的位置。