[发明专利]一种网箱对水流影响的模拟方法

摘要

本发明公开了一种网箱及其内部养殖物对水流影响的模拟方法，包括以下步骤：建立数值水槽；建立网箱模型；建立养殖物模型。本发明将网箱划分为若干片平面网衣，结合多孔介质模型来模拟网衣；网箱内的养殖体积定义为养殖物模型，结合多孔介质模型来模拟养殖鱼类；采用有限体积法离散控制方程，实现网箱及其内部养殖物对水流影响的数值模拟，数值模拟的计算时间在5个小时以内；本发明较好地解决了目前由于网箱内养殖鱼类的体积小、数量大，分布处于离散状态，无法考虑网箱内部的养殖物对水流影响的问题。本发明和物理模型实验手段相比，具有计算速度快、准确性高，同时可以给出不同网衣以及不同放养量的网箱周围的流速分布情况。

主权项

一种网箱及其内部养殖物对水流影响的模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：A、建立数值水槽采用右手笛卡尔坐标系，坐标原点为网箱中心在水面上的投影，x轴在水面上，定义水流方向为x轴正方向，y轴在水平面上与水流方向垂直，z轴铅直向上；数值水槽左端定义为速度入口边界；右端定义为自由出流边界；水槽侧壁、水槽底面以及水面定义为固壁边界，剪切应力为0；结合连续方程和动量方程作为控制方程来描述流体的运动，基于有限体积法离散控制方程；流体运动的控制方程如下：连续方程： ∂ ρ ∂ t + ∂ ( ρu i ) ∂ x i = 0 - - - ( 1 ) 动量方程： ∂ ( ρ u i ) ∂ t + ∂ ( ρu i u j ) ∂ x j = - ∂ ρ ∂ x i + ∂ ∂ x j ( μ ∂ u i ∂ x j - ρ u i ' u j ' ‾ ) + S i - - - ( 2 ) 式中，t为时间，ρ为流体的密度，μ为流体的动力粘度，ui、uj为流体速度分量的时均值，ui’、uj’为速度分量的脉动值，p为压力的时间平均值，i、j等于1、2、3，1、2、3分别表示坐标分量x、y、z；上划线“‑”表示对物理量取时间平均；Si是动量方程源项，在多孔介质边界外的流体区域Si=0，在多孔介质边界内部， S i = - ( D ij μu + C ij 1 2 ρ | u | u ) , D ij = D n 0 0 0 D t 0 0 0 D t , C ij = C n 0 0 0 C t 0 0 0 C t - - - ( 3 ) 式中，Dij、Cij为多孔介质系数矩阵，Dn表示法向粘性阻力系数，Dt表示切向粘性阻力系数，Cn表示法向惯性阻力系数，Ct表示切向惯性阻力系数，u为 流体速度；B、建立网箱模型根据网箱形状，将网箱划分为若干片平面网衣，引入多孔介质模型模拟网衣；多孔介质模型是在多孔介质区域耦合了一个根据经验假设为主的流动阻力，当水流以一定的流速流过多孔介质区域时，作用在该区域的阻力值F由下式计算：F＝SxλA   (4)式中，Sx为x方向的动量方程源项，λ为多孔介质厚度，A为多孔介质面积；F方向与水质点速度方向相反，公式(4)中不考虑阻力值F的方向；将方程(3)代入方程(4)得到水阻力Fd与升力Fl的表达式， F d = ( D n μu + C n 1 2 ρ | u | u ) λA - - - ( 5 ) F l = ( D t μu + C t 1 2 ρ | u | u ) λA - - - ( 6 ) 多孔介质系数通过物理模型实验数据计算得到；当缺少实验数据时，对于与水流方向垂直的平面网衣，其多孔介质系数通过以下经验公式计算得到： D n = 2.281 × 10 7 S n 2 - 2.432 × 10 6 S n D t = 1.129 × 10 6 S n 2 + 3.194 × 10 5 S n - - - ( 7 ) C n = 188.375 S n 2 + 33.163 S n C t = 135.55 S n 2 + 4.083 S n 式中，Sn为网衣密实度；对于与水流方向成一定冲角α的平面网衣，多孔介质系数由公式(7)计算后，还须再按照以下公式进行计算，得到对应冲角网衣的多孔介质系数： D n ' = D n + D t 2 + D n - D t 2 cos ( 2 α ' ) - - - ( 8 ) C n ' = C n + C t 2 + C n - C t 2 cos ( 2 α ' ) D t ' = D n - D t 2 sin ( 2 α ' ) - - - ( 9 ) C t ' = C n - C t 2 sin ( 2 α ' ) 其中，α′＝90°‑α，α为冲角，是水流方向与平面网衣之间的夹角；通过对不同冲角下平面网衣模型多孔介质系数的设置，实现对圆形网箱对水流影响的数值模拟；C、建立养殖物模型对网箱及其内部养殖物周围流场的数值模拟引入多孔介质模型模拟养殖区域，采用有限体积法求解控制方程，对网箱及其内部养殖物周围的流场特性进行数值计算；C1、基本假设为了建立网箱内养殖物的数学模型，根据养殖鱼类的特征，作如下三个基本假设：a、养殖鱼类同等大小，并把鱼体假设成圆球；b、养殖鱼类在网箱内均匀分布，养殖区域各向同性；c、鱼体密度等于水的密度，因为正常情况鱼体在水中处于悬浮状态；C2、养殖物模型将网箱内的整个养殖体积定义为一个柱形多孔介质模型，多孔介质系数需要由以下公式计算得到； D n = 150 D p ( 1 - ϵ ) 2 ϵ 3 - - - ( 10 ) C n = 3.5 D p 1 - ϵ ϵ 3 - - - ( 11 ) 其中， D p = ( 6 M nπ ρ w ) 1 3 - - - ( 12 ) ϵ = 1 - ρ f ρ w - - - ( 13 ) 式中，Dp为鱼体模型的直径，ε为养殖区域孔隙率，M为网箱内养殖鱼类的总重，n为养殖鱼类的数目，ρf为网箱内鱼类的养殖密度，ρw为水的密度；因为假设养殖区域各向同性，所以Dt=Dn，Ct=Cn；将网箱模型和养殖物模型加入数值水槽中，分别设置这两个模型的多孔介 质系数，即实现网箱及其内部养殖物对水流影响的模拟。