水流作用下平面金屬網(wǎng)衣水阻力特性數(shù)值模擬

陳昌平,王文,鄭佳成,鄭艷娜,史憲瑩,劉昌鳳、3(.大連海洋大學海洋與土木工程學院,遼寧大連603;.馬鞍山市水利局,安徽馬鞍山43000;3.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室,遼寧大連604)

水流作用下平面金屬網(wǎng)衣水阻力特性數(shù)值模擬

陳昌平1,王文1,鄭佳成2,鄭艷娜1,史憲瑩1,劉昌鳳1、3
(1.大連海洋大學海洋與土木工程學院,遼寧大連116023;2.馬鞍山市水利局,安徽馬鞍山243000;3.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室,遼寧大連116024)

為研究養(yǎng)殖用金屬網(wǎng)衣多孔小直徑網(wǎng)狀結構的水動力響應特性,采用計算流體動力學原理,基于Navier-Stokes方程及大渦模擬(LES)湍流模型,并運用ABAQUS/CFD模塊中的Gauss-Seidel耦合方法進行了水流作用下網(wǎng)衣的流固耦合計算,在試驗驗證的基礎上,得到了不同目腳尺寸和網(wǎng)線直徑組合條件下鋅鋁合金網(wǎng)衣的平面受力計算結果。結果表明:當網(wǎng)衣目腳尺寸由25 mm增加到35、45 mm時,3種網(wǎng)線直徑對應的網(wǎng)衣受到的水阻力值平均減小幅度分別為29.15%和43.79%;當網(wǎng)線直徑由2.5 mm增加到3.2、4.0 mm時,3種目腳尺寸對應的網(wǎng)衣受到的水阻力值平均增加幅度分別為27.01%和55.84%。本研究結果可為進一步探究金屬網(wǎng)箱在波流作用下的整體受力變形提供理論參考。

金屬網(wǎng)衣;流固耦合;水阻力特性;數(shù)值模擬

在近海養(yǎng)殖海域生態(tài)環(huán)境不斷惡化、人類對食品質量安全要求不斷提高的背景下,近岸傳統(tǒng)網(wǎng)箱養(yǎng)殖的弊端逐漸顯現(xiàn)。近年來,深水金屬網(wǎng)箱逐漸進入中國網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)的視野,與重力式網(wǎng)箱相比,金屬網(wǎng)箱具有抗浪流、耐腐蝕、輕附著、低污染、養(yǎng)殖空間大和水產品品質高等優(yōu)勢,將會成為中國極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦宛B(yǎng)殖模式。網(wǎng)衣是金屬網(wǎng)箱的重要組成部分,在養(yǎng)殖環(huán)境中承受著復雜的波浪水流作用,在網(wǎng)箱養(yǎng)殖向外海深水推進過程中其安全性備受關注,因此,研究金屬網(wǎng)衣在波浪水流作用下的水動力特性具有十分重要的意義。

多年來,國內外學者通過模型試驗、數(shù)值模擬手段針對纖維類網(wǎng)衣開展了系列研究,主要包括網(wǎng)衣的模型試驗相似準則研究[1-4]、網(wǎng)衣水阻力系數(shù)研究[5-9]、網(wǎng)衣在波流作用下的動力特性研究[10-13]等。在此基礎上,相關學者開展了一系列由網(wǎng)衣、浮架和錨碇系統(tǒng)構成的深水網(wǎng)箱水動力特性研究。近年來,隨著金屬網(wǎng)箱的逐漸運用,金屬網(wǎng)衣的研究也隨之展開。Tsukrov等[14]以網(wǎng)衣密實度為參數(shù),對4種不同密實度的銅合金平面網(wǎng)衣在水流作用下的受力進行了測試,分析了4種網(wǎng)衣的阻力系數(shù),并與兩種不同密實度的尼龍網(wǎng)衣測試結果進行了比較,結果表明,銅合金網(wǎng)衣的法向阻力系數(shù)明顯小于尼龍網(wǎng)衣,同時討論了影響網(wǎng)衣法向阻力系數(shù)的相關因子(網(wǎng)目形狀、網(wǎng)衣密實度、網(wǎng)衣材質)。Gansel等[15]采用試驗測試的方法,得到了水流作用下不同孔隙率的圓柱形金屬網(wǎng)衣流阻力值,并與經(jīng)驗公式進行了比較。Cha等[16]采用試驗的方法研究了不同直徑、網(wǎng)目長度在不同沖角條件下的鏈形銅合金網(wǎng)衣水阻力系數(shù),并和柔性網(wǎng)衣的阻力系數(shù)進行了比較。Decew等[17]通過試驗方法獲得了一種鏈形銅合金網(wǎng)衣的等效剛度,并證實采用傳統(tǒng)的有限元方法可有效模擬該種網(wǎng)衣組成的重力式網(wǎng)箱的體積變形。

考慮到纖維類網(wǎng)衣屬于小直徑多孔柔性結構,在網(wǎng)衣的數(shù)值模擬中,通常采用的網(wǎng)衣單元模型主要包括桁架單元、梁單元、索單元、彈簧單元等。本研究中針對一種鋅鋁合金網(wǎng)衣,依據(jù)有限元原理,基于ABAQUS軟件,將網(wǎng)衣視為梁單元模型,并首次運用Gauss-Seidel耦合方案,在試驗結果驗證的基礎上,計算了方形金屬網(wǎng)衣在水流作用下的水阻力值,討論了網(wǎng)衣受力與目腳尺寸、網(wǎng)線直徑的關系,數(shù)值模擬結果將為進一步研究金屬網(wǎng)箱在波流作用下的整體受力變形提供有益參考。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 流場模擬

模擬流體為牛頓流體,連續(xù)性方程為

針對不可壓縮流體,連續(xù)性方程為

其中:t為時間;v和籽分別為流體的速度和密度。

不可壓縮流體的動量守恒N-S方程為

其中:p為流體壓力;滋為流體運動黏度系數(shù);g為重力加速度。

為便于數(shù)值求解N-S方程,采用Johnston等[18]提出的與不可壓縮流N-S方程等價的壓力泊松方程(PPE)形式:

式中:f為外力項。

對公式(4)、(5)通過下式進行離散:

其中:M為質量矩陣;A(v)為對流算子;K為黏性擴散算子;G為梯度算子;D為散度算子;L為壓力泊松算子;F為體力。

流場中的湍流模型采用大渦模擬法(LES),大尺度渦通過濾波后的Navier-Stokes方程直接求解,小尺度的渦則采用亞格子尺度模型(SGS)模擬。

經(jīng)過濾波函數(shù)的濾波,可得到大尺度渦的不可壓縮Navier-Stokes方程為

亞格子應力子ij采用Smagorinsky-Lilly的亞格子尺度模型,具有以下形式:

式中:淄t為亞格子尺度的湍流黏度,且

式中:駐i為沿坐標軸i方向的網(wǎng)格尺寸;CS為Sma-gorinsky常數(shù),且

式中:y+為網(wǎng)格到壁面的最近距離;A+為半經(jīng)驗常數(shù),取25;CS0為VanDriest常數(shù),取0.1。

本研究中,流場模擬區(qū)域大小為:X方向1200 mm,Y方向1000 mm,Z方向1030 mm。

1.2 網(wǎng)衣模擬

在ABAQUS的Standard模塊里,按照網(wǎng)衣平面尺寸及網(wǎng)線直徑、網(wǎng)目大小,建立了一個與實際模型相同的網(wǎng)衣模型,并將建立好的模型導入到Hypermesh分析軟件中。劃分網(wǎng)格時,將導入Hy-permesh軟件的網(wǎng)衣進行十字經(jīng)緯交叉。每個經(jīng)緯十字交叉時,上下左右各取半個網(wǎng)衣長度大小的距離,將所取的部分看成一個獨立體,整張網(wǎng)衣就是由許多此類獨立體形成的矩形陣列。網(wǎng)格采用結構化網(wǎng)格,所有單元都由六面體組成。網(wǎng)格的收斂性由ABAQUS分析無誤后方可完成整個運算過程。以直徑4 mm、網(wǎng)目45 mm的平面網(wǎng)衣為例,網(wǎng)衣劃分的總單元個數(shù)為2 280 944個。圖1為網(wǎng)衣結構單元劃分示意圖。

網(wǎng)衣單元結構運動方程為

其中:m為質量矩陣;c為阻尼矩陣;k為剛度矩陣;x為結構位移;F為作用在單元結構上的外力。

1.3 流固耦合計算

在ABAQUS中,使用ABAQUS/Standard和ABAQUS/CFD兩個模塊進行流固耦合計算,流體域和固體域的計算分開進行,在流體域內釆用有限體積法和有限單元法結合,對線性化的基于壓力的流體動力學控制方程及湍流模型控制方程進行迭代求解,得到結構表面流體的速度,通過伯努利方程,求得結構表面的壓強,沿結構表面積分可得到作用于結構的流體水動力荷載值;在結構域內采用有限單元法計算結構響應。流固之間將每一步計算的物理量相互反饋給對方,并得到對方所得出的物理量進行下一步計算。圖2為Gauss-Seidel流固耦合計算過程示意圖。

圖1 網(wǎng)衣單元結構網(wǎng)格示意圖Fig.1M esh of the net structure element

圖2 流固耦合計算示意圖Fig.2Schematic diagram of Gauss-Seidelcoup ling schem e

2 數(shù)值模擬驗證

2.1 水槽試驗

銀行規(guī)模與向小企業(yè)貸款力度呈反向關系，廣西貧困縣縣域經(jīng)濟主要以中小企業(yè)為主。對縣域中小企業(yè)提供足夠資金支持，就會對縣域經(jīng)濟第二產業(yè)發(fā)展產生顯著的促進作用。發(fā)展本地小商業(yè)銀行，有利于向本地縣域中小企業(yè)貸款，服務本地經(jīng)濟。

為驗證數(shù)值模擬的準確性和可靠性,在大連理工大學船模試驗水槽中進行了金屬網(wǎng)衣試驗,水槽規(guī)格為170 m伊7 m伊4 m(長伊寬伊深)。根據(jù)目前網(wǎng)箱養(yǎng)殖工程實際情況,確定鋅鋁金屬網(wǎng)衣的3種網(wǎng)目和3種網(wǎng)線直徑,網(wǎng)衣具體參數(shù)如表1所示。

表1 平面網(wǎng)衣參數(shù)Tab.1Properties of a plane net

試驗過程中,網(wǎng)衣固定在定制的鐵質框架內,網(wǎng)衣四邊與框架固定,框架上部為傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。圖3為網(wǎng)衣試驗布置圖。網(wǎng)衣上邊緣距離水表面為15 cm。試驗采用拖曳方法,拖車速度分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 m/s。由于采用拖曳方式,框架的存在對流場的影響較小,因此,可以忽略對網(wǎng)衣受力的影響。

圖3 網(wǎng)衣試驗布置圖Fig.3Experimental set up of net

2.2 結果比較

根據(jù)網(wǎng)線直徑、目腳尺寸和流速分組情況,網(wǎng)衣試驗工況共有30種,考慮不失一般性,圖4給出了鋅鋁合金網(wǎng)衣在5種流速條件、不同網(wǎng)目大小及網(wǎng)線直徑情況下,網(wǎng)衣受力的數(shù)值計算結果與試驗結果的對比情況。計算公式為

網(wǎng)衣受力試驗值=框架與網(wǎng)衣總體受力試驗值-單獨框架拖曳受力試驗值。

圖4-A中25 mm伊2.5 mm表示網(wǎng)衣目腳尺寸為25 mm、網(wǎng)線直徑為2.5 mm的網(wǎng)衣;圖4-B中35 mm伊3.2 mm表示目腳尺寸為35 mm、網(wǎng)線直徑為3.2 mm的網(wǎng)衣;圖4-C中45 mm伊4.0 mm表示目腳尺寸為45 mm、網(wǎng)線直徑為4.0 mm的網(wǎng)衣。

由圖4可知,不同工況下網(wǎng)衣受力的數(shù)值模擬計算結果與試驗結果吻合較好,3種工況下計算值與試驗值網(wǎng)衣受力值相對誤差分別為7.59%、4.35%和4.65%,統(tǒng)計其他各種工況計算值與試驗值相對誤差,平均值小于10%,說明采用該數(shù)值計算方法具有較好的準確性。

3 討論

3.1 網(wǎng)衣受力與目腳尺寸的關系

由表2可知,在3種網(wǎng)線直徑條件下,目腳尺寸為35、45 mm時,各工況下網(wǎng)衣受力平均減小幅度分別為29.15%和43.79%。根據(jù)Morsion等提出的計算小直徑構件流阻力半經(jīng)驗半理論方法可知,在純流作用下,平面網(wǎng)衣受力大小與網(wǎng)衣在水流作用方向的投影面積大小成正比關系,在平面方形編織網(wǎng)外框尺寸及網(wǎng)衣網(wǎng)線直徑相同情況下,目腳尺寸增加,網(wǎng)衣在水流作用方向的投影面積減小,因此,網(wǎng)衣整體受力也隨之減小。

圖4 網(wǎng)衣受力計算值與試驗值比較Fig.4Comparison of the calculation value and meas-ured results of force acting on the net

圖5 不同目腳尺寸條件下網(wǎng)衣受力比較Fig.5Comparison of net forces under different mesh sizes

表2 目腳尺寸變化引起的網(wǎng)衣受力變化幅度統(tǒng)計Tab.2Statistics of relative variation in the net force in differentmesh sizes

3.2 網(wǎng)衣受力與網(wǎng)線直徑的關系

圖6為網(wǎng)衣目腳尺寸相同、網(wǎng)線直徑不同條件下,鋅鋁合金網(wǎng)衣在各種流速條件下的受力比較,其中l(wèi)=25 mm、l=35 mm、l=45 mm分析表示目腳尺寸為25、35、45 mm。由圖6可知,在目腳尺寸相同條件下,隨網(wǎng)線直徑的增加,網(wǎng)衣受力也隨之增加。以網(wǎng)線直徑2.5 mm為基準,在不同流速作用下,直徑為3.2、4.0 mm時網(wǎng)衣受力增加幅度平均值見表3。表3中3.2 mm/2.5mm表示網(wǎng)線直徑3.2 mm相對于網(wǎng)線直徑2.5 mm網(wǎng)衣受力的增加幅度。

由表3可知,在3種網(wǎng)目大小情況下,網(wǎng)線直徑從2.5 mm增加到3.2、4.0 mm時,在不同流速作用下,網(wǎng)衣受力平均增加幅度分別為27.01%和55.84%。由于網(wǎng)線直徑增加,在目腳尺寸不變情況下,網(wǎng)衣在水流方向的投影面積相應增加,因此,網(wǎng)衣受到的流阻力也相應有所增加。

圖6 不同網(wǎng)線直徑條件下網(wǎng)衣受力比較Fig.6Comparison of net forces under different diame-ters of tw ines

表3 網(wǎng)線直徑變化引起的受力變化幅度統(tǒng)計Tab.3Statistics of relative variation in the net force indifferent diameters of tw ines

4 結論

基于Navier-Stokes方程及湍流模型,運用CFD流固耦合技術,得到了金屬網(wǎng)衣在水流作用下的阻力值,一種鋅鋁合金網(wǎng)衣在水流作用下,水阻力大小與網(wǎng)目尺寸及網(wǎng)線直徑的關系為:

(1)當目腳尺寸由25 mm增加到35、45 mm時,網(wǎng)線直徑對應的網(wǎng)衣受到的水阻力值平均減小幅度分別為29.15%和43.79%。

(2)當網(wǎng)線直徑由2.5 mm增加到3.2、4.0 mm時,目腳尺寸對應的網(wǎng)衣受到的水阻力值平均增加幅度分別為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

國家自然科學基金資助項目(31572663,51239002,51409039);遼寧省教育廳科研項目(L2014280)

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

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