入水管參數(shù)對(duì)船載養(yǎng)殖艙流場(chǎng)特性的影響

郭黎明 王志 陳楚瑤

(1 上海和創(chuàng)船舶工程有限公司研發(fā)部,上海 200135;2 上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200135)

中國(guó)是世界上最大的水產(chǎn)養(yǎng)殖國(guó),水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的70%左右[1],但傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)仍存在著耗水量大、尾水排放污染、病害嚴(yán)重、濫用藥物等問題[2]。近年來(lái),根據(jù)循環(huán)水養(yǎng)殖體系的優(yōu)勢(shì),在國(guó)內(nèi)外開展了水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的研究和實(shí)踐[3]。封閉的工廠化生產(chǎn)方式對(duì)儀器設(shè)備的依賴程度很高,而養(yǎng)殖艙是可移動(dòng)式養(yǎng)殖工船的關(guān)鍵設(shè)施,因此,構(gòu)建適宜的養(yǎng)殖艙流場(chǎng)環(huán)境是實(shí)現(xiàn)高效養(yǎng)殖的重要保障[4-5]。目前養(yǎng)殖艙的設(shè)計(jì)及優(yōu)化在國(guó)內(nèi)尚未引起足夠的重視,養(yǎng)殖艙內(nèi)流場(chǎng)的研究更是少有涉及[6]。在養(yǎng)殖艙流場(chǎng)特性的相關(guān)研究中,Oca等[7]結(jié)合ADV(流速儀傳感器)和數(shù)學(xué)分析法,針對(duì)圓形養(yǎng)殖艙內(nèi)水體的速度分布提出了一個(gè)數(shù)學(xué)模型。該模型可以擬合流量、入水管直徑和水深,以獲得圓形養(yǎng)殖艙的最佳流速和均勻的流場(chǎng)。Gorle等[8]利用CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))技術(shù)開發(fā)養(yǎng)殖艙流體動(dòng)力學(xué)的計(jì)算模型,以模擬養(yǎng)殖艙中的流場(chǎng),并區(qū)分相對(duì)較小和較大養(yǎng)殖艙的物理特性,研究結(jié)果給出了包括速度、渦流和湍流在內(nèi)的艙內(nèi)流場(chǎng)分布;此外他們還研究模擬了一個(gè)大型八角形循環(huán)水養(yǎng)殖艙的水流速度分布,通過ADV模型試驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,表明在低流量進(jìn)水管中加入一個(gè)徑向流量可以提高養(yǎng)殖艙的整體水動(dòng)力性能[9]。于林平等[10]從養(yǎng)殖艙幾何形狀優(yōu)化和進(jìn)出水裝置改進(jìn)等多方面開展研究,以改善養(yǎng)殖艙系統(tǒng)的水動(dòng)力特性和集排污性能。F?re[11]建立了一個(gè)模型來(lái)估計(jì)物理參數(shù)變化對(duì)鮭魚生長(zhǎng)性能的影響。該模型通過對(duì)不同尺寸養(yǎng)殖艙的研究試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,能夠預(yù)測(cè)不同養(yǎng)殖艙規(guī)模的影響。

本文基于CFD技術(shù)模擬分析養(yǎng)殖艙的流場(chǎng)特性,并對(duì)入水管的數(shù)量、距池壁的距離、入射角度等參數(shù)對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行探討,通過對(duì)比養(yǎng)殖艙內(nèi)流場(chǎng)的平均速度和均勻程度來(lái)探尋最優(yōu)入水管的布置方案,以提供適宜養(yǎng)殖魚類的生長(zhǎng)環(huán)境,并為船載養(yǎng)殖艙的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 計(jì)算模型的建立

1.1 理論方法

(1)湍流控制方程

湍流是一種普遍存在的流動(dòng),其基本特征是多物理尺度和數(shù)學(xué)非線性,實(shí)際的水流流動(dòng)大多可以認(rèn)為是湍流流動(dòng),因此在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)需要選取適當(dāng)?shù)耐牧髂Ｐ蚚12]。RNGk-ε模型是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的改進(jìn),修正了湍流黏度,考慮了平均流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)和旋流流動(dòng)情況,并在ε方程中反映了主流的時(shí)均應(yīng)變率[13]。與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型相比,RNGk-ε模型可以更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動(dòng)[5]。因此本文所采用的湍流模型為RNGk-ε模型。該模型連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程用張量的指標(biāo)形式表示如下。

連續(xù)性方程:

(1)

動(dòng)量守恒方程:

(2)

RNGk-ε模型湍流動(dòng)能和耗散率方程分別為

YM

(3)

(4)

式(3)～(4)中,Gk是由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng);Gb是由浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng),對(duì)于不可壓縮流體,Gb=0;YM表示可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的影響,對(duì)于不可壓縮流體,YM=0。在FLUENT中,作為默認(rèn)值常數(shù),C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=0.09,αk和αε分別是湍動(dòng)能k和耗散率ε的有效湍流普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)。

(2)自由液面捕捉方法

水汽交混自由液面應(yīng)用VOF(volume of fluid)方法進(jìn)行捕捉,VOF模型適用于處理分層或自由表面這樣的問題[14-15]。VOF方程為:

(5)

當(dāng)C=1時(shí),網(wǎng)格充滿流體A,為流體網(wǎng)格;當(dāng)C=0時(shí),為空網(wǎng)格;當(dāng)0

1.2 養(yǎng)殖艙模型的建立

(1)船載養(yǎng)殖艙模型

根據(jù)CAD圖紙?zhí)峁┑膮?shù),在Solidworks 2018中建立養(yǎng)殖艙包括內(nèi)部入水管的幾何模型,幾何模型的詳細(xì)參數(shù)在下文進(jìn)行介紹。船載養(yǎng)殖艙布置見圖1。如圖1所示,整艘船載養(yǎng)殖艙共設(shè)置18個(gè)養(yǎng)殖艙,從船艉至船艏分別編號(hào)為1 ～18號(hào),其中1號(hào)至14號(hào)養(yǎng)殖艙幾何尺寸相同,15號(hào)至18號(hào)受船艏影響,外形和尺寸進(jìn)行了調(diào)整。為了使研究結(jié)論具有普遍性,對(duì)船舯附近的7號(hào)養(yǎng)殖艙進(jìn)行流場(chǎng)分析,7號(hào)養(yǎng)殖艙的位置見圖1,其內(nèi)部布置見圖2。7號(hào)養(yǎng)殖艙為八角形,其內(nèi)側(cè)沿船長(zhǎng)、船寬和深度方向的長(zhǎng)度分別為15.34 m×16.60 m×17.00 m。為了收集沉積的飼料和魚糞等固體殘?jiān)?養(yǎng)殖艙底部(圖2中紅色壁面)是坡度為2°的斜坡,以便于顆粒物向底排口集中。

圖1 船載養(yǎng)殖艙布置圖

圖2 7號(hào)養(yǎng)殖艙水動(dòng)力計(jì)算模型

(2)入水管和出水管模型

在養(yǎng)殖艙內(nèi)設(shè)置進(jìn)水管和出水管,并在管上開孔(見圖3～4)。參考國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知,養(yǎng)殖艙進(jìn)水管需要對(duì)稱分布才能獲得較好的循環(huán)流場(chǎng),如果只在一側(cè)安裝1根或2根進(jìn)水管,無(wú)法充分?jǐn)噭?dòng)養(yǎng)殖艙內(nèi)部水體流場(chǎng),導(dǎo)致進(jìn)水口遠(yuǎn)端的流場(chǎng)速度較低,不適宜魚類生存。根據(jù)養(yǎng)殖艙八角形結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),在艙內(nèi)對(duì)角線處對(duì)稱安裝2根或者4根進(jìn)水管,使流場(chǎng)分布更為均勻,也有利于魚類養(yǎng)殖作業(yè)。因此,本研究在養(yǎng)殖艙內(nèi)設(shè)置2根或4根入水管,入水管直徑為630 mm,沿長(zhǎng)度方向均勻開設(shè)33個(gè)孔(出水口),入水管的安裝位置、角度以及出水口孔徑將在后文進(jìn)行探討。根據(jù)流量和開孔面積參數(shù),初始布置4根進(jìn)水管時(shí)養(yǎng)殖艙換水速度為1.52 m/s。出水口則由頂部排水口、中間排水管上的出水口及底排水口組成,其中頂部排水口的流量占總流量的30%,中間出水口及底排水口的排水量占總流量的70%。

圖3 進(jìn)水管網(wǎng)格分布情況

圖4 出水管和底排水口網(wǎng)格分布情況

1.3 網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)置

將建好的幾何模型轉(zhuǎn)換為IGS格式文件,并導(dǎo)入Ansys ICEM CFD軟件中劃分網(wǎng)格,網(wǎng)格分布見圖2～4。整個(gè)流場(chǎng)內(nèi)部采用四面體網(wǎng)格劃分,入水口和出水口等尺寸較小的區(qū)域?qū)⒕W(wǎng)格進(jìn)行加密進(jìn)而提高計(jì)算精度。養(yǎng)殖艙流動(dòng)空間內(nèi)的網(wǎng)格數(shù)量為287萬(wàn),入水管表面網(wǎng)格數(shù)為10.7萬(wàn),入水口網(wǎng)格數(shù)為1.4萬(wàn),出水口網(wǎng)格數(shù)為5.6萬(wàn),中間管出水口網(wǎng)格數(shù)為1.5萬(wàn),底排水口網(wǎng)格數(shù)為0.3萬(wàn)。

本研究中的養(yǎng)殖艙邊界條件設(shè)置如下:入水口設(shè)為速度入口,入口速度根據(jù)入水口的直徑和流量進(jìn)行確定;出水口設(shè)為壓力出口;假設(shè)水面無(wú)剪切和滑移速度,當(dāng)作自由界面處理,壓力值為大氣壓;池底和池壁為固體壁面邊界,采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù);池頂為自由液面。計(jì)算過程中,壓力速度耦合方式采用SIMPLE的方法,湍流動(dòng)能采用一階迎風(fēng)離散模式[16]。

1.4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

對(duì)網(wǎng)格的獨(dú)立性進(jìn)行驗(yàn)證,排除網(wǎng)格密度對(duì)養(yǎng)殖艙流場(chǎng)模擬結(jié)果的影響。劃分3組不同密度的網(wǎng)格模型,分別命名為Mesh-coarse、Mesh-medium和Mesh-fine。艙室網(wǎng)格尺寸依次減小25%,對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)量分別為128萬(wàn)、287萬(wàn)和644萬(wàn)。

采用前文介紹的方法對(duì)初始布置方案的養(yǎng)殖艙進(jìn)行水動(dòng)力分析,將3組網(wǎng)格計(jì)算的流場(chǎng)平均速度結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。由于養(yǎng)殖艙內(nèi)的水流循環(huán)方向與水平面平行,且后文將對(duì)不同水深位置的流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比,因此,本研究選取3種不同水深(2 m、7 m和12 m),對(duì)其平面處的平均速度和速度分布情況進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析。網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果見表1。

表1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證中不同水深處的平均速度

從計(jì)算結(jié)果中可以看出,網(wǎng)格密度對(duì)計(jì)算結(jié)果有一定的影響。由Mesh-coarse加密到Mesh-medium的過程中,平均速度變化較大,因此需要進(jìn)一步加密。由Mesh-medium繼續(xù)加密到Mesh-fine的過程中,網(wǎng)格數(shù)量增加了2.24倍,而不同位置處的流速變化均在1%左右。成倍加密網(wǎng)格帶來(lái)了巨大的計(jì)算量,但是對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小,因此,后文均采用Mesh-medium的網(wǎng)格密度來(lái)進(jìn)行養(yǎng)殖艙流動(dòng)數(shù)值分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 計(jì)算工況介紹

為了分析入水管布置方式對(duì)養(yǎng)殖艙流場(chǎng)的影響,本文對(duì)入水管數(shù)量、入水管與池壁距離和入水口開孔角度等參數(shù)進(jìn)行分析,具體入水管入射角度和位置見圖5,具體分析工況見表2。為了能夠?qū)Ρ?根和4根入水管工況的流場(chǎng)情況,將2根入水管的口徑改為4根入水管口徑的1.414倍,也就是14.14 mm,這樣處理后所有入水管的射流速度均為1.52 m/s。

表2 入水管參數(shù)

圖5 入水管入射角度和位置示意圖

2.2 不同參數(shù)對(duì)養(yǎng)殖艙流場(chǎng)的影響

2.2.1 計(jì)算結(jié)果的整理

為了分析以上入水管參數(shù)對(duì)流場(chǎng)的影響,文中計(jì)算了所有工況的流場(chǎng),并對(duì)比了水深5 m處的流速分布,結(jié)果見圖6～7。

圖6 采用2根入水管的養(yǎng)殖艙速度分布(水深5 m處)

由圖6～7可以看出,入射角度在22.5°～45°范圍內(nèi),隨著入射角度的增大,養(yǎng)殖艙內(nèi)流場(chǎng)低速區(qū)逐漸減小,個(gè)別工況增加到一定程度時(shí)流場(chǎng)變得紊亂。當(dāng)入射角度在30°～35°時(shí),入射流將與艙內(nèi)水體運(yùn)動(dòng)的切線方向形成一個(gè)夾角,切線方向上的水體與池壁相互作用,產(chǎn)生能量損失,使得流體的切向速度降低,入射流逐漸轉(zhuǎn)向,驅(qū)使中心區(qū)域的流體旋轉(zhuǎn),破壞了流場(chǎng)的混合均勻性。為了分析入水管數(shù)量、池壁距離以及開孔角度3個(gè)參數(shù)對(duì)流場(chǎng)分布的影響,本文保持其他兩種變量不變,單獨(dú)分析某個(gè)參數(shù)對(duì)養(yǎng)殖艙內(nèi)水體循環(huán)情況的影響。

2.2.2 入水管數(shù)量對(duì)養(yǎng)殖艙流場(chǎng)的影響

選取入水管距池壁2 900 mm、開孔角度為35°時(shí)的養(yǎng)殖艙,比較入水管分別為2根和4根時(shí)的養(yǎng)殖艙流場(chǎng),養(yǎng)殖艙中縱剖面處的速度分布見圖8。

結(jié)合圖8結(jié)果和圖7中對(duì)應(yīng)的工況結(jié)果可以看出,在布置2根入水管的養(yǎng)殖艙內(nèi),顯示為深藍(lán)色的低速區(qū)范圍較小,而布置4根入水管的養(yǎng)殖艙內(nèi)流速小于0.1 m/s的區(qū)域范圍更大。通常大范圍的低速區(qū)不適合進(jìn)行魚類養(yǎng)殖,因此,在本研究的參數(shù)范圍內(nèi),布置2根入水管的養(yǎng)殖艙流場(chǎng)更優(yōu)。

圖8 不同入水管數(shù)量的中縱剖面速度分布情況(左為2根,右為4根)

2.2.3 入水管與池壁的距離對(duì)養(yǎng)殖艙流場(chǎng)的影響

確定入水管數(shù)量后,將開孔角度設(shè)置為35°,分析入水管距池壁的距離對(duì)養(yǎng)殖艙流場(chǎng)的影響,養(yǎng)殖艙中縱剖面處的速度分布如圖9所示。

由圖9和圖7中對(duì)應(yīng)的工況結(jié)果可以看出,隨著入水管與池壁距離的增加,流場(chǎng)中央的低速區(qū)逐漸變小,當(dāng)與池壁的距離為3 400 mm時(shí),低速區(qū)最小。繼續(xù)增加距離,流場(chǎng)低速區(qū)反而增大。因此,在一定條件下,入水管與池壁的距離有最優(yōu)布置情況,對(duì)比分析結(jié)果,入水管距離池壁3 400 mm時(shí)流場(chǎng)最優(yōu)。

2.2.4 開孔角度對(duì)養(yǎng)殖艙流場(chǎng)的影響

確定前兩個(gè)參數(shù)后,再對(duì)開孔角度進(jìn)行對(duì)比,養(yǎng)殖艙中縱剖面處的速度分布如圖10所示。

由圖10和圖7中對(duì)應(yīng)的工況結(jié)果可以看出,隨著開孔角度的增加,養(yǎng)殖艙內(nèi)的低速區(qū)逐漸減小,當(dāng)開孔角度為35°時(shí),艙內(nèi)流場(chǎng)最為均勻。繼續(xù)增加開孔角度,入水口的射流互相影響,使養(yǎng)殖艙內(nèi)流場(chǎng)混亂,不利于魚類養(yǎng)殖,因此,開孔角度為35°時(shí)流場(chǎng)最優(yōu)。

2.3 養(yǎng)殖艙入水管最優(yōu)布置方式分析

為了更合理地選擇入水管的布置方式,對(duì)幾種工況的平均速度和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行對(duì)比,分別繪制成散點(diǎn)圖和表格。在不同工況下流場(chǎng)平均速度變化情況見圖11,標(biāo)準(zhǔn)差見圖12。

圖11 入水管與池壁不同距離時(shí)的流場(chǎng)平均速度變化情況

圖12 不同池壁距離下流場(chǎng)速度的標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果

由養(yǎng)殖艙內(nèi)平均流速、標(biāo)準(zhǔn)差和流場(chǎng)云圖綜合分析得出,當(dāng)入水管距池壁距離由1 900 mm增大到3 400 mm時(shí),艙內(nèi)水體逐漸呈現(xiàn)離心運(yùn)動(dòng)狀態(tài),鄰近艙壁的水體逐漸呈現(xiàn)向中心運(yùn)動(dòng)的態(tài)勢(shì),水體由離心運(yùn)動(dòng)狀態(tài)逐漸變?yōu)榄h(huán)流運(yùn)動(dòng)(與艙壁幾何形狀有關(guān)),水體質(zhì)點(diǎn)間的能量消耗占比減小,艙內(nèi)水體混合均勻性明顯改善;當(dāng)入水管與池壁的距離從3 400 mm增大到3 900 mm時(shí),水體質(zhì)點(diǎn)間的非規(guī)則運(yùn)動(dòng)及相互摩擦產(chǎn)生的能量損失導(dǎo)致養(yǎng)殖艙中間區(qū)域出現(xiàn)大面積低流速區(qū),艙內(nèi)水體混合均勻性逐漸變差,養(yǎng)殖艙的利用率降低。

平均速度體現(xiàn)了養(yǎng)殖艙內(nèi)整體速度的情況,當(dāng)出現(xiàn)流場(chǎng)紊亂的情況,平均速度會(huì)迅速下降;而標(biāo)準(zhǔn)差體現(xiàn)了養(yǎng)殖艙內(nèi)流場(chǎng)速度的均勻程度,標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果越小,流場(chǎng)越均勻。對(duì)比計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn),入水管數(shù)量、與池壁的距離以及入射角度都影響流場(chǎng)的平均速度和標(biāo)準(zhǔn)差。減少流場(chǎng)與池壁間的摩擦和入射水流之間的干擾,能夠減小流體動(dòng)能的損失,流場(chǎng)速度也會(huì)更平均;當(dāng)不同位置速度差異變小后,流場(chǎng)速度的標(biāo)準(zhǔn)差也隨之減小。對(duì)比采用4根和2根入水管的養(yǎng)殖艙,2根管的平均速度更高,標(biāo)準(zhǔn)差更小,且2根入水管的安裝布置更為簡(jiǎn)單。

增大入水管與池壁的距離能夠提高養(yǎng)殖艙的平均速度并降低標(biāo)準(zhǔn)差,當(dāng)與池壁的距離從1 900 mm增大到2 900 mm或3 400 mm時(shí),流場(chǎng)平均速度達(dá)到最大值,此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差也達(dá)到最小值。

增加入射角度也可以提高養(yǎng)殖艙流場(chǎng)的平均速度并降低標(biāo)準(zhǔn)差,當(dāng)入射角度增加到30°或35°時(shí),流場(chǎng)平均速度達(dá)到最大值,此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差也達(dá)到最小值。

2.4 入水管流速對(duì)養(yǎng)殖艙流場(chǎng)的影響

根據(jù)前文分析結(jié)果可知,當(dāng)采用兩根入水管、入水管距池壁3 400 mm、入射角度為35°時(shí),養(yǎng)殖艙流場(chǎng)分布較為合理。確定好養(yǎng)殖艙入水管的布置方式后,還需要確定養(yǎng)殖艙換水速度(入水管射流速度)對(duì)流場(chǎng)的影響,同時(shí)觀察液面的變化情況。其中1倍、2倍和3倍流量分別對(duì)應(yīng)的入口射流速度為1.52 m/s、3.04 m/s和4.56 m/s,同時(shí)底排水的速度也隨之成倍增加。不同流量下養(yǎng)殖艙對(duì)稱面內(nèi)液面狀態(tài)和速度矢量結(jié)果見圖13。

從以上結(jié)果可以看出,當(dāng)?shù)着潘俣仍黾拥揭欢ǔ潭群竽軌虍a(chǎn)生水面漩渦。增大底排水流速的方式是提高養(yǎng)殖艙內(nèi)的流量,當(dāng)入水管流速成倍增加后,底排水的流速也相應(yīng)地成倍增加,當(dāng)?shù)着潘魉僭龃蟮?00%時(shí),流場(chǎng)速度分布發(fā)生改變,液面產(chǎn)生輕微的凹陷,養(yǎng)殖艙中心位置出現(xiàn)漩渦,流場(chǎng)速度矢量產(chǎn)生旋轉(zhuǎn),出現(xiàn)類似“龍卷風(fēng)”的結(jié)構(gòu),速度場(chǎng)中心處出現(xiàn)類似“暴風(fēng)眼”的低速區(qū)。當(dāng)?shù)着潘魉僭龃蟮?00%時(shí),這種漩渦的規(guī)模和強(qiáng)度繼續(xù)增加,液面出現(xiàn)明顯的凹陷,漩渦的旋轉(zhuǎn)速度遠(yuǎn)超流場(chǎng)其他位置的速度,不同高度的中心在水平位置發(fā)生擺動(dòng),使之更像“龍卷風(fēng)”。這種流場(chǎng)分布不利于魚類養(yǎng)殖,因此設(shè)計(jì)養(yǎng)殖艙流量時(shí)一定要考慮流場(chǎng)是否會(huì)出現(xiàn)漩渦。

3 討論

目前大多數(shù)船載養(yǎng)殖艙的深度相比寬度較小,大深度養(yǎng)殖艙的相關(guān)研究較少。本文采用CFD方法分析了不同入水管的布置方式對(duì)船載養(yǎng)殖艙流場(chǎng)的影響,得出以下研究結(jié)論:

(1)流場(chǎng)模擬結(jié)果表明,養(yǎng)殖艙壁面處的水流速度最大,艙內(nèi)流速分布由艙壁向中心逐漸減小。養(yǎng)殖艙中心存在流動(dòng)較慢的低速區(qū),隨著進(jìn)水流速的增大,低速區(qū)域的面積逐漸減小,但不會(huì)消失,艙體中心小面積的低速區(qū)可有效防止固體顆粒物受擾動(dòng)后重新懸浮,但若該區(qū)域逐漸擴(kuò)大,會(huì)降低養(yǎng)殖艙的利用率和排污能力。出現(xiàn)低速區(qū)的主要原因是:水體質(zhì)點(diǎn)與艙壁摩擦造成的能量損失。

(2)選擇合理的進(jìn)水管布置,可以在滿足養(yǎng)殖需要的同時(shí)優(yōu)化養(yǎng)殖艙流場(chǎng)。由流場(chǎng)速度分布特征圖可以看出,采用2根(雙管間隔式)入水管布設(shè)艙底,流場(chǎng)平均速度更高,標(biāo)準(zhǔn)差更小,養(yǎng)殖艙壁面處的低流速區(qū)占比小,流場(chǎng)分布更加均勻。雙管間隔式進(jìn)水保證了流場(chǎng)水流均勻,有利于二次流的形成,可以促進(jìn)魚類糞便等固體廢棄物的匯聚,且兩根管的布置更簡(jiǎn)單。其余工況下,養(yǎng)殖艙的倒角和邊壁處均會(huì)出現(xiàn)環(huán)流運(yùn)動(dòng)和大面積的低速區(qū)。

(3)增大入水管與池壁的距離能夠提高養(yǎng)殖艙流場(chǎng)平均速度并降低標(biāo)準(zhǔn)差。當(dāng)入水管距池壁3 400 mm時(shí),水體質(zhì)點(diǎn)與艙壁摩擦消耗的能量占比逐漸降低,艙內(nèi)水體用于維持環(huán)流運(yùn)動(dòng)和離心運(yùn)動(dòng)所需要的能量增多,艙內(nèi)能量足以忽略水體離心運(yùn)動(dòng)時(shí)質(zhì)點(diǎn)間相互撞擊產(chǎn)生的能量損失,艙內(nèi)水體的均勻性得到改善,養(yǎng)殖艙水體質(zhì)點(diǎn)呈現(xiàn)穩(wěn)定平衡的規(guī)則質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng),艙內(nèi)高低流速區(qū)分布穩(wěn)定,流場(chǎng)整體流速較高且流體混合均勻。

(4)降低養(yǎng)殖艙由入射水流與艙壁撞擊所產(chǎn)生的能量消耗是優(yōu)化養(yǎng)殖艙流場(chǎng)特性的有效方式。當(dāng)入射角度在22.5°～35°時(shí),水流平均速度隨著入射角度的增加而逐漸增大;當(dāng)入射角度在35°～45°時(shí),水流平均速度隨著入射角度的增加而逐漸減小。當(dāng)入射角度為35°時(shí),養(yǎng)殖艙內(nèi)平均流速達(dá)到最大,此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差也達(dá)到最小值。

(5)提高底排水速度能夠產(chǎn)生液面旋渦。當(dāng)?shù)着潘髁吭黾拥皆O(shè)計(jì)工況的2倍時(shí),液面會(huì)出現(xiàn)凹陷,流場(chǎng)中心處出現(xiàn)漩渦結(jié)構(gòu),漩渦外圍速度大小超過流場(chǎng)其他位置的速度;繼續(xù)增加底排水流量,漩渦沿水深方向發(fā)生擺動(dòng)。

本研究旨在為船載養(yǎng)殖艙流場(chǎng)分析提供一種新的研究思路,未來(lái)將會(huì)通過實(shí)船測(cè)量進(jìn)一步驗(yàn)證本文研究結(jié)果的可靠性。