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循环水圆形养殖池数值模拟及结构优化

魏武  
【摘要】:工厂化循环水养殖(国外称Recirculating aquaculture systems,简称RAS)是水产养殖业发展的必然趋势,作为为水生生物提供健康生长环境的养殖池,是决定RAS系统成败的关键之一。营造一个适合养殖对象健康生长的最佳环境,并同时最大化养殖池的自动清洗能力是养殖池的设计核心。 论文以圆形养殖池为研究对象,开展了其结构设计、理论分析、数值模拟和池底自动清洗实验的系统研究。在完成圆形养殖池结构、理论分析的基础上,运用流场计算方法、湍流模型、离散相模型等计算流体动力学知识,采用CFD软件包FLUENT6.3.26对圆形养殖池内部流场进行数值模拟,验证了所建模型的正确性,分析了圆形养殖池的结构、操作参数对池内流场回转速度分布特性的影响,并对其变化规律进行预测,从而为圆形养殖池的结构参数和运行参数优化提供理论依据。在单相流的基础上采用离散相模型(DPM)研究了颗粒运动轨迹、以及圆形养殖池潜在的固体颗粒物分离效率和临界分离粒径,最后通过实验检验养殖池底固体颗粒物的自动清洗特性。 本文的主要研究内容为:以直径Ф1250mm,池深为700mm,溢流排水管直径Ф50mm,底流排污管直径Ф40mm,进水口直径Ф25mm的圆形养殖池为研究对象,开展圆形养殖池的设计理论、数值模拟与实验研究,具体如下: (1)圆形养殖池的结构设计优化 在分析当前国内外各类圆形养殖池结构、设计理论的基础上,设计了一种可调式三通道圆形循环水养殖池,其最大特点是设计的可调式进水装置中的进水管弯头可绕套管旋转至任意一方向,因此使得养殖池可根据养殖生物对象特性在一个比较宽的范围内调节水体流速与方向,优化了水生生物的生长环境。 (2)圆形养殖池三维模型的建立及数值模拟 在完成结构设计、理论分析的基础上,采用前处理软件GAMBIT2.2.30建立起圆形养殖池三维实体模型,借助FLUENT6.3.26软件包,分别采用RNG k ε模型和标准k ε模型模拟池内流体流动,研究养殖池操作、结构参数对养殖池内流场速度分布的影响,并对其变化趋势进行预测。在此基础上,进一步对圆形养殖池进行了两相流研究,得出了池中不同粒径颗粒物的运行轨迹,以及圆形养殖池潜在的固体颗粒物分离效率及临界分离粒径。 (3)圆形养殖池数值模型验证及池底自净特性验证实验 以相同的实验条件为前提,根据John Davidson等人对双通道养殖池进行的模型试验研究,将John Davidson等人的实验结果与圆形养殖池数值模拟的结果进行对比分析,对比结果分析表明:模拟结果基本符合模型实验中养殖池流态的运行规律,但对于湍流数值模拟的模型需要进一步改进与研究。池底自净特性验证实验主要是通过观察池底粒径为毫米级的饲料运行轨迹、滞留时间及池底干净程度。


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