直壁雙管結(jié)構(gòu)射流角度對(duì)方形圓弧角養(yǎng)殖池流場的影響研究

胡藝萱，張 倩,任效忠,畢春偉，劉 鷹

(1 大連海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院，遼寧 大連 116023；2 設(shè)施漁業(yè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023；3 大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023；4 大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116023；5 大連理工大學(xué)海岸與近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023)

工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖因其環(huán)境可控、資源循環(huán)利用，是未來水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的重要發(fā)展方向之一[1-5]。在工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)(Recirculating Aquaculture System，RAS)中，對(duì)養(yǎng)殖池進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化是解決資源有限投入制約與高效產(chǎn)出需求相結(jié)合的關(guān)鍵措施，是實(shí)現(xiàn)水資源循環(huán)利用、減少污染物排放、實(shí)現(xiàn)高效安全的水產(chǎn)品生產(chǎn)目標(biāo)的重要基礎(chǔ)[6-7]。

隨著工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，養(yǎng)殖生產(chǎn)過程中大尺寸的養(yǎng)殖池被大規(guī)模投入使用，反復(fù)地進(jìn)行傳統(tǒng)形式的養(yǎng)殖池設(shè)計(jì)與試驗(yàn)難以滿足行業(yè)發(fā)展所面臨的種種問題[8-11]。另一方面，計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)(CFD技術(shù))逐漸成熟，解決了傳統(tǒng)試驗(yàn)需要專業(yè)場地與儀器、操作復(fù)雜、成本過高等問題，且使改變參數(shù)等操作更加簡便，易于設(shè)計(jì)多種工況，開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化，因此被廣泛應(yīng)用于養(yǎng)殖池系統(tǒng)流場特性的研究[12-14]。養(yǎng)殖池系統(tǒng)的水動(dòng)力條件是影響魚類福利化(Welfare)養(yǎng)殖和池底有效排污的重要因素[15-17]，而改進(jìn)養(yǎng)殖池進(jìn)出水口結(jié)構(gòu)是改善池內(nèi)流場特性的有效措施。Liu等[18]采用Realizablek-ε湍流模型描述流場，認(rèn)為k-ε湍流模型可以較好地描述養(yǎng)殖池內(nèi)的流態(tài)，得到的模擬值與實(shí)測值的平均相對(duì)誤差為18%。Behroozi等[19]認(rèn)為進(jìn)水口結(jié)構(gòu)對(duì)養(yǎng)殖池的水動(dòng)力特性具有重要的影響。

本研究聚焦于結(jié)合方形和圓形養(yǎng)殖池優(yōu)勢的方形圓弧角養(yǎng)殖池，在確保具有一定自凈能力的同時(shí)，提高養(yǎng)殖空間利用率[20]?；贑FD技術(shù)建立方形圓弧角養(yǎng)殖池的三維湍流數(shù)值模型，探討了在對(duì)直雙管入流條件下不同射流角度的養(yǎng)殖池內(nèi)水動(dòng)力特性，以期為工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖池進(jìn)水結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值模型

1.1 湍流控制方程

湍流是自然界與工程界中流體的一種常見流動(dòng)狀態(tài)[21]。由于在養(yǎng)殖池流場研究中，存在邊界層效應(yīng)和明顯的湍流現(xiàn)象，因而湍流模型的建立是研究養(yǎng)殖池系統(tǒng)水動(dòng)力特性的關(guān)鍵。在CFD的Fluent模塊中提供了多種湍流模型，其中RNGk-ε模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型可以有效解決湍流問題。俞國燕等[22]通過使用兩種模型分別對(duì)養(yǎng)殖池進(jìn)行模擬驗(yàn)證，研究表明，相比于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，RNGk-ε模型的模擬效果更精確，與試驗(yàn)結(jié)果的吻合度更高。因此，本研究選用RNGk-ε模型對(duì)養(yǎng)殖池中水動(dòng)力特性進(jìn)行模擬計(jì)算。

對(duì)于不可壓縮流體，連續(xù)性方程如下[23]：

(1)

納維-斯托克斯方程(N-S方程)為[23]：

(2)

(3)

(4)

RNGk-ε模型的輸運(yùn)方程如下[24]：

(5)

(6)

式中：Gk為湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；αk和αε分別為k和ε的反向有效普朗特?cái)?shù)。

1.2 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模型建立的有效性與數(shù)值模擬的精確性，與Oca等[25]和Duarte等[26]研究的單通道圓形養(yǎng)殖池結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

依據(jù)對(duì)比模型進(jìn)行驗(yàn)證模型的建立與網(wǎng)格劃分。驗(yàn)證模型設(shè)計(jì)參數(shù)：設(shè)計(jì)圓形養(yǎng)殖池直徑0.5 m，水深0.06 m，底部出流口直徑0.01 m，進(jìn)水口直徑0.007 m。模型建立如圖1所示，模型采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)進(jìn)水口、底流口位置進(jìn)行了加密處理，網(wǎng)格混合單元總數(shù)約為61萬個(gè)。

圖1 驗(yàn)證模型與網(wǎng)格劃分示意圖

參照Duarte等[26]取距離池底高度為h=0.03 m所在截面，監(jiān)測通過池中心縱切面的流場速度，養(yǎng)殖池對(duì)應(yīng)位置的數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，對(duì)比結(jié)果顯示，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，實(shí)測值與計(jì)算值相差較小，養(yǎng)殖池內(nèi)監(jiān)測速度分布趨勢一致。由于數(shù)值模型存在數(shù)值耗散，數(shù)值計(jì)算結(jié)果總體上略小于試驗(yàn)測量結(jié)果。模型驗(yàn)證結(jié)果充分證明了本研究建立的數(shù)值模型合理，精度基本滿足要求，可應(yīng)用于養(yǎng)殖池水動(dòng)力特性的研究。

圖2 流速對(duì)比圖

1.3 模型建立

1.3.1 幾何模型建立

以單通道對(duì)直雙管入流的方形圓弧角養(yǎng)殖池為研究對(duì)象，假定射流角度(α)為可變參數(shù)，其余為固定參數(shù)。養(yǎng)殖池各設(shè)計(jì)固定參數(shù)如下：養(yǎng)殖池長(L)×寬(B)為1 m×1 m，水深為H=0.2 m(長寬比L/B=1∶1，徑深比B/H=5∶1，相對(duì)弧寬比R/B=0.25)，底部出水口的直徑為0.02 m，進(jìn)水管直徑為0.02 m。雙進(jìn)水管分別設(shè)置在養(yǎng)殖池兩相對(duì)直邊壁的中間位置，垂直池底且緊貼直邊壁布置，進(jìn)徑比C/B=0.01[16]，自上而下均勻設(shè)置9個(gè)直徑為0.004 m的射流孔，射流速度恒為1 m/s?？勺儏?shù)射流角度設(shè)置19組，每隔5°設(shè)置一個(gè)工況，計(jì)算分析射流角度對(duì)養(yǎng)殖池內(nèi)水動(dòng)力特性的影響。

1.3.2 網(wǎng)格劃分

數(shù)值計(jì)算模型網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格，在進(jìn)水管、射流口、排污口位置進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。以射流角度為0°的模型為例，模型與網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。

圖3 養(yǎng)殖池模型與網(wǎng)格劃分示意圖

1.3.3 邊界條件設(shè)置

Fluent邊界條件設(shè)置，將入口邊界設(shè)置為速度入口、進(jìn)口速度設(shè)置為1 m/s；出口邊界設(shè)置為壓力出口。養(yǎng)殖池池底和池壁均為固體壁面；水表面按自由面處理，壓力值為大氣壓。

2 結(jié)果與討論

2.1 射流角度對(duì)養(yǎng)殖池流速的影響

Tvinnereim等[27]研究指出有中心出口的養(yǎng)殖池通過改變?nèi)肟诘臎_力可以優(yōu)化池內(nèi)的速度和流場分布。Oca等[25]研究表明養(yǎng)殖池系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下，養(yǎng)殖池阻力消耗的功率等于入口沖力提供的功率。由此定義了養(yǎng)殖池內(nèi)阻力系數(shù)Ct。

(7)

式中：Q為進(jìn)水流量，m3/s；Vin為進(jìn)水速度，m/s；Vavg為池內(nèi)平均速度，m/s；A為濕周，m2。

在相同系統(tǒng)同一進(jìn)水流量下研究了射流角度對(duì)養(yǎng)殖池內(nèi)流場流速的影響。隨著射流角度的變化養(yǎng)殖池內(nèi)流速出現(xiàn)了明顯差異，不同射流角度的養(yǎng)殖池內(nèi)平均速度與養(yǎng)殖池內(nèi)阻力系數(shù)隨射流角度影響如圖4所示。

圖4 不同射流角度的養(yǎng)殖池內(nèi)平均流速與阻力系數(shù)

對(duì)直雙管射流驅(qū)動(dòng)下流場平均速度隨入流角度增大呈現(xiàn)出2次遞減與1次遞增趨勢。其中0°～45°區(qū)間的平均速度總體呈現(xiàn)遞減趨勢，而45°～60°區(qū)間呈現(xiàn)遞增趨勢，射流角度增加至60°達(dá)到遞增趨勢的峰值，60°～90°再次呈現(xiàn)遞減趨勢。平均速度在射流角度為90°時(shí)最小。射流角度為0°時(shí)養(yǎng)殖池內(nèi)平均流速較高且阻力系數(shù)較低，其速度也明顯高于射流角度為60°時(shí)的速度峰值。養(yǎng)殖池入流水體與池壁的相互作用是一大主要的耗能形式，射流角度為0°，此工況入流與池壁相互作用的耗能體現(xiàn)在水流與池壁之間的摩擦，此過程摩擦所損耗的能量較小。0°～45°區(qū)間平均速度呈單調(diào)遞減趨勢，此時(shí)由于射流角度的增大，入流與池壁摩擦消耗的能量逐漸減小，但入流與池壁之間會(huì)產(chǎn)生不同程度的碰撞、折射以及反射現(xiàn)象，并伴隨較大的能量損失，入流與池壁相互作用的總體耗能在逐漸增多。此外，經(jīng)過碰撞、折射以及反射后會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)點(diǎn)間的無序運(yùn)動(dòng)與相互撞擊，進(jìn)而造成更大的能量損失，這也是阻力系數(shù)大幅度增大的主要原因。而射流角度為45°時(shí)碰撞程度最為劇烈導(dǎo)致平均速度相對(duì)較小，阻力系數(shù)也相對(duì)較大。

射流角度由45°增至60°，水體平均速度呈現(xiàn)穩(wěn)步增長趨勢。原因在于隨著入射角度增大，射流轉(zhuǎn)向前的沿程增加，使水體混合程度提高，入射水流到達(dá)池壁時(shí)速度減小，碰撞、折射以及反射的程度趨于減弱，表現(xiàn)在這一過程能量損失有所減小。當(dāng)射流角度進(jìn)入60°～90°區(qū)間，水質(zhì)點(diǎn)之間的相互碰撞及摩擦代替入流與池壁相互作用成為養(yǎng)殖池內(nèi)主要耗能方式。射流角度為60°～90°區(qū)間內(nèi)，入流流向與池壁之間夾角區(qū)域出現(xiàn)大面積的低流速區(qū)域，且面積隨射流角度的增大而增大，而射流帶動(dòng)的主體循環(huán)水體區(qū)域在減小，當(dāng)角度增大至90°時(shí)射流與周圍水體的摻混程度極低，池內(nèi)平均流速隨著入流角度的增加而逐漸減小。此外，由于養(yǎng)殖池混合程度低，低流速區(qū)面積增大，水質(zhì)點(diǎn)間能量損耗增大，使阻力系數(shù)在90°時(shí)達(dá)到最大值。在Zhang等[28]單管射流角度的研究中，射流角度85°～90°平均流速呈現(xiàn)上升趨勢，原因是正向渦流與反向渦流逐漸趨于平衡狀態(tài)，兩者碰撞所產(chǎn)生的能量損失逐漸減小。而雙管入流在90°時(shí)出現(xiàn)射流對(duì)稱的現(xiàn)象，水流只在出水口附近形成環(huán)流特性，未出現(xiàn)較大區(qū)域規(guī)律性運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

流場速度隨入射角度的變化表明，射流角度0°～10°區(qū)間是養(yǎng)殖池的較優(yōu)射流角度范圍；射流角度60°的流場速度和特性也不及射流角度0°～10°區(qū)間；射流角度為90°時(shí)，平均流速最小且水體流場特性差，池內(nèi)出現(xiàn)大面積低流速區(qū)。

2.2 射流角度對(duì)養(yǎng)殖池水體均勻性的影響

在進(jìn)水系統(tǒng)水平射流條件下，特定徑向位置的切向速度基本上與其所處深度無關(guān)。Masaló等[29]定義了DU50分析養(yǎng)殖池速度均勻性，即養(yǎng)殖池中50%的較低速度的平均值V50和整個(gè)養(yǎng)殖池中的平均速度的比值。

(8)

式中:V50為養(yǎng)殖池中50%的較低速度的平均值，m/s；Vavg為養(yǎng)殖池中的平均速度，m/s。

平均速度Vavg可以通過半徑加權(quán)計(jì)算獲得

(9)

式中:Vi為每個(gè)測量點(diǎn)的速度，m/s；ri為測量點(diǎn)相對(duì)于養(yǎng)殖池中心的距離，m。

在養(yǎng)殖池距池底0.1 m的中間截面設(shè)置了72個(gè)測點(diǎn)，以截面中心為圓心設(shè)9個(gè)間距為5 cm的圓周，每個(gè)圓周取的8個(gè)點(diǎn)分別位于養(yǎng)殖池的橫縱軸線和兩條對(duì)角線上。根據(jù)公式(8)和公式(9)計(jì)算出該平面均勻系數(shù)，該平面均勻系數(shù)即表示DU50用以分析養(yǎng)殖池速度均勻性。

水體均勻系數(shù)隨射流角度變化如圖5所示，養(yǎng)殖池水體均勻系數(shù)與水體平均速度隨入射角度的變化呈現(xiàn)高度正相關(guān)性，隨入流角度增大呈現(xiàn)出兩次遞減與一次遞增趨勢。射流角度在0°～10°范圍內(nèi)養(yǎng)殖池水體均勻系數(shù)較高且為所有射流角度結(jié)果的最高區(qū)間，第一個(gè)遞減區(qū)間在射流角度45°時(shí)水體均勻系數(shù)最低；當(dāng)45°≤α≤60°時(shí)，水體均勻系數(shù)隨射流角度增大而增大，但射流角度60°時(shí)的水體均勻系數(shù)小于射流角度在0°～10°范圍的結(jié)果；射流角度在60°～90°范圍內(nèi)再次呈現(xiàn)出單調(diào)遞減趨勢。

圖5 水體均勻系數(shù)隨射流角度變化圖

養(yǎng)殖池內(nèi)流速分布云圖和流速分布矢量圖分別如圖6所示，射流角度在0°～10°范圍，入流沿池壁前行，此時(shí)池內(nèi)水體整體環(huán)流特性較好且均勻系數(shù)較高。射流角度10°～35°范圍，水體均勻系數(shù)整體呈平緩下降趨勢，隨著射流角度增加，入流水體與池內(nèi)水體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生不同程度的撞擊，但入流水體整體仍維持了沿池壁運(yùn)行的環(huán)流軌跡特性。由于水流與池壁的碰撞、折射以及反射影響逐漸增大，水質(zhì)點(diǎn)之間軌跡不規(guī)律引起的能量損耗也相應(yīng)增加，水體均勻系數(shù)也隨之逐漸減小。射流角度35°～45°范圍，均勻系數(shù)開始急劇下降，此時(shí)池內(nèi)入射水流前進(jìn)方向與邊壁相夾區(qū)域出現(xiàn)大量低流速區(qū)，水質(zhì)點(diǎn)之間相互撞擊程度增大導(dǎo)致難以形成養(yǎng)殖池內(nèi)整體環(huán)流，入射水流與池內(nèi)水體摻混能力也較弱。射流角度在45°～60°范圍，水體均勻系數(shù)逐漸增大，水流與邊壁的碰撞作用程度隨射流角度的增大而減弱，入射水流逐漸向養(yǎng)殖池中心移動(dòng)并且在兩個(gè)入射水流所合圍的養(yǎng)殖池核心區(qū)域，流體形成部分區(qū)域環(huán)流趨勢，但在入射水流與池壁相夾區(qū)域出現(xiàn)低流速區(qū)影響了流場整體的均勻性。射流角度在60°～90°范圍，兩個(gè)入射水流所合圍的養(yǎng)殖池核心區(qū)域流體范圍逐漸減小，而外圍與池壁間的合圍低流速區(qū)不斷擴(kuò)大，水體均勻系數(shù)逐漸降低；尤其當(dāng)射流角度在80°～90°范圍，入射水流僅在養(yǎng)殖池中心出水口附近區(qū)域形成核心流動(dòng)區(qū)，整個(gè)空間低流速區(qū)較多、流場均勻性較差。

2.3 射流角度對(duì)養(yǎng)殖池池角低流速區(qū)的影響

Tvinnereim[30]指出養(yǎng)殖池內(nèi)水體的速度由進(jìn)水結(jié)構(gòu)所提供的沖擊力決定。由養(yǎng)殖池流速云圖(圖6)可以看出，中間出口養(yǎng)殖池池角處易形成低流速區(qū)，低流速區(qū)面積的大小與流場形態(tài)直接影響水體的平均速度與流場均勻性，進(jìn)而影響?zhàn)B殖魚類對(duì)養(yǎng)殖水體空間的利用率。因此，養(yǎng)殖池池角位置流場是分析養(yǎng)殖池流場流態(tài)的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。

圖6 養(yǎng)殖池內(nèi)速度分布云圖與速度矢量圖

養(yǎng)殖池池角低流速區(qū)如圖7所示。

圖7 養(yǎng)殖池池角(四角)區(qū)域

選取距池底高度為0.1 m的平面，將進(jìn)水管1射流經(jīng)過的第一處池角區(qū)域設(shè)為a區(qū)、第二處池角區(qū)域設(shè)為b區(qū)，進(jìn)水管2射流經(jīng)過的第一處池角區(qū)域設(shè)為c區(qū)、第二處池角區(qū)域設(shè)為d區(qū)。

由于兩進(jìn)水管結(jié)構(gòu)、流量、入水射流速度均相同，因而a區(qū)與c區(qū)流場流態(tài)相似，同理b區(qū)與d區(qū)流場流態(tài)相近。

圖8 射流角度對(duì)γ值的影響趨勢

射流角度為0°～10°時(shí)，水體平均流速較高且均勻性較好，養(yǎng)殖池池角的流速較高，甚至趨近于該平面水體的平均速度。隨著射流角度從10°增加到45°，入射水流逐漸與邊壁形成夾角，同時(shí)水體能量在混合過程中也逐漸出現(xiàn)了多方向分散與多個(gè)區(qū)域流體運(yùn)行軌跡，其平均速度出現(xiàn)單調(diào)遞減趨勢，且γ逐漸減小，流場均勻性也逐漸變差。射流角度在45°～60°區(qū)間存在多個(gè)區(qū)域流體運(yùn)行軌跡更加穩(wěn)定變化趨勢，此過程能耗損失減少帶動(dòng)了γ逐漸增加。射流角度位于60°～90°區(qū)間，存在核心區(qū)域流體形成的環(huán)流區(qū)域面積逐步減小且影響范圍逐步向出水口中心收縮的趨勢，因而γ總體呈現(xiàn)減小的趨勢。此外，射流角度位于55°～75°區(qū)間，a、c區(qū)域作為入射水流流經(jīng)的第一個(gè)池角，在射流角度與邊壁夾角過大時(shí)，射流水體前進(jìn)不直接流經(jīng)這一區(qū)域并充分混合，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)平均流速很低且出現(xiàn)大面積低流速區(qū)，γ明顯低于0.5界限；而入射水流在養(yǎng)殖池中心和b、d區(qū)域產(chǎn)生一個(gè)橢圓形的環(huán)流循環(huán)區(qū)，b、d區(qū)域的平均流速較高，但由于a、c區(qū)域平均流速過低，此時(shí)流場均勻性同樣較差。

3 結(jié)論

針對(duì)雙進(jìn)水管的水產(chǎn)養(yǎng)殖池建立了三維湍流數(shù)值計(jì)算模型并進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，證明了本研究建立的數(shù)值模型合理，精度基本滿足要求，可應(yīng)用于養(yǎng)殖池水動(dòng)力特性的研究。通過對(duì)直雙管結(jié)構(gòu)射流角度對(duì)養(yǎng)殖池流場特性影響的研究，發(fā)現(xiàn)射流角度對(duì)養(yǎng)殖池系統(tǒng)平均流速與水體均勻性影響顯著。射流角度為0°～10°時(shí)，養(yǎng)殖池內(nèi)水體平均流速較高、均勻性較好，且沒有明顯的低流速區(qū)，尤其以射流角度為0°的效果更優(yōu)，此時(shí)養(yǎng)殖池水體環(huán)境達(dá)到最佳狀態(tài)，相應(yīng)的水動(dòng)力特性更符合循環(huán)水養(yǎng)殖模式降低能耗需求并適宜養(yǎng)殖生物的生長。本研究可為工廠化循環(huán)水方形圓弧角養(yǎng)殖池進(jìn)水結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)建造提供參考。

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