重力式网箱内流场数值模拟分析

作     者：任再美 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙江龙

授予年度：2020年

学科分类：090801[农学-水产养殖] 081505[工学-港口、海岸及近海工程] 0908[农学-水产] 08[工学] 09[农学] 0815[工学-水利工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 0814[工学-土木工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：数值模拟 重力式网箱 流场 STAR-CCM+ 

摘      要：地球上约有71%的面积都被海洋覆盖,其中蕴藏着丰富的物产资源。随着陆地资源的消耗,世界各国都将目光投向了海洋,怎样更好的开发和利用海洋资源已成为解决资源短缺问题的重要途经。随着物质生活水平的提高,野生海产品的数量已经不能满足人们的需求,因此海洋养殖业正快速发展。然而,由于沿海地区人口、工业的快速发展以及近岸养殖数量的饱和,浅水养殖环境逐渐恶劣,因此发展深远海养殖已成必然趋势。与浅海相比深远海的养殖环境更为恶劣,因此对网箱的水动力性能要求更高。虽然过去几十年国内外诸多学者对网箱的水动力性能做了许多研究,但还有许多问题需要继续深入的研究。其中网箱内部及周围的流场特性不仅与网箱周围的环境相关,更关系到养殖鱼类的品质及生存环境。目前针对网箱的流场研究主要采取模型试验和现场测量两种方法,手段单一且操作过程复杂。本文对网箱内部流场开展研究,对不同形式的网箱内部流场及箱内水流的衰减进行了数值模拟分析。在网箱的数值模拟中,计算量的大小取决于网衣网线直径的大小,若对网衣与网箱的主体外形采用相同的缩比则网衣过于细小,会造成运算量过大甚至无法计算,因此对网衣与网箱的主尺度采用不同的缩比。为了探究不同的网衣缩比对数值模拟计算会产生多大的影响,本文还开展了网衣缩比变化对流场的影响分析。本文第一章介绍了课题的研究背景、意义、网箱的结构形式以及国内外对网箱流场研究的现状。第二章介绍了数值模拟的基本理论,控制方程、湍流模型及有限元法。第三章进行了数值计算方法的有效性验证,选取刘超等人的圆形重力式网箱流场效应的试验研究以及崔勇等的基于PIV技术的方形网箱二维流场分析两个试验的结果,对本文的数值模拟方法进行了对比验证。第四章采用两款网箱为母型,初步设计了一款圆形重力式网箱,给出了网箱的基本结构形式、主要尺寸和水动力性能初步计算;为了比较不同网箱的外形对流场的影响给出了相同养殖容积的方形网箱的尺寸。第五章主要探讨不同网衣缩比对圆形重力式网箱流场的影响,为数值模拟选取了合适的网衣缩比。第六章采用合适的网衣缩比,建立方形网箱数值计算模型,对方形网箱的流场也进行了模拟,分析了圆、方两种形式的养殖网箱在流场分布及减流作用方面的差异性。通过研究发现在STAR-CCM+中采用缩比模型对网箱进行数值模拟时,网衣缩尺比取2比较合适;方形网箱内的流场分布更为规则,整体环境较圆形网箱稳定;圆形网箱迎流面的网衣所受水压力较方形网箱大,为后续网箱设计提供重要的参考依据。