基于熱流固耦合模型的養(yǎng)殖工船養(yǎng)殖艙溫度場數(shù)值模擬

翟緒輝，程 暉， 劉長東， 黃六一

(中國海洋大學水產(chǎn)學院海洋漁業(yè)系，山東 青島 266003)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，近岸養(yǎng)殖空間不斷壓縮，研發(fā)深遠海大型養(yǎng)殖設(shè)施裝備，如深遠海大型網(wǎng)箱、養(yǎng)殖工船，開發(fā)現(xiàn)代化的“深藍”養(yǎng)殖空間，是提高養(yǎng)殖發(fā)展質(zhì)量的新途徑[1-3]。養(yǎng)殖工船是一種可移動的海上養(yǎng)殖平臺，與養(yǎng)殖網(wǎng)箱相比，養(yǎng)殖工船具有養(yǎng)殖密度高、方便海上移動等優(yōu)點。根據(jù)養(yǎng)殖環(huán)節(jié)的需求，養(yǎng)殖工船可以移動到適宜水溫和水質(zhì)條件的海域進行養(yǎng)殖生產(chǎn)，有效避開臺風等惡劣自然災(zāi)害[4]。

20世紀80～90年代，法國、日本、挪威等漁業(yè)發(fā)達國家進行了養(yǎng)殖工船的概念設(shè)計，并提出大型養(yǎng)殖工船方案[5]。中國于21世紀初期，也陸續(xù)開展了深遠海養(yǎng)殖裝備設(shè)施設(shè)計及發(fā)展趨勢研究分析。2006年，丁永良[6]論述了國外海上工業(yè)化養(yǎng)魚現(xiàn)狀、技術(shù)內(nèi)涵及中國開展海上工業(yè)化養(yǎng)魚的必要性。徐皓等[7]論述了中國深遠海養(yǎng)殖工程裝備科技發(fā)展現(xiàn)狀及深遠海養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的主要問題，并提出實施舊船加改裝，集成構(gòu)建游弋式大型養(yǎng)殖工船及綜合漁業(yè)生產(chǎn)平臺等深遠養(yǎng)殖工程裝備科技重點任務(wù)。王靖等[8]、韓冰等[9]、肖凱隆等[10]、崔銘超等[11]對養(yǎng)殖工船的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了研討。

養(yǎng)殖工船養(yǎng)殖艙內(nèi)水體溫度、流速及船體搖動會對養(yǎng)殖對象產(chǎn)生重要影響。崔銘超等[12-13]開展了橫搖和縱搖運動下養(yǎng)殖工船水環(huán)境流場特性數(shù)值分析研究，發(fā)現(xiàn)船體晃動對養(yǎng)殖對象安全及結(jié)構(gòu)強度均有極大的不利影響。劉闖[14]開展了新型養(yǎng)魚船工作船艙內(nèi)流場計算流體力學(CFD)數(shù)值仿真研究，研究結(jié)果可為養(yǎng)魚船改造方案中的母船選型提供參考。韓冰等[15]基于三維勢流理論，對養(yǎng)殖工船的耐波性能進行研究和評價。高瑞等[16]通過數(shù)值仿真分析了橫搖狀態(tài)下養(yǎng)殖水艙的適魚性。鮭鱒等冷水魚類對水溫的要求較為苛刻，大西洋鮭的適宜生活溫度為12～16℃ ，超過18℃ 逐漸衰弱死亡[17]。開展養(yǎng)殖工船養(yǎng)殖艙水溫的數(shù)值仿真研究，掌握溫度的空間分布，對水溫進行實時監(jiān)測，對保障養(yǎng)殖魚種的生長存活具有重要意義。宋協(xié)法等[4]基于CFD技術(shù)開展了養(yǎng)殖工船養(yǎng)殖水艙的流場和溫度場數(shù)值模擬研究，論述了最小進水流速和保溫方案。張慧鑫[18]釆用Ansys軟件進行了養(yǎng)殖池溫度場和速度場模擬與仿真，并依據(jù)模擬的溫度場分布，指導(dǎo)溫度傳感器布設(shè)，實施養(yǎng)殖池溫度的實時監(jiān)測。

應(yīng)用養(yǎng)殖工船開展鮭鱒等高品質(zhì)魚種養(yǎng)殖[19]，需建立完善的水循環(huán)系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)[20-22]。溫度控制系統(tǒng)需在養(yǎng)殖水體中布設(shè)溫度傳感器，根據(jù)溫度傳感器的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過自動控制系統(tǒng)控制冷水進水流速，保證養(yǎng)殖水體水溫的適宜性[23]。開展養(yǎng)殖艙養(yǎng)殖水體數(shù)值仿真研究，探究溫度場分布，可有效指導(dǎo)溫度傳感器的布設(shè)位置。

相比于傳統(tǒng)的養(yǎng)殖艙養(yǎng)殖水體數(shù)值仿真分析方法，本研究考慮溫度場與流場的耦合交互作用，構(gòu)建養(yǎng)殖工船養(yǎng)殖水艙三維瞬態(tài)熱流固耦合模型，并應(yīng)用該模型進行數(shù)值仿真分析，研究不同流速和不同保溫層厚度對養(yǎng)殖工船養(yǎng)殖水艙溫度分布的影響，探討溫度控制系統(tǒng)中溫度傳感器布設(shè)位置。本研究結(jié)果對養(yǎng)殖工船養(yǎng)殖水艙水溫的實時監(jiān)測，保障水溫的適宜性具有重要意義。

1 材料

研究對象為位于青島的鋼質(zhì)、單甲板、單底、柴油機推進尾機型冷水團養(yǎng)殖工船[2]。夏季通過抽取冷水團的冷水進行大西洋鮭養(yǎng)殖。養(yǎng)殖水艙立體規(guī)格為10 m×6 m×3.8 m，由橫、縱艙壁、甲板和底板組成，橫、縱艙壁上分別有等距的高度為300 mm、400 mm肋板。養(yǎng)殖水艙的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，其中淺藍色部分為流體，灰色部分為保溫層。入水口設(shè)計在養(yǎng)殖水艙的對角處，距離水艙外側(cè)壁0.5 m，從艙底向上垂直排列間隔0.6 m。溢流管在養(yǎng)殖水艙中間，從底部伸至2.4 m處。入水口直徑Φ1=25 mm，溢流口直徑Φ2=250 mm。入水口的水流速度選取范圍為4 m/s、5 m/s 和6 m/s。保溫層材料選用硬質(zhì)聚氨酯泡沫，其厚度T選取范圍為20 cm、30 cm和40 cm。

圖1 養(yǎng)殖水艙幾何尺寸

2 數(shù)學模型及模擬方法

2.1 控制方程

瞬態(tài)熱流固耦合中主要涉及水艙內(nèi)流體控制方程和保溫層的固體傳熱方程。養(yǎng)殖水艙中的水體流動的計算使用有限體積法求解瞬態(tài)雷諾時均納維-斯托克斯(Reynolds-averaged Navier-Stokes,RANS[24]) 方程。流場的控制方程為:

Δ·u=0

(1)

(Δu+ΔuT)]+g

(2)

Δ·(τ·u)+ρr+ρg·u

(3)

式中：u為流體速度，p為壓強，v為粘性系數(shù)，ρ為流體密度，g為重力加速度，E為能量。對于湍流問題使用k-wSST模型進行封閉，模型的形式為[25]：

(Δ·u)-ρβω2-ρ(F1-1)CDkω+Sω

(4)

(Δ·u)-ρβ·ωk+Sk

(5)

(6)

式中：k為湍動能，w為湍動能耗散率。

對于固體部分(保溫層)，考慮其初始溫度為室溫，養(yǎng)殖魚艙的外側(cè)有固定的溫度。其固體傳熱方程[26]：

(7)

2.2 邊界條件和初始值

熱邊界條件和初始值是求解上述偏微分方程的必要條件。養(yǎng)殖水艙的進水流量影響?zhàn)B殖艙水體溫度，本研究設(shè)置3個速度梯度。養(yǎng)殖水艙與外界的熱交換主要通底板、舷側(cè)、艙壁熱傳導(dǎo)及水體表面與空氣的熱交換。夏季黃海表層的水溫較均勻，一般為24～27℃之間，本研究取黃海表層溫度為27℃，壁面溫度設(shè)置為27℃。水體表面空氣溫度為34℃。保溫層為硬質(zhì)聚氨酯材料，密度30 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置為0.03 W/(m·℃)[27]。黃海中部洼地存在一個巨大的夏季冷水團，黃海冷水團具有3個低溫中心，夏季低溫中心水溫低于9℃[28]，本研究取入水口溫度為10℃。邊界條件和初始值根據(jù)養(yǎng)殖工況給出，具體的數(shù)值如表1 所示。

表1 數(shù)值模擬的初始條件和邊界條件

2.3 數(shù)值求解方法

數(shù)值求解使用Ansys Fluent 軟件進行。其中流體部分使用壓力-速度耦合算法。固體部分為不考慮熱應(yīng)力問題，因此只求解熱傳導(dǎo)方程。耦合傳熱包括在固體和液體交界面進行熱傳導(dǎo)與熱對流。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 水溫和流速隨時間變化

因為入水口的水溫較低，隨著時間的增加，養(yǎng)殖水艙的水溫會逐漸降低。圖2反映了在保溫層厚度為30 cm，入水水流速度為5 m/s 時，養(yǎng)殖艙水溫和流速隨時間的變化。流速分布圖顯示：水流在入口處附近速度達到最大，然后沿著水流方向逐漸降低；同一側(cè)的4個入水口的水流在經(jīng)過一段距離后匯集成一股水流；由于受到湍流作用的影響，這股水流會隨時間沿著池壁上下擺動，這種上下擺動的現(xiàn)象有利于水體的溫度交換，有利于整個養(yǎng)殖水艙的溫度的均勻分布。由于入水口處水溫較低，因此池壁附近，尤其是接近入水口處水溫會比較低。根據(jù)計算條件設(shè)定，養(yǎng)殖水艙上方在接近空氣處有較薄的一層水溫較高的區(qū)域，并且在養(yǎng)殖水艙的上表層附近有較大的溫度梯度。

圖2 養(yǎng)殖水艙內(nèi)流速和水溫的斷面分布隨時間變化

3.2 速度場三維空間分布

從圖3的流速空間分布可以看出，養(yǎng)殖水艙內(nèi)水流的流動比較復(fù)雜。在壁面的流動屬于典型的依附壁面的邊界層湍流，由于入流速度較高，在圖示紅圈處形成了旋轉(zhuǎn)渦流。黑色圓圈標出水流沖擊對面艙壁的位置，由于湍流的不穩(wěn)定特性，這個沖擊位置會隨時間上下擺動。

圖3 當保溫層厚度30cm、入水流速5m/s、時間60min時養(yǎng)殖水艙水流速度空間分布

3.3 溫度場三維空間分布

圖4顯示保溫層厚度為30 cm，入口流速為5 m/s時養(yǎng)殖水艙溫度三維空間分布，圖中等溫面均為16℃ 結(jié)果。圖4所示，入水口處的4股低溫水流會先匯聚成1股水流，然后沿著養(yǎng)殖魚艙的側(cè)壁流向?qū)γ娴呐摫?。由于水的流動，入水口?cè)壁的水溫要比中間處的水溫低。隨著時間的推移，養(yǎng)殖水艙內(nèi)的水溫會逐漸降低。由于冷水的密度比熱水的高，養(yǎng)殖水艙底部水體會先降溫，然后上方水體降溫。由于兩側(cè)水流的相對流動，會在養(yǎng)殖水艙中心的出水孔附近產(chǎn)生一個漩渦狀的溫度場。

圖4 當保溫層厚度30cm、入水水流速度5m/s養(yǎng)殖魚艙的溫度三維空間分布

圖5展示了保溫層厚度為30 cm，入口流速為5 m/s時，養(yǎng)殖水艙水溫體積百分比隨時間的變化。養(yǎng)殖水艙內(nèi)的水溫空間波動范圍比較小，基本在4℃ 以內(nèi)。

圖5 當保溫層厚度為30cm、入口流速為5m/s時養(yǎng)殖水艙水溫體積比例隨時間變化

隨著時間的增加，水艙溫度逐漸降低，并且水溫的空間波動范圍趨于減小。當時間超過1 h，養(yǎng)殖水艙的全部水體溫度都處在大西洋鮭適宜生長的溫度范圍內(nèi)。

3.4 溫度場斷面分布

圖6～圖8展示了在3種保溫層厚度和入口流速下，養(yǎng)殖水艙水體X=0 m、Y=0 m和Z=2.4 m斷面處的溫度分布。這3幅圖均反應(yīng)水艙下層水溫比上層水溫低，水艙壁面附近水溫比中部溢流管附近水溫低。對比不同保溫層厚度發(fā)現(xiàn)保溫層厚度對養(yǎng)殖水艙中水溫空間分布并未有顯著性影響，但是較厚的保溫層可以減慢來自水艙外部的熱量傳入，有利于加快養(yǎng)殖水艙水溫的降低。不同的冷水入水流速主要影響?zhàn)B殖水艙的水溫降低速度，入水流速越快，養(yǎng)殖水艙水溫降低越快，但是對水溫的空間分布并沒有顯著性影響。

圖6 時間為60min時養(yǎng)殖水艙水溫在X=0m斷面的分布

圖7 時間為60min時養(yǎng)殖水艙水溫在Y=0m斷面的分布

4 討論

4.1 溫度傳感器布設(shè)分析

利用養(yǎng)殖工船開展鮭鱒等魚類養(yǎng)殖，需保障養(yǎng)殖艙適宜的水溫[28]，故構(gòu)建溫度自動控制系統(tǒng)十分必要。溫度控制系統(tǒng)需通過溫度傳感器實時監(jiān)測養(yǎng)殖艙水溫，并通過監(jiān)測的水溫調(diào)控進水流速。由于養(yǎng)殖艙水溫分布不均，故養(yǎng)殖艙水溫數(shù)值仿真模擬結(jié)果，可指導(dǎo)溫度傳感器的布設(shè)位置。溫度控制系統(tǒng)一般采用多點測溫法[18,29]，溫度控制點應(yīng)布設(shè)在水溫相對穩(wěn)定，溫度變化幅度較小的區(qū)域。本研究預(yù)設(shè)6個溫度監(jiān)測點(圖9，P1-P6)，6個監(jiān)測點位于垂直剖面，垂直高度均為2.5 m (即距水面0.5 m)，模擬監(jiān)測點的溫度變化情況，分析傳感器布設(shè)的合理性。

圖9 溫度監(jiān)測點位置

圖10展示了6個溫度監(jiān)測點的水溫隨時間的變化曲線。圖10(a)顯示P2、P3監(jiān)測點的水溫在達到相對穩(wěn)定的狀態(tài)時，仍有較大的水溫波動，這是因為入水口的湍流效應(yīng)，水流會上下擺動，同時帶動水溫的大幅波動。圖10(b)顯示位于出水口附近的P5監(jiān)測點同樣有較大的水溫波動。監(jiān)測點P4 、P6 在溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)時，水溫上下波動最小，適合作為水溫自動控制系統(tǒng)溫度傳感器的布設(shè)位置。

圖10 溫度監(jiān)測點的水溫隨時間變化曲線

同時，由于養(yǎng)殖魚艙的對稱特征，這兩點表現(xiàn)出了幾乎重合的溫度變化曲線。

4.2 熱流固耦合模型及模擬結(jié)果分析

本研究考慮到流場會影響溫度場分布，溫度場又反作用于流場[30]，同時考慮水體與外界空氣的熱量交換，構(gòu)建熱流固耦合模型[31]，模擬養(yǎng)殖水體溫度場和流場分布。相比于傳統(tǒng)的不考慮耦合作用，分別對養(yǎng)殖水體的流場和溫度場開展模擬的方法[4]，本研究方法雖對計算機計算能力有較高要求，但隨著并行計算能力的不斷提升，本研究方法會改善模擬精度。張慧鑫[18]應(yīng)用與本研究相似的流程，開展了大面積養(yǎng)殖池的溫度場和流場數(shù)值模擬研究，并基于模擬結(jié)果指導(dǎo)溫度傳感器布設(shè)位置。本研究基于CFD數(shù)值模擬結(jié)果，開展養(yǎng)殖工船養(yǎng)殖水體溫度監(jiān)測研究，發(fā)現(xiàn)溫度傳感器的布設(shè)應(yīng)在溫度高的上水層，保障養(yǎng)殖水艙冷水魚類的生長存活。同時養(yǎng)殖工船利用冷水團進行鮭鱒魚類養(yǎng)殖的養(yǎng)殖水艙溫度場分布應(yīng)盡可能均勻，維持鮭鱒魚類適宜溫度范圍，最大程度利用養(yǎng)殖水體。對比保溫層厚度和不同流速，溫度場變化差異不顯著，可通過增加攪動設(shè)備等措施，使養(yǎng)殖水艙溫度分布更加均勻[18,29,32]。

5 結(jié)論

考慮溫度場與流場的耦合作用，本研究構(gòu)建三維瞬態(tài)熱流固耦合模型，對養(yǎng)殖工船養(yǎng)殖艙水體溫度和流速進行數(shù)值仿真模擬。對比20 cm、30 cm和40 cm 3種保溫層厚度發(fā)現(xiàn)：保溫層厚度對養(yǎng)殖艙中水溫空間分布并未有顯著性影響，穩(wěn)定狀態(tài)時的平均水溫與保溫層厚度無關(guān)，但是較厚的保溫層可以減慢來自水艙外部的熱量傳入，有利于加快養(yǎng)殖水艙的水溫降低。比較3種保溫層厚度，20 cm保溫層養(yǎng)殖水體水溫降低較慢，但30 cm和40 cm保溫層，水溫變化無顯著差異，均具有較好的保溫效果，故考慮節(jié)約成本，可使用30 cm硬質(zhì)聚氨酯材料的保溫層。水艙下層水溫比上層水溫低，這是由于水體表面與空氣的熱交換引起的，故配置具有保溫功能的養(yǎng)殖艙蓋對減緩養(yǎng)殖艙水溫降低速度十分必要。由于壁面的邊界層湍流作用，養(yǎng)殖水艙壁面附近水溫比中部溢流管附近水溫低。比較3種入口流速，不同入口流速主要影響?zhàn)B殖水艙的水溫降低速度，對水溫的空間分布并沒有顯著性影響。溫度監(jiān)控系統(tǒng)中溫度傳感器應(yīng)布置在水溫變化幅度小、溫度相對較高的位置，這樣有利于保證所有養(yǎng)殖水體適宜養(yǎng)殖品種的生長成活。本研究發(fā)現(xiàn)溫度傳感器適宜布設(shè)于養(yǎng)殖艙中心垂直剖面，遠離排水口，靠近水面的位置。