基于CFD的进水管布设位置对沉降式固体颗粒排污影响的数值模拟.docx

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1、摘要:为研究不同进水系统结构对单排污通道矩形圆弧角养殖池内沉降式固体颗粒物排出效率的影响规律，优化养殖池进水结构并提高养殖池系统的集排污性能，运用计算流体动力学（computationa1f1uiddynamics,CFD）仿真技术构建固-液两相流数值计算模型，研究了弧壁单管和直壁单管养殖池系统内不同密度（1100、1200、1300、1400、1500kgr）和粒径（1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0mm）的沉降式固体颗粒物的排出效率。结果表明：固体颗粒物的最终排出率与进水管布设方式及自身属性（密度与粒径）均相关；对于不同密度的颗粒物而言，弧壁单管进水模式下，5种密度的固

2、体颗粒物的最终排出率较直壁单管进水模式平均提高28.60%,且随着密度的增加固体颗粒物的最终排出率呈现先增大后减小的趋势,直壁单管进水模式下，颗粒物的排出率随颗粒物密度的增加而降低；对于不同粒径的颗粒物而言，弧壁单管进水模式下，7种粒径的固体粒子的最终排出率较直壁单管进水模式平均提高38.32%,两种进水模式下，固体颗粒物最终累计排出率均随颗粒物粒径的增大呈现先降低后增加的趋势。研究表明，进水管布设于弧壁位置（进径比CJB=O.OD能够有效提高沉降式固体颗粒物的排出率，本研究结果可为优化工厂化循环水养殖池系统的集排污性能提供参考。关键词：固-液两相流模型；固体颗粒物；排出率；矩形圆弧角养殖池大

3、力推进水产养殖机械装备的科技创新是中国加快水产养殖机械化发展的战略布局，中国农业农村部计划到2025年水产养殖机械化总体水平将达到50%以上。工厂化循环水养殖是水产养殖机械化的重要养殖模式与载体，契合“蓝色粮仓”国家渔业产业发展战略。工厂化循环水养殖生产实践中，投入饵料与产出固体废弃物(包括残饵和粪便)的比例约为10:3,长期滞留于养殖池底部的残饵和粪便等固体颗粒物极易发酵变质进而危害养殖生物健康。Oca等采用物理模型试验的方法,分析了进水方式对养殖池系统流场的影响，发现水平切向进水方式可有效减少低流速旋涡区，实现养殖池内更高、更均匀的流场条件，便于防止污泥沉降;K1ebert等运用数值模拟对

4、封闭式海水网箱内颗粒扩散和固体冲刷进行了研究，得到了两者与池内流场的关系；冯德军等通过物理模型试验及数值模拟的方法，分析了不同射流角度与射流流速工况下养殖池内流场与污物聚集的特点，检验了数值模拟结果的正确性与可行性。目前，国内外关于池内水动力特性对养殖池系统集排污性能影响的数值研究较少，且以构建单一液相模型优化池内流场条件为主，于林平等运用数值模拟研究了进水管布设位置对单排污通道养殖池系统内水动力特性的影响，发现进水管布设于弧壁位置有利于单排污通道矩形圆弧角养殖池系统获得较优的流场条件。以于林平等流场研究为基础,本文中构建固-液两相流数值计算模型，基于F1UENT离散相模型(DPM)对弧壁单管

5、和直壁单管两种进水管布设位置下，不同密度和粒径的沉降式固体粒子的沉降规律和排出效率进行数值分析，旨在为完善养殖系统进水结构布设位置的选择提供理论依据，同时为提高养殖池系统的集排污性能设计提供参考。1数值模型11数值模型的理论与求解方法本研究中主要通过调整养殖池系统内进水管布设位置，分析基于水动力条件优化对沉降式固体颗粒物沉降规律和排出效率的影响。首先构建固-液两相流数值计算模型，将流体作为连续介质，颗粒相作为离散相处理。养殖池内的流动以旋转和沉降为主，RNGk-湍流模型通过修正湍动黏度，尤其考虑了平均流动中的旋转及旋转流动情况，具有广泛的适用性和合理的计算精度，能更好地处理应变率高及流线弯曲程

6、度较大的流动，更精准地模拟养殖池内的流场。养殖池系统构建的固-液两相模型，液相是主体，与液相相比固相占比较小，颗粒物的体积分数占比远小于10%,且各颗粒沿自身轨道运动，可忽略颗粒物之间的相互作用，故F1UENT离散相（DPM）模型是其较优选择。因此，本研究中选用RNGk-湍流模型与离散相DPM模型相结合构建养殖池系统的固-液两相流数值计算模型，分析颗粒物的运动轨迹与排出效率。其中固-液两相流数值计算的假设如下：1）养殖池系统保持恒温，不考虑温度影响；2）养殖池内无养殖生物；3）养殖池系统流体有黏性但不可压缩；4）忽略颗粒物运动质量损失，即假设颗粒间不存在碰撞的质量损失及颗粒物的分解现象；5）考

7、虑萨夫曼升力和压力梯度力。12数值求解方法本研究中，基于计算流体动力学(COnIPUtationa1f1uiddynamics,CFD)仿真软件F1UENTI6.0平台和戴尔服务器，根据试验及实际情况对池内流场即单一液相模型求解选择稳态(Steady)控制方式；向池内添加固体颗粒物后即固-液两相流模式，对连续相模型(液相模型)求解仍然选取稳态(Steady)控制方式，为更真实模拟固体颗粒物沉降规律和运行轨迹,针对固相模型考虑固-液双向耦合(interactionwithcontinuousphase),并开启非定常粒子追踪(UnSteadypartic1etracking)方式。连续相和离散相

8、均采用压力隐式求解方法，压力速度耦合方式选用SIMP1E算法，压力、动量基于二阶迎风离散格式(SeCOndorderupwind)求解，湍流动能、湍动能耗散率基于一阶迎风离散格式(firstorderUPWind)求解。设定压力和动量的亚松弛因子分别为0.3和0.7,湍动能与湍流耗散率的亚松弛因子为0.8,其他项保持常规设置。对矩形圆弧角养殖池数值模型的进出口边界、交界面处理和壁面边界等条件进行设定。连续相模型和离散相颗粒的具体初始边界条件设置如表1所示。表1数值计算初始边界条件Tab.1Initia1boundaryconditionsfornumerica1ca1cu1ation边界条件b

9、oundarycondition输入值inputva1ueDPM边界条件houndaryconditionofDPM流体f1uid水的密度=998.2kgm3水的黏度=1.O31O-3kgm3速度人口ve1ocity-in1et速度V=1m/s水力直径OH=004m雷诺数Re=3876.505湍流强度/=5.70%反射ref1ect自由出口outf1ow底流分流比为1逃离escape固体壁面边界wa11池底边界和池壁均采用固体壁面边界假设无剪切且无滑移速度反射ref1ect2系统的几何构建与网格划分2.1矩形圆弧角养殖池模型建模本研究中数值模拟所构建的矩形圆弧角养殖池模型参照工厂生产实践中养殖

10、池的主体结构进行约为1：8的比尺缩放，并对部分参数优化处理，模型各部分结构如图1所示（进水管布设于直边壁中间位置定义为直壁单管，进水管布设于弧边壁中间位置定义为弧壁单管）。其中，长宽比1e:1,相对弧宽比R/BR.25,径深比B/+5:1,进径比CZ5U弧壁单管）或05（直壁单管,其中。为射流孔位置到养殖池壁的水平距离，8为养殖池短边边长）为0.01。在不影响研究效果的前提下，将建模进行简化处理，养殖池高即为水深，且进水管与养殖池同高（均为200mm）。流量恒定为0.470mh,射流速度（。为1ms,进水管结构在水深范围内均匀开12孔。图1矩形圆弧角养殖池模型图Fig.1Mode1diagra

11、mofarectangu1ararcang1emode1tank2.2网格划分与网格无关性验证网格划分的质量和数量直接影响控制方程离散和数值模拟的精准度及计算时间，因而计算网格的分辨率应足够高，以保证数值求解的精度。本研究中对固-液两相流模型进行数值模拟，为在保障计算精度的同时，兼顾提高计算效率与节约计算资源，选择多区域网格划分(muitizone)方式对养殖池内流场进行网格划分处理。养殖池主体部分采用六面体网格划分，进出水口等部分以四面体网格加密处理，并选用偏斜度(SkeWneSS)对网格进行质量评定。经网格质量检测得出，大部分网格的偏斜度为00.38,最大偏斜度为0.89,平均偏斜度为0.

12、1177,网格偏斜度满足要求，整体网格质量较高。图2给出了区域分解和网格划分示意图。图2固-液两相流模型和网格划分示意图Fig. 2 Meshgenerationofso1id-1iquidtwo-phasef1owmode1本研究中重点分析矩形圆弧角养殖池内的流场分布规律对养殖池系统集排污机制的影响。通过对比相同工况条件下，在同一位置处的监测流速变化，来评估网格尺寸对养殖池内流速分布模拟精度的影响，以获取用于数值计算的合理网格数量，其中，监测线是以养殖池中间层水平坐标为(0,-0.45)和(0,0.45)两点为端点的连线，即距离池底高度=0.1m且进水管所在直线，每间隔0.05m取一个监测点

13、，共取19个监测点。监测线布设位置和不同尺寸网格的监测速度结果如图3所示。其中，网格数达到559214(mesh-C)时，养殖池内整体流速大小和各个监测点速度分布的数值模拟结果均趋于稳定，且不再随网格数继续增加而发生明显变化。因此，选取网格数约为560000,以此对各个研究工况进行数值分析。图3网格无关性验证结果Fig. 3 Verificationresu1tofgridindependence3数值模拟试验3.1 物理模型试验和数值模拟的参数设置3.1.1 物理验证试验基于计算流体动力学可有效模拟池内流场特性，但数值模拟结果与湍流模型的选择、边界条件的设定，以及离散域的划分和相关监测点的设

14、置等因素直接相关。为进一步验证本文所构建固-液两相流模型的合理性，建立与数值模型主体尺寸相同的物理试验模型，如图4所示，进水结构为对直双管（每管均匀开6孔，双管共12孔，流量恒定0.470mh）,用常兴鳏鳏鱼类2。沉性饲料代替颗粒污染物（残饵），通过比较数值模拟与物理模型试验，对比同一时刻固体颗粒物的累计排出效率，验证固-液两相流数值计算模型。图4物理模型试验实体图Fig.4Physica1mode1testentity物理模型试验过程：待养殖池内水体稳定运转后（约20min）,向池内均匀撒入20g饲料，从撒入时开始计时并每10S拍摄一张监测照片,连续拍摄3min并记录3min内固体颗粒物累计

15、排出情况。用MatIab软件将试验过程中拍摄的照片调整尺寸及清晰度后进行相应的分析，程序可自动识别出拍摄图片中颗粒物的总像素面积，再依据公式计算出各时刻固体颗粒物累计排出率，且同一工况进行3次重复试验，观测数据合理性并取平均值。固体颗粒物累计排出率（给计算公式为后（6S）”X1O0%。其中：S为20g颗粒物总像素面积（nr）；S为各时刻池内剩余颗粒物像素面积（哈。本研究中，通过比较数值模拟与物理模型试验同一时刻的固体颗粒物累计排出效率，验证固-液两相流数值计算模型。数值模拟是通过检测池内平均流速和残差曲线，在池内流场达到稳定运行后向养殖池系统注入与物理模型试验同参数的固体颗粒物。数值模拟过程中

16、可直接监测出水口处颗粒物排出数量，以此计算固体颗粒物累计排出率。固体颗粒的物理性质：颗粒直径为2.0mm,密度为1250kgm,形状系数。=0.85（饲料为类圆柱体小颗粒），通过换算与人工计数验证，得出20g常兴鳏鳏鱼类2。沉性饲料约有900个小颗粒。3.1.2 不同密度颗粒物排出率的参数设置沉降于养殖池底部的固体颗粒物能否顺利排出，与养殖池底部流场特性尤其是底层流场流速可否达到颗粒物的起动速度密切相关。于林平等和薛博茹等以往的研究结果已表明，进径比参数为0.01时，弧壁单管养殖池系统内平均流速明显高于直壁单管系统，且养殖池系统流场均匀性尤其是底部流场特性也优于直壁单管系统。为进一步探索基于进水系统结构优化改善养殖池内尤其是池底流场条件，进而对促进矩形圆弧角养殖池系统的集排污性能的作用，本研究中选择