浮式板-网阻流装置周围流场特性研究.pdf
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1、第37 卷第4期2023 年8 月Journal of Jiangsu University of Science and Technology(Natural Science Edition)D0I:10.20061/j.issn.1673-4807.2023.04.002江苏科技大学学报(自然科学版)Vol.37No.4Aug.2023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2 12 10 0)摘要:随着深远海渔业养殖工程的推进,如何通过装备设计来降低海流流速是大型网箱养殖向深远海发展的关键技术之一.文中提出一种新型板一网阻流装置
2、,利用刚性板与柔性网衣对水流质点的阻滞效应,达到阻流效果.基于Realizablek-8端流控制方程,建立粘性流的三维数值水槽,采用含多孔介质的动量源项模拟水流与网衣的相互作用,对不同流速和网衣密实度条件下阻流装置的阻流效果进行了参数化分析.研究结果表明:在0.8 1.5m/s流速范围内,随着流速的增加,阻流装置阻流效果逐渐降低,但总体阻流效率不低于35%;根据不同水深处测点流速变化可研究发现,网衣与刚性结构阻流效果较为接近,表明网衣能够有效进行阻流,同时增加网衣密实度,能够提高阻流装置阻流性能.关键词:浮式海洋结构物;阻流装置;多孔介质模型;流速衰减中图分类号:U656.6(School o
3、f Naval Architecture and Ocean Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212100,China)Abstract:With the advancement of the far-reaching marine fishery and aquaculture project,one of the key tech-nologies for the development of large-scale cage aquaculture to abyssal pelagic
4、zone is to reduce the current velocitythrough equipment design.This paper presents a new type of plate net flow blocking device,which uses the bloc-king effect of rigid plate and flexible mesh on water particles to achieve the flow blocking effect.Based on realiza-ble k-8 and the turbulence control
5、equation,a three-dimensional numerical flume of viscous flow is established.We use the momentum source item with porous medium to simulate the interaction between water flow and mesh,making a parametric analysis of the flow blocking effect of the flow blocking device under different flow velocitiesa
6、nd mesh compactness.The results show that in the range of 0.81.5 m/s,the blocking effect of the blocking de-vice decreases gradually with the increase of flow rate,but the overall blocking effect is not less than 35%.Ac-cording to the change of flow velocity at measuring points in different water de
7、pths,it can be found that the flowblocking effect of the mesh is close to that of the rigid structure,which indicates that the mesh can effectively blockthe flow,increase the density of the mesh,and improve the flow blocking performance of the flow blocking device.Key words:floating offshore structu
8、res,flow blocking device,porous media model,velocity attenuation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文献标志码:AStudy on flow field characteristics around the floatingplate-net flow blocking deviceLIAN Zixiang,JI Chunyan,CHENG Yong,GUO Jianting文章编号:16 7 3-
9、48 0 7(2 0 2 3)0 4-0 10-0 5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收稿日期:2 0 2 1-11-2 0基金项目:国家杰出青年基金资助项目(52 0 2 5112)作者简介:连子祥(1996),男,硕士研究生,研究方向为船舶与海洋工程,E-mail:l i a n 1996 j k d 16 3.c o m*通信作者:郭建廷(1990),男,实验师,研究方向为船舶与海洋结构物E-mail:g u o j i a n t i n
10、g 11 16 3.c o m引文格式:连子祥,嵇春艳,程勇,等.浮式板-网阻流装置周围流场特性研究 J.江苏科技大学学报(自然科学版),2 0 2 3,37(4):10-14.D01;10.20061/j.issn.1673-4807.2023.04.002.第4期素之一,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
11、约为2 0%.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39.8 5cm/s,最大不超过50.0 2 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
12、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H,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.阻流板阻流网图1浮式阻流装置构型示意Fig.1 Diagram of of plate-net flow blocking device1.2数值计算理论基础1.2.1瑞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
13、网衣,因此采用含多孔介质的动量源项模拟连子祥,等:浮式板-网阻流装置周围流场特性研究dp+pP+V.(pv)=0VV=dtta(p)+div(pVa)=div(r二)+S+S,t式中:p为流体密度;v为流体速度矢量;,S,为通用变量;u为流体动力粘度;diu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;S.为增加的多孔介质的动量源项,在多孔介质区域外的流体S,=0,位于多介质区域内部时,S,=VP=-p(P:I vs,n I+P.)vs,n式中:VP为压降;vs,为流体的表观速度;P,为多孔惯性阻力;P,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
14、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,P、可根据Ergun经验方程 7 得到,其表达式为:d=P,+P,=A.(1-X)+B.p(1-X)u+BLXD式中:L为多孔介质区域高度;A,B为经验系数;为流体粘性系数;U。为流体表观流速;为孔隙率;D,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Erg-un方程计算得到不同流速情况下多孔介质的P/方箱浮体L后,可根据最小二乘法拟合dp/L与流速的流速-压降曲线,得到数值计算所需的多孔惯性阻力
15、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:HK*=1-H式中:V为装置后某测点平均流速;V。为人流流速2楼数值计算方法验证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15m,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11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:dp(1)(2)(3)(4)XD,V(5)12区域定义为速度入口,人流流速为15.9cm/s,末端采用压力出口边界,同时在造
16、流人口后建立厚度为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/ms及12 148 kg/mt.0.310.2110.210.3A1.B1.A2.B2.A3.B3.来流方向A4.B4.0.3图2 网衣试验布置示意(单位:m)Fig.2 Diagram of net clothing test layout(unit: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L,选及高度H,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
17、,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Table 1 Numerical flume convergence verificationgrid and time step parameters多孔介质模型网格加密尺寸模型Ay#1L./30#2L./40L./60#3#4#5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.0.160.150.1400.160.150.140图3多孔介质模型收敛性分析及验证Fig.3Conve
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