浮式板-网阻流装置周围流场特性研究

连子祥, 嵇春艳, 程 勇, 郭建廷

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院,镇江 212100)

我国海洋资源丰富,产业链健全,海洋渔业养殖作为海洋经济发展的重要组成部分,是实现海洋渔业可持续发展和助推我国海洋强国战略的重要方面.近年来,随着海洋渔业养殖区域逐渐转移至深远海,养殖区域环境因素影响愈加凸显,其中海流流速尤为突出,其决定了养殖区域水质及鱼类的品质,因此对阻流装置的研究是一个十分重要的课题[1-3].造价成本是海洋渔业养殖所考虑的重要因素之一,养殖网箱作为一种低成本、高产量的海洋装备被广泛应于现阶段的水产养殖之中.近年来,随着水产养殖的大力发展,人们对养殖网箱也有了较多研究.文献[4]对不同结固比的平面网衣和网箱系统的流速衰减情况进行了模型试验,测得了流速在网衣后和网箱内的变化情况.文献[5]通过模型试验,研究了圆柱体网箱受力与变形规律,同时测量网箱内部阻流效果约为20%.现阶段对阻流装置的研究仍然以网衣及网箱为主,网箱养殖虽然造价成本低,制作简易,但阻流能力有限.以大黄鱼养殖为例,研究表明,大黄鱼幼苗的平均临界游泳速度为39.85 cm/s,最大不超过50.02 cm/s,因此大黄鱼幼苗不适宜在长时间流速超过50 cm/s的水域进行养殖[6].文中提出设计了一种新型浮式阻流装置,布置于养殖网箱前,该装置可使掩护区域流速降低,从而达到阻流的目的.

1 浮式阻流装置构型设计及数值计算方法

1.1 构型设计

新型板-网浮式阻流装置如图1,主要应用于深远海区域,考虑造价成本及环境因素,故设计浮式阻流装置主体部分采用方箱型浮体,该浮体结构简单且型宽较大,稳定性较强;阻流装置基于反射及粘滞作用原理,由等间隔布置的阻流板及阻流网构成,阻流板高度为HP,由于刚性板结构会对一体化装置带来较大的荷载,故将阻流网布置于阻流板下方,以减少一体化装置的刚性结构,保证其稳定性,阻流网长度为Hn,阻流网布置至水底并在网衣底部布置沉子,保证阻流网衣垂直,以减小网衣变形.

图1 浮式阻流装置构型示意

1.2 数值计算理论基础

1.2.1 湍流模型

基于计算流体力学软件,对浮式阻流装置周围的流场特性进行分析研究,采用有限体积法对控制方程进行求解.同时,由于浮式阻流装置的阻流构件包含网衣,因此采用含多孔介质的动量源项模拟网衣,对网衣的阻流效果进行数值计算.

采用的连续方程及控制方程为:

(1)

(2)

式中:ρ为流体密度;v为流体速度矢量;α,S,Γ为通用变量;μ为流体动力粘度;div为散度,用于表征空间各点矢量场发散的强弱程度;T为应力张量;Si为增加的多孔介质的动量源项,在多孔介质区域外的流体Si=0,位于多介质区域内部时,

Si=∇P=-ρ(Pi|νs,n|+Pv)νs,n

(3)

式中:∇P为压降;νs,n为流体的表观速度;Pi为多孔惯性阻力;Pv为多孔粘性阻力.

1.2.2 多孔介质模型

浮式阻流装置的阻流构件主要以柔性网衣及刚性平板为主,对网衣的建模较为复杂,故本文引用多孔介质模型,以带开孔的空透平板代替网衣进行数值计算.

Pi,Pv可根据Ergun经验方程[7]得到,其表达式为:

(4)

式中:L为多孔介质区域高度;A,B为经验系数;μ为流体粘性系数;vs为流体表观流速;χ为孔隙率;Dp为平均孔径.

Ergun经验公式将多孔介质模型的压力损失项分为了粘性能量损失与动力学能量损失,其中A,B的值需根据不同的适用情况而改变.通过Ergun方程计算得到不同流速情况下多孔介质的ΔP/L后,可根据最小二乘法拟合dp/L与流速v的流速-压降曲线,得到数值计算所需的多孔惯性阻力系数及多孔粘性阻力系数.

为便于数据分析,定义阻流效率系数K*为:

(5)

式中:Vf为装置后某测点平均流速;Va为入流流速.

2 数值计算方法验证

2.1 数值水槽模型计算域设置及验证

为了验证文中数值计算方法的准确性,采用多孔介质模型替代网衣,按网衣周围流场分布试验[8-9]进行数值建模,建立长为15 m,宽为2 m,水深为0.7 m的数值造流水槽,如图2.考虑壁面对绕流的作用,数值造流场两侧采用光滑壁面,造流区域定义为速度入口,入流流速为15.9 cm/s,末端采用压力出口边界,同时在造流入口后建立厚度为50 mm的多孔介质模型,并对其进行网格加密处理,来代替网衣进行计算,根据网衣的孔隙率及网目长度,计算得到多孔粘性阻力系数及多孔惯性阻力系数分别为30 kg/m3·s及12 148 kg/m4.

图2 网衣试验布置示意(单位:m)

2.2 数值模型阻流效果收敛性分析及验证

根据上述试验布置建立数值水槽,根据网衣长度Ln选及高度Hn取3种多孔介质区域网格加密尺寸,3个不同时间步来验证网格与时间步收敛性,其具体参数如表1.

表1 数值水槽收敛性验证网格及时间步参数

以C2测点为例,其不同网格加密情况及时间步情况下的流速衰减变化如图3,当流速达到稳定后,模型2与模型1平均流速误差为1.3%,模型2与模型3误差为0.4%,误差均在允许范围之内,说明模型2已经收敛.

图3 多孔介质模型收敛性分析及验证

分析图3可知,3种模型误差均在1%以内,为考虑计算成本及误差,对数值水槽网格采用模型2的加密方式,时间步采用0.004 s.

2.3 数值模型准确性验证

图4为数值计算的网衣前后流场分布,网衣掩护区域流速降低,两侧绕流流速增加,沿来流方向,掩护区域来流与两侧绕流逐渐汇合,掩护区域范围变小.图5为不同测点处流速的试验值与计算值,网衣后测点流速最大误差不超过8.2%,且网衣后流速衰减趋势与试验结果基本一致,说明文中的数值计算方法能够较好地模拟出浮式阻流装置的阻流效果.

图4 数值计算网衣前后流场分布

图5 网衣阻流效果试验计算对比

3 新型阻流装置阻流效果分析

3.1 数值水槽建立

图6为基于CFD软件建立的数值水槽,造流区位于数值水槽左端,水槽右端为阻尼区出口,水槽两侧及水槽底部采用光滑壁面,文中模拟采用气液两相流,液面以上为空气.数值水槽长为20 m,宽为7.5 m,水深为1 m,方箱浮体堤宽为1 m,吃水为0.125 m,阻流板长为0.5 m,宽为0.1 m,阻流网长为0.375 m,网衣孔径为0.02 m,模型缩尺比为20.为保证计算精度要求,对多孔介质区域的网格进行加密处理.

图6 浮式阻流装置计算域

3.2 阻流装置数值模型主要设计参数

为研究阻流装置的阻流效果以及不同构型参数对阻流性能的影响,设置的浮式阻流装置数值计算工况及相应参数,表2.

表2 数值试验计算工况

网衣的多孔介质参数可由Ergun经验公式计算获得,具体的多孔介质参数如表3.

表3 多孔介质模型参数表

如图7,定义方箱浮体中心为坐标原点,X方向为水流入射方向.为监测浮式阻流装置后流场的变化情况,布置测点于浮式阻流装置后.测点1～4位于浮体中心轴线上,测点1距浮体后1.5 m,测点2～4相隔1 m等距布置.A～C测点垂直于中心轴线向外布置,B测点距A测点0.4 m,C测点距B测点0.8 m.同时,为研究不同水深处流速的变化情况,分别对水深H*=0.2,0.4,0.6,0.8 m处的各测点进行测量.

图7 数值水槽测点布置示意

3.2.1 不同流速及水深情况下阻流效果分析

对浮式阻流装置在不同流速情况下各测点流速变化情况进行数值计算,取各测点流速的平均值进行分析,具体计算结果如图8、9.

图8 不同水深横向测点阻流效率

为研究不同水深处流速衰减情况,测点布置位置分别设在:方箱浮体后方(H*=0.2 m);阻流板后方(H*=0.4 m);阻流板与阻流网交界处(H*=0.6 m);阻流网后方(H*=0.8 m)时,各水深测点的流速变化情况.

由图8,随着水深的增加,阻流效果也略有降低,水深0.2 m时,位于浮体后各测点流速衰减较大,水深为0.8 m,位于网衣后时,流速衰减较小.网衣后与浮体后测点阻流效果相差较小,最大不超过10%,说明网衣能够有效发挥阻流作用.

对比上图分析可知,沿中轴线方向,横向测点阻流效率逐渐增加,小流速情况下阻流效果较好,位于浮体后4.5 m处测点阻流效率最大可达71%,平均阻流效率可达65%;流速越大,其流速衰减幅度越小,当入流流速为34 cm/s时,于浮体后4.5 m处测点阻流效率最大仅为44%,平均阻流效率可达40%.其主要原因是由于流速变大,浮式阻流装置两侧绕流流速增加,使来流汇合加快,导致阻流装置掩护区域变小.

根据图9分析可知,位于中轴线上的测点,阻流效率较高,沿垂直于中轴线方向向外,测点平均流速逐渐增大,其主要原因是由于靠近浮体外侧的流与浮体两侧加速的绕流汇合,导致流速变大.

图9 不同水深纵向测点阻流效率

3.2.2 不同密实度情况下阻流效果分析

为了分析不同密实度情况下浮式阻流装置阻流性能的变化,图10为入流流速为18 cm/s时,2种不同网衣密实度S(S=0.4,S=0.5)条件下不同测点的流速衰减情况.

图10 不同密实度情况下阻流效率

由图10可见,随着密实度的增加,不同水深处各测点的流速也有所减小,且远离浮体的3,4号测点的流速衰减幅度增加的较为明显,以0.8m水深处4号测点为例,当网衣密实度为0.4时,装置后4.5m测点阻流效率可达60%,当网衣密实度增加至0.5时,该测点阻流效率可达72%,阻流效果提升了20%.说明增加网衣的密实度,能够有效提高阻流装置的阻流效率,同时也能使绕流汇合速度放慢,增长阻流装置掩护区域,提升阻流性能.

4 结论

(1) 该装置具有较好的阻流效果,在0.5～1.5 m/s流速范围内,阻流装置后1.3倍浮体长度掩护范围内,总体阻流效率不低于35%.

(2) 不同流速情况下,浮式阻流装置的阻流效果也有所不同,流速为0.8 m/s时,流速偏小,浮式阻流装置能较好的对来流进行阻挡,位于装置后1.3倍浮体长度处测点的平均阻流效率可达65%,最大可达71%;随着流速增加,当入流流速达到1.5 m/s时,绕流影响加大,绕流汇合加快,导致阻流装置阻流效果变差,位于装置后1.3倍浮体长度处测点的平均阻流效率为40%,最大可达44%;

(3) 不同水深处各测点流速变化趋势相同,阻流效果相差较小,位于浮体后处测点的阻流效果较好.网衣后各测点与阻流板后测点阻流效率相差较小,最大不超过10%,说明网衣能够有效进行阻流,同时过多的刚性结构会增加制造成本且影响浮式阻流装置的稳定性,增加网衣长度可有效解决该类问题;

(4) 网衣对浮式阻流装置阻流效果影响明显,对比网衣密实度S=0.4和S=0.5时阻流装置后各测点流速分布情况可知,增加网衣密实度至0.5时,可使网衣的粘滞作用增加.远离阻流装置处测点阻流效果增加较为明显,最大阻流效率可达72%,相较于网衣密实度S=0.4时,阻流效果提升约为20%.