CN103810326A - 一种鱼池流态数字化分析与构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种鱼池流态数字化分析与构建方法，包括以下步骤：建立鱼池结构参数，鱼池进、出水口的流速或水压参数；根据所述结构参数，构建鱼池三维模型，并结合鱼池模型形状网格划分及边界条件设定；建立鱼池流场的流体力学方程；汇总流态模拟结果；总结不同形状及结构参数的鱼池流场的优缺点，并分析不同部位结构参数变化对鱼池流场造成的影响；优化鱼池形状及结构参数并重复上述2-5步骤；根据步骤4-6形成的一系列鱼池参数，构建按一定比例缩尺的鱼池，并构建粒子图像测速系统和数字图像后处理系统组成的实验装置，测量所构建鱼池的流场；通过与步骤6）形成的流态模拟结果进行拟合比较以及调控，验证鱼池流态数据；重复步骤7）-8）。

Description

一种鱼池流态数字化分析与构建方法

技术领域

本发明涉及一种鱼池的设计方法，具体来说是一种鱼池流态数字化分析与构建方法，属于鱼池设计与构建技术领域。 

背景技术

鱼池设计主要考虑建设成本、生产消耗、空间利用、水质维护及便于管理等因素，常用形状有圆形、矩形（方切角）等。圆形鱼池水体流动情况较好，方便自行集排污，水的流量可较小，但土地利用率不高且流速不能准确预测；矩形鱼池易于建设，土地利用率高，但池中会出现死水区，水体交换不均匀，造成局部缺氧或代谢废物集中于死水区。 

由此可见，如何能同时兼顾上述两种鱼池的优缺点，设计出合适结构的鱼池，是一个本领域的技术难题。 

通过合理的鱼池的形状及结构，使其内部水流流速分布均匀、水体交换完全、不存在运动死角、集排污效果好，而且尽可能提高土地利用率，减低鱼池的建设施工难度，对陆基高效全循环水养殖工程有重要意义。 

目前，对鱼池形状及结构的研究主要是采用传统经验方法，传统经验方法主要依靠常年积累的养殖经验，通过摸索及重复工作的方式对鱼池形状及结构进行实验分析，耗费大量人力物力财力，而且该方法存在一定的主观性，多限于小范围的定性研究，而且精确程度不高，说服力也较差。 

具体来说，现有技术的鱼池流态分析与构建方法主要存在以下缺陷： 

1、传统的鱼池结构设计主要依赖经验和试验，设计过程中盲目成分较 大且误差明显，导致出现鱼池结构不能满足养殖密度及有效集排污的要求。 

2、传统鱼池设计中，无法准确掌握鱼池结构对池内水体流动状态的影响，流场影响因子无法确定导致鱼池结构优化工作难以有效进行。 

3、传统设计方法中，鱼池结构参数数据种类单调，可用性较低，不能充分满足现代渔业的高密度养殖要求。 

4、鱼池结构及其内部流场缺乏可靠的分析手段及方法。 

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：现有技术中，对鱼池形状及结构的研究主要是采用传统经验方法，传统经验方法主要依靠常年积累的养殖经验，通过摸索及重复工作的方式对鱼池形状及结构进行实验分析，耗费大量人力物力财力，而且该方法存在一定的主观性，多限于小范围的定性研究，而且精确程度不高，说服力也较差。 

计算流体力学（CFD）是当前对流体的一种非常有效的研究方法，其在水体的流动特性研究方面得到了广泛的应用。 

粒子图像测速（PIV）技术是一种先进的全流场、瞬态、无接触测量技术，可将测得的数据和控制相间动力学特性的物理机理联系起来，具备动态响应快和测量精度高等诸多优点。 

本发明采取以下技术方案： 

一种鱼池流态数字化分析与构建方法，包括以下步骤： 

1）建立鱼池结构参数，鱼池进、出水口的流速或水压参数； 

2）根据所述结构参数，进、出水口的流速或水压参数构建鱼池三维模型，并结合鱼池模型形状网格划分及边界条件设定； 

3）建立鱼池流场的流体力学方程； 

4）汇总流态模拟结果； 

5）总结不同形状及结构参数的鱼池流场的优缺点，并分析不同部位结构参数变化对鱼池流场造成的影响； 

6）优化鱼池形状及结构参数并重复上述2-5步骤； 

7）根据步骤4-6形成的一系列鱼池参数，构建按一定比例缩尺的鱼池，并构建粒子图像测速系统和数字图像后处理系统组成的实验装置，测量所构建鱼池的流场； 

8）通过与步骤6）形成的流态模拟结果进行拟合比较以及调控，验证鱼池流态数据； 

9）重复步骤7）-8）。 

本发明以鱼池作为研究对象，采用CFD技术与PIV技术相结合的手段，探索不同鱼池形状及在不同鱼池长深比、池底坡度等因素下的流场特性，既简化了试验手段，又具备实际工程意义，可为鱼池的结构建造与优化提供一种优化的研究手段。 

通过改变模型各部分尺寸，选取代表性鱼池模型，构建网格进行相关计算，以PIV测量结果进行模型验证，并对模型进行改进，最终得到符合要求的鱼池形状尺寸。 

本发明的有益效果在于： 

1）避免纯依靠经验和实体试验，在鱼池构建过程中目标性和确定性更强。 

2）鱼池结构能够满足养殖密度及有效集污的要求。 

3）能够准确掌握鱼池结构对池内水体流动状态的影响，并容易确定流 场影响因子，使鱼池结构优化工作更有效的开展。 

4）鱼池结构参数完整，可用性高，能充分满足现代渔业的高密度养殖要求。 

5）采用CFD及PIV技术相结合的方式，通过计算流体力学从水力特性角度入手进而优化鱼池结构，再通过粒子图像测速系统对鱼池流场情况进行有效验证，填补鱼池结构现代化设计方法的空白。 

6）设计过程可控，精度高，数据全面且准确。 

7）既简化了试验手段，又具备实际的工程意义。 

8）从研究鱼池流场等水力特性角度出发进行鱼池结构设计，使设计过程更具针对性。 

9）可形成完整的鱼池数据模型，便于日后根据养殖要求直接使用相关鱼池的结构参数。 

附图说明

图1是一种所构建鱼池三维模型的主视图。 

图2是图1的俯视图。 

图3是结合鱼池模型形状网格划分及边界条件设定的示意图。 

图4是采用CFD方法所得到的流场的流线分布图。 

图5是采用PIV方法所测得的鱼类粪便分布图。 

图6是本发明鱼池流态数字化分析与构建方法的步骤框图。 

图中，1.进水口，2.出水口，3.壁面，4.坡底。 

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进一步说明。 

①参见图1-2，建立鱼池结构、形状参数数据库。通过搜集查阅国内外相关文献资料，并结合传统经验，运用一般性统计分析方法，总结出一系列鱼池结构参数； 

②根据上述参数，利用GAMBIT建模平台构建鱼池三维模型，并结合鱼池模型形状网格划分及边界条件设定。在网格划分中，尽量使用结构性网格，并将进水口及出水口区域进行网格加密操作；在边界条件设定中，进水口选择速度进口，出水口选择压力出口，其他边界做固壁处理； 

③将鱼池模型导入FLUENT平台，建立鱼池流场的流体力学方程（连续性方程、动量方程及能量方程），具体为： 

$\▿\·\left(\mathrm{\ρ}\stackrel{\→}{v}\right)=0---\left(1\right)$

$\▿\·\left(\mathrm{\ρ}\stackrel{\→}{v}\stackrel{\→}{v}\right)=-\▿p+\▿\left(\stackrel{=}{\mathrm{\τ}}\right)+\mathrm{\ρ}\stackrel{\→}{g}---\left(2\right)$

$\frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{\ρ\κ}\right)+\frac{\∂}{\∂x_i}\left(\mathrm{\ρ\κ}{\stackrel{\→}{u}}_i\right)=\frac{\∂}{\∂x_j}\left[(\mathrm{\μ}+\frac{{\mathrm{\μ}}_t}{{\mathrm{\σ}}_k})\frac{\∂\mathrm{\κ}}{\∂x_j}\right]+G_{\mathrm{\κ}}+G_b+\mathrm{\ρ\ϵ}-Y_M---\left(3\right)$

$\frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{\ρ\ϵ}\right)+\frac{\∂}{\∂x_i}\left(\mathrm{\ρ\ϵ}{\stackrel{\→}{u}}_i\right)=\frac{\∂}{\∂x_j}\left[(\mathrm{\μ}+\frac{{\mathrm{\μ}}_t}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ϵ}}})\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{\∂x_j}\right]C_{1\mathrm{\ϵ}}\frac{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\κ}}(G_{\mathrm{\κ}}+C_{3\mathrm{\ϵ}}{G}_b)-C_{2\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\ρ}\frac{{\mathrm{\ϵ}}^2}{\mathrm{\κ}}---\left(4\right)$

（1）连续性方程 

（2）动量方程 

（3）和（4）标准κ-ε湍流方程。 

选择非耦合、隐式定常的3D求解器，选择N-S方程配合k-epsilon双方程紊流模型对鱼池进行三维数值模拟。运用SIMPLE算法求解压力-速度耦合，动量、能量、组分、湍动能和湍流耗散率的离散格式均取一阶迎风差分格式，壁面附近采用标准壁面函数方法处理。边界条件及操作条件根据实际情况进行设定，流体材料为水； 

④汇总流态模拟结果，总结不同形状及结构参数的鱼池流场的优缺点，并分析不同部位结构参数变化对鱼池流场造成的影响，综合上述分析后，优化鱼池形状及结构参数并重复上述2，3步骤的操作，最终形成一系列既能满足流场需要又更贴近实际工程需要的鱼池参数； 

根据步骤④形成的一系列鱼池参数，构建按一定比例缩尺的鱼池、PIV流速测量系统和数字图像后处理系统组成的实验装置，精确测量鱼池流场，通过与步骤3形成的流态模拟结果进行拟合比较以及调控，验证鱼池流态数据，最终获得鱼池流场数据及结构参数结论，使鱼池结构设计完成由实验模拟向具备实际工程意义的精确测量的转变。 

Claims (1)

1.一种鱼池流态数字化分析与构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）建立鱼池结构参数，鱼池进、出水口的流速或水压参数；

2）根据所述结构参数，构建鱼池三维模型，并结合鱼池模型形状网格划分及边界条件设定；

3）建立鱼池流场的流体力学方程；

4）汇总流态模拟结果；

5）总结不同形状及结构参数的鱼池流场的优缺点，并分析不同部位结构参数变化对鱼池流场造成的影响；

6）优化鱼池形状及结构参数并重复上述2-5步骤；

7）根据步骤4-6形成的一系列鱼池参数，构建按一定比例缩尺的鱼池，并构建粒子图像测速系统和数字图像后处理系统组成的实验装置，测量所构建鱼池的流场；

8）通过与步骤6）形成的流态模拟结果进行拟合比较以及调控，验证鱼池流态数据；

9）重复步骤7）-8）。

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