浮式板-網(wǎng)阻流裝置周圍流場特性研究

連子祥, 嵇春艷, 程 勇, 郭建廷

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院,鎮(zhèn)江 212100)

我國海洋資源豐富,產(chǎn)業(yè)鏈健全,海洋漁業(yè)養(yǎng)殖作為海洋經(jīng)濟發(fā)展的重要組成部分,是實現(xiàn)海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展和助推我國海洋強國戰(zhàn)略的重要方面.近年來,隨著海洋漁業(yè)養(yǎng)殖區(qū)域逐漸轉移至深遠海,養(yǎng)殖區(qū)域環(huán)境因素影響愈加凸顯,其中海流流速尤為突出,其決定了養(yǎng)殖區(qū)域水質及魚類的品質,因此對阻流裝置的研究是一個十分重要的課題[1-3].造價成本是海洋漁業(yè)養(yǎng)殖所考慮的重要因素之一,養(yǎng)殖網(wǎng)箱作為一種低成本、高產(chǎn)量的海洋裝備被廣泛應于現(xiàn)階段的水產(chǎn)養(yǎng)殖之中.近年來,隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖的大力發(fā)展,人們對養(yǎng)殖網(wǎng)箱也有了較多研究.文獻[4]對不同結固比的平面網(wǎng)衣和網(wǎng)箱系統(tǒng)的流速衰減情況進行了模型試驗,測得了流速在網(wǎng)衣后和網(wǎng)箱內(nèi)的變化情況.文獻[5]通過模型試驗,研究了圓柱體網(wǎng)箱受力與變形規(guī)律,同時測量網(wǎng)箱內(nèi)部阻流效果約為20%.現(xiàn)階段對阻流裝置的研究仍然以網(wǎng)衣及網(wǎng)箱為主,網(wǎng)箱養(yǎng)殖雖然造價成本低,制作簡易,但阻流能力有限.以大黃魚養(yǎng)殖為例,研究表明,大黃魚幼苗的平均臨界游泳速度為39.85 cm/s,最大不超過50.02 cm/s,因此大黃魚幼苗不適宜在長時間流速超過50 cm/s的水域進行養(yǎng)殖[6].文中提出設計了一種新型浮式阻流裝置,布置于養(yǎng)殖網(wǎng)箱前,該裝置可使掩護區(qū)域流速降低,從而達到阻流的目的.

1 浮式阻流裝置構型設計及數(shù)值計算方法

1.1 構型設計

新型板-網(wǎng)浮式阻流裝置如圖1,主要應用于深遠海區(qū)域,考慮造價成本及環(huán)境因素,故設計浮式阻流裝置主體部分采用方箱型浮體,該浮體結構簡單且型寬較大,穩(wěn)定性較強;阻流裝置基于反射及粘滯作用原理,由等間隔布置的阻流板及阻流網(wǎng)構成,阻流板高度為HP,由于剛性板結構會對一體化裝置帶來較大的荷載,故將阻流網(wǎng)布置于阻流板下方,以減少一體化裝置的剛性結構,保證其穩(wěn)定性,阻流網(wǎng)長度為Hn,阻流網(wǎng)布置至水底并在網(wǎng)衣底部布置沉子,保證阻流網(wǎng)衣垂直,以減小網(wǎng)衣變形.

圖1 浮式阻流裝置構型示意

1.2 數(shù)值計算理論基礎

1.2.1 湍流模型

基于計算流體力學軟件,對浮式阻流裝置周圍的流場特性進行分析研究,采用有限體積法對控制方程進行求解.同時,由于浮式阻流裝置的阻流構件包含網(wǎng)衣,因此采用含多孔介質的動量源項模擬網(wǎng)衣,對網(wǎng)衣的阻流效果進行數(shù)值計算.

采用的連續(xù)方程及控制方程為:

(1)

(2)

式中:ρ為流體密度;v為流體速度矢量;α,S,Γ為通用變量;μ為流體動力粘度;div為散度,用于表征空間各點矢量場發(fā)散的強弱程度;T為應力張量;Si為增加的多孔介質的動量源項,在多孔介質區(qū)域外的流體Si=0,位于多介質區(qū)域內(nèi)部時,

Si=?P=-ρ(Pi|νs,n|+Pv)νs,n

(3)

式中:?P為壓降;νs,n為流體的表觀速度;Pi為多孔慣性阻力;Pv為多孔粘性阻力.

1.2.2 多孔介質模型

浮式阻流裝置的阻流構件主要以柔性網(wǎng)衣及剛性平板為主,對網(wǎng)衣的建模較為復雜,故本文引用多孔介質模型,以帶開孔的空透平板代替網(wǎng)衣進行數(shù)值計算.

Pi,Pv可根據(jù)Ergun經(jīng)驗方程[7]得到,其表達式為:

(4)

式中:L為多孔介質區(qū)域高度;A,B為經(jīng)驗系數(shù);μ為流體粘性系數(shù);vs為流體表觀流速;χ為孔隙率;Dp為平均孔徑.

Ergun經(jīng)驗公式將多孔介質模型的壓力損失項分為了粘性能量損失與動力學能量損失,其中A,B的值需根據(jù)不同的適用情況而改變.通過Ergun方程計算得到不同流速情況下多孔介質的ΔP/L后,可根據(jù)最小二乘法擬合dp/L與流速v的流速-壓降曲線,得到數(shù)值計算所需的多孔慣性阻力系數(shù)及多孔粘性阻力系數(shù).

為便于數(shù)據(jù)分析,定義阻流效率系數(shù)K*為:

(5)

式中:Vf為裝置后某測點平均流速;Va為入流流速.

2 數(shù)值計算方法驗證

2.1 數(shù)值水槽模型計算域設置及驗證

為了驗證文中數(shù)值計算方法的準確性,采用多孔介質模型替代網(wǎng)衣,按網(wǎng)衣周圍流場分布試驗[8-9]進行數(shù)值建模,建立長為15 m,寬為2 m,水深為0.7 m的數(shù)值造流水槽,如圖2.考慮壁面對繞流的作用,數(shù)值造流場兩側采用光滑壁面,造流區(qū)域定義為速度入口,入流流速為15.9 cm/s,末端采用壓力出口邊界,同時在造流入口后建立厚度為50 mm的多孔介質模型,并對其進行網(wǎng)格加密處理,來代替網(wǎng)衣進行計算,根據(jù)網(wǎng)衣的孔隙率及網(wǎng)目長度,計算得到多孔粘性阻力系數(shù)及多孔慣性阻力系數(shù)分別為30 kg/m3·s及12 148 kg/m4.

圖2 網(wǎng)衣試驗布置示意(單位:m)

2.2 數(shù)值模型阻流效果收斂性分析及驗證

根據(jù)上述試驗布置建立數(shù)值水槽,根據(jù)網(wǎng)衣長度Ln選及高度Hn取3種多孔介質區(qū)域網(wǎng)格加密尺寸,3個不同時間步來驗證網(wǎng)格與時間步收斂性,其具體參數(shù)如表1.

表1 數(shù)值水槽收斂性驗證網(wǎng)格及時間步參數(shù)

以C2測點為例,其不同網(wǎng)格加密情況及時間步情況下的流速衰減變化如圖3,當流速達到穩(wěn)定后,模型2與模型1平均流速誤差為1.3%,模型2與模型3誤差為0.4%,誤差均在允許范圍之內(nèi),說明模型2已經(jīng)收斂.

圖3 多孔介質模型收斂性分析及驗證

分析圖3可知,3種模型誤差均在1%以內(nèi),為考慮計算成本及誤差,對數(shù)值水槽網(wǎng)格采用模型2的加密方式,時間步采用0.004 s.

2.3 數(shù)值模型準確性驗證

圖4為數(shù)值計算的網(wǎng)衣前后流場分布,網(wǎng)衣掩護區(qū)域流速降低,兩側繞流流速增加,沿來流方向,掩護區(qū)域來流與兩側繞流逐漸匯合,掩護區(qū)域范圍變小.圖5為不同測點處流速的試驗值與計算值,網(wǎng)衣后測點流速最大誤差不超過8.2%,且網(wǎng)衣后流速衰減趨勢與試驗結果基本一致,說明文中的數(shù)值計算方法能夠較好地模擬出浮式阻流裝置的阻流效果.

圖4 數(shù)值計算網(wǎng)衣前后流場分布

圖5 網(wǎng)衣阻流效果試驗計算對比

3 新型阻流裝置阻流效果分析

3.1 數(shù)值水槽建立

圖6為基于CFD軟件建立的數(shù)值水槽,造流區(qū)位于數(shù)值水槽左端,水槽右端為阻尼區(qū)出口,水槽兩側及水槽底部采用光滑壁面,文中模擬采用氣液兩相流,液面以上為空氣.數(shù)值水槽長為20 m,寬為7.5 m,水深為1 m,方箱浮體堤寬為1 m,吃水為0.125 m,阻流板長為0.5 m,寬為0.1 m,阻流網(wǎng)長為0.375 m,網(wǎng)衣孔徑為0.02 m,模型縮尺比為20.為保證計算精度要求,對多孔介質區(qū)域的網(wǎng)格進行加密處理.

圖6 浮式阻流裝置計算域

3.2 阻流裝置數(shù)值模型主要設計參數(shù)

為研究阻流裝置的阻流效果以及不同構型參數(shù)對阻流性能的影響,設置的浮式阻流裝置數(shù)值計算工況及相應參數(shù),表2.

表2 數(shù)值試驗計算工況

網(wǎng)衣的多孔介質參數(shù)可由Ergun經(jīng)驗公式計算獲得,具體的多孔介質參數(shù)如表3.

表3 多孔介質模型參數(shù)表

如圖7,定義方箱浮體中心為坐標原點,X方向為水流入射方向.為監(jiān)測浮式阻流裝置后流場的變化情況,布置測點于浮式阻流裝置后.測點1～4位于浮體中心軸線上,測點1距浮體后1.5 m,測點2～4相隔1 m等距布置.A～C測點垂直于中心軸線向外布置,B測點距A測點0.4 m,C測點距B測點0.8 m.同時,為研究不同水深處流速的變化情況,分別對水深H*=0.2,0.4,0.6,0.8 m處的各測點進行測量.

圖7 數(shù)值水槽測點布置示意

3.2.1 不同流速及水深情況下阻流效果分析

對浮式阻流裝置在不同流速情況下各測點流速變化情況進行數(shù)值計算,取各測點流速的平均值進行分析,具體計算結果如圖8、9.

圖8 不同水深橫向測點阻流效率

為研究不同水深處流速衰減情況,測點布置位置分別設在:方箱浮體后方(H*=0.2 m);阻流板后方(H*=0.4 m);阻流板與阻流網(wǎng)交界處(H*=0.6 m);阻流網(wǎng)后方(H*=0.8 m)時,各水深測點的流速變化情況.

由圖8,隨著水深的增加,阻流效果也略有降低,水深0.2 m時,位于浮體后各測點流速衰減較大,水深為0.8 m,位于網(wǎng)衣后時,流速衰減較小.網(wǎng)衣后與浮體后測點阻流效果相差較小,最大不超過10%,說明網(wǎng)衣能夠有效發(fā)揮阻流作用.

對比上圖分析可知,沿中軸線方向,橫向測點阻流效率逐漸增加,小流速情況下阻流效果較好,位于浮體后4.5 m處測點阻流效率最大可達71%,平均阻流效率可達65%;流速越大,其流速衰減幅度越小,當入流流速為34 cm/s時,于浮體后4.5 m處測點阻流效率最大僅為44%,平均阻流效率可達40%.其主要原因是由于流速變大,浮式阻流裝置兩側繞流流速增加,使來流匯合加快,導致阻流裝置掩護區(qū)域變小.

根據(jù)圖9分析可知,位于中軸線上的測點,阻流效率較高,沿垂直于中軸線方向向外,測點平均流速逐漸增大,其主要原因是由于靠近浮體外側的流與浮體兩側加速的繞流匯合,導致流速變大.

圖9 不同水深縱向測點阻流效率

3.2.2 不同密實度情況下阻流效果分析

為了分析不同密實度情況下浮式阻流裝置阻流性能的變化,圖10為入流流速為18 cm/s時,2種不同網(wǎng)衣密實度S(S=0.4,S=0.5)條件下不同測點的流速衰減情況.

圖10 不同密實度情況下阻流效率

由圖10可見,隨著密實度的增加,不同水深處各測點的流速也有所減小,且遠離浮體的3,4號測點的流速衰減幅度增加的較為明顯,以0.8m水深處4號測點為例,當網(wǎng)衣密實度為0.4時,裝置后4.5m測點阻流效率可達60%,當網(wǎng)衣密實度增加至0.5時,該測點阻流效率可達72%,阻流效果提升了20%.說明增加網(wǎng)衣的密實度,能夠有效提高阻流裝置的阻流效率,同時也能使繞流匯合速度放慢,增長阻流裝置掩護區(qū)域,提升阻流性能.

4 結論

(1) 該裝置具有較好的阻流效果,在0.5～1.5 m/s流速范圍內(nèi),阻流裝置后1.3倍浮體長度掩護范圍內(nèi),總體阻流效率不低于35%.

(2) 不同流速情況下,浮式阻流裝置的阻流效果也有所不同,流速為0.8 m/s時,流速偏小,浮式阻流裝置能較好的對來流進行阻擋,位于裝置后1.3倍浮體長度處測點的平均阻流效率可達65%,最大可達71%;隨著流速增加,當入流流速達到1.5 m/s時,繞流影響加大,繞流匯合加快,導致阻流裝置阻流效果變差,位于裝置后1.3倍浮體長度處測點的平均阻流效率為40%,最大可達44%;

(3) 不同水深處各測點流速變化趨勢相同,阻流效果相差較小,位于浮體后處測點的阻流效果較好.網(wǎng)衣后各測點與阻流板后測點阻流效率相差較小,最大不超過10%,說明網(wǎng)衣能夠有效進行阻流,同時過多的剛性結構會增加制造成本且影響浮式阻流裝置的穩(wěn)定性,增加網(wǎng)衣長度可有效解決該類問題;

(4) 網(wǎng)衣對浮式阻流裝置阻流效果影響明顯,對比網(wǎng)衣密實度S=0.4和S=0.5時阻流裝置后各測點流速分布情況可知,增加網(wǎng)衣密實度至0.5時,可使網(wǎng)衣的粘滯作用增加.遠離阻流裝置處測點阻流效果增加較為明顯,最大阻流效率可達72%,相較于網(wǎng)衣密實度S=0.4時,阻流效果提升約為20%.