浮式板-网阻流装置周围流场特性研究.pdf

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，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 of 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 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 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 velocitiesand 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 depths,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 structures,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 3-48 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 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,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.3Convergence analysis and verificationof Porous medium model江苏科技大学学报（自然科学版）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0.0 0 4 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D1C2D2C3D3C4D4H./15H,/20H,/30L./40H,/20L./40H,/20上510t/s(a)网格收敛510t/s(b)时间步收敛2023年变小.图5为不同测点处流速的试验值与计算值，0.7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.Velocity:Magnitude(m/s)0.00000.0349.54图4数值计算网衣前后流场分布Fig.4 Numerical calculation of flow field distributionbefore and after fishing net20试验值x计算值时间步/s1600.0040.0040.0040.0030.001模型1一模型2模型31520一模型3一模型4模型515200.069908XX。12B1B2B3B4C1C2C3C4D1D2D3D4测点图5网衣阻流效果试验计算对比Fig.5Comparison diagram of flow blockingeffect test and calculation3新型阻流装置阻流效果分析3.1楼数值水槽建立图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2 0 m，宽为7.5m，水深为1m，方箱浮体堤宽为1m，吃水为0.12 5m,阻流板长为0.5m,宽为0.1m,阻流网长为0.37 5m，网衣孔径为0.0 2 m，模型缩尺比为2 0.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。阻流板入口边界图6 浮式阻流装置计算域Fig.6 Computational domain of flow blocking device0.104.86方箱浮体多孔介质区域0.139 82X0.17477X出口边界第4期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Table 2Numerical test calculation conditions工况编号人流流速/(m sl)A10.18,0.26,0.34A20.18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Table 3 Parameter table of porous media models阻力系数网衣密实度多孔惯性0.456 9440.5123 000如图7,定义方箱浮体中心为坐标原点，X方向为水流人射方向.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1.5m，测点2 4相隔1m等距布置.AC测点垂直于中心轴线向外布置,B测点距A测点0.4m,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*=0.2,0.4,0.6,0.8m处的各测点进行测量.Y中心轴线来流方向图7 数值水槽测点布置示意Fig.7 Diagram of layout of measuringpoints of numerical flume3.2.17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.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*=0.2m）；阻流板后方(H*=0.4 m);阻流板与阻流网交界处(H*=0.6m);阻流网后方（H*=0.8m)时,各水深测点的流速变化情况.连子祥，等：浮式板-网阻流装置周围流场特性研究1.0r0.9F0.9F0.8F0.8F?0.740.70.60.6F0.50.5F测煮40.4161.0r网衣密实度0.90.40.80.50.70.60.50.40.3L16Fig.81Flow blocking efficiency of transverse measuringpoints in different water depths多孔粘性1.0r336.89091.5m1.0m测点C测点B测点1测点2(A）测点3测点4方箱浮体131.0r20242832入流流速/(cms)(a)H=0.2 m202428323616入流流速/(cms)(c)H=0.6 m图8 不同水深横向测点阻流效率+测点合1.0r+测点B二测点0.9F0.9F20242832360.8L162024 283236入流流速/(cms*)入流流速/(cm-s)(a)H-0.2 m(b)H=0.4 m1.0r1.0r+测点A一测点B一测点C40.9K0.90.82042320.8L16162024283236入流流速/(cm-s)入流流速/(cms)(c)H=0.6 m(d)H=0.8 m图9不同水深纵向测点阻流效率Fig.9Flow blocking efficiency of longitudinalmeasuring points in different water depths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0.8m大,水深为0.8 m，位于网衣后时，流速衰减较小.0.4mX360.4162024283236入流流速/(cms)(b)H-0.4 m1.00.90.80.70.60.50.40.3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4.5m处测点阻流效率最大可达7 1%，平均阻流效率可达6 5%；流速越大,其流速衰减幅度越小，当入流流速为34cm/s时，于浮体后4.5m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.20入流流速/(cm-s)(d)H-0.8 m242883236测点A测点C测点B+测点人测点B一测点C参考文献(References)143.2.2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.1.00%0.950.900.850.800.750.70S-0.40.65S-0.53X/m(a)H-0.2 m1.000.9040.800.70+S-0.40.60+S-0.53Xm(c)H-0.6 m图10 不同密实度情况下阻流效率Fig.10Resistance flow rate of floating chokeunder different compactness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0.8 m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6 0%，当网衣密实度增加至0.5时，该测点阻流效率可达7 2%，阻流效果提升了2 0%.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 1.5m/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6 5%，最大可达7 1%；随着流速增加，当入流流速达到1.5m/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江苏科技大学学报（自然科学版）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，1.00F对比网衣密实度S=0.4和S=0.5时阻流装置后各0.95F0.900.850.800.750.70+S-0.45-0.550.65421.000.90K0.800.7040602023年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7 2%,相较于网衣密实度S=0.4时，阻流效果提升约为2 0%.34X/m(b)H-0.4.m3X/m(d)H-0.8 m54【1刘明.我国海洋经济发展潜力分析 J.经济与管理研究,2 0 10(1):36-39.2行徐君卓.深水网箱养鱼业的现状与发展趋势 J.海洋渔业,2 0 0 4(3):2 2 5-2 30.XU Junzhuo.Current situation and development tend-ency of deep sea cage fish culture J.Marine Fisher-ies,2004(3):225-230.(in Chinese)3文刘雪华.海水流速对网箱养殖卵形鲳生长的影响J.水产养殖,2 0 12,3 3(7):16-18.LIU Xuehua.Influence of seaflow velocity on cage aq-uaculture of Trachinotus ovatus J.Journal of Aqua-culture,2012,33(7):16-18.(in Chinese)4AAARSNES J V，R U D I H ，LO LA ND G.C u r r e n tforces on cage,net deflection C/Engineering forOffshore Fish Farming A Conference Organised by theInstitution of Civil Engineers.Westminster,London:The Institution of Civil Engineers,1990.5 IRMAY S.Theoretical models of flow through porousmedia J.Bull Rilem,1964,29:37-43.6吴飞飞，王萍，桂福坤，等.大黄鱼续航时间和临界游泳速度的初步研究 J渔业现代化,2 0 14,4:2 9-33.7ERGUN S.Fluid flow through packed columnsJ.Journal of Materials Science and Chemical Engineer-ing,1952,48(2):89-94.8上毕春伟养殖网箱周围流场特性的三维数值模拟D大连：大连理工大学，2 0 12.9刘为民，谷家扬，卢燕祥，阵列四柱绕流的数值模拟 J.江苏科技大学学报（自然科学版），2 0 12，26(3):534-540.LIU Weimin,GU Jiayang,LU Yanxiang.Study on thecharacteristics of flow around a four square cylinder ar-ray J.Journal of Jiangsu University of Science andTechnology(Natural Science Edition),2012,26(3):534-540.（责任编辑：贡洪殿）