CN115270650A - 一种基于cfd模拟的养殖池中鱼群运动可视化数值模拟方法 - Google Patents

一种基于cfd模拟的养殖池中鱼群运动可视化数值模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于CFD模拟的养殖池中鱼群运动可视化数值模拟方法，包括以下步骤：步骤1：建立具有圆弧角的方形养殖池，三维鱼体仿生模型；步骤2：复制所述三维鱼体仿生模型生成鱼群；步骤3：将步骤2得到的几何模型导入Ansys进行网格划分；步骤4：利用Fluent，采用多重参考系模型，对步骤3得到的网格文件进行数值模拟，模拟在所述养殖池运行且所述鱼群在所述养殖池内按照圆形固定轨迹运动的情况下，所述鱼群开始运动时所述养殖池内的流态至所述养殖池内达到流场稳定时的流态。本发明的技术方案能够实时监测池内水动力情况，同时可以辅助养殖池设计和参数设置。

Description

一种基于CFD模拟的养殖池中鱼群运动可视化数值模拟方法
技术领域
本发明涉及水产养殖工程领域，具体而言，尤其涉及一种基于CFD模拟的养殖池中鱼群运动可视化数值模拟方法。
背景技术
国内外许多关于养殖池内流场特性的数值模拟研究都是通过数值模拟方法构建各种参数的养殖池模型、模拟不同参数下循环水养殖系统中养殖池内流场情况，然后与模型试验相互验证、互为补充共同促进了养殖池系统水动力特性的研究与应用，为优化养殖池结构、提高养殖池自净能力提供了理论支持。
已有研究表明：鱼类的存在也影响了养殖池的流场特性，鱼的游泳行为产生了湍流以及水体混合增强，能够引起系统速度分布改变和增大水循环阻力，研究发现养殖池系统有鱼放养，系统流场平均流速降低、湍流增加，水循环阻力提高和流速分布变化。
发明内容
为了解决在循环水流场构建过程中不考虑鱼群运动的影响的不足，本发明提供了一种基于CFD模拟的养殖池中鱼群运动可视化数值模拟方法。
本发明采用的技术手段如下：
一种基于CFD模拟的养殖池中鱼群运动可视化数值模拟方法，包括以下步骤：
步骤1：根据预先设定的养殖池参数，包括池型、进水结构布设位置和水深，在Ansys的Geometry建立具有圆弧角的方形养殖池，并使用Solidworks建立三维鱼体仿生模型；
步骤2：通过Solidworks与Ansys软件接口将所述三维鱼体仿生模型导入所述养殖池内，并复制所述三维鱼体仿生模型生成鱼群，将Ansys的Geometry中的计算域设置为流体域；将养殖池内区域按照是否包括鱼群划分为两个子域，包括鱼群的区域为运动网格区域，其余区域为静网格区域，并使用布尔运算中的Subtract减去鱼群与所述养殖池内水体重合部分；
步骤3：将步骤2得到的几何模型导入Ansys的Meshing板块中进行网格划分，使用四面体网格对所述养殖池进行网格划分，并通过调节Meshing板块中的单元尺寸参数和关联值参数调节网格的大小和数量；
步骤4：利用Fluent，采用多重参考系模型，对步骤3得到的网格文件进行数值模拟，模拟在所述养殖池运行且所述鱼群在所述养殖池内按照圆形固定轨迹运动的情况下，所述鱼群开始运动时所述养殖池内的流态至所述养殖池内达到流场稳定时的流态，数值模拟过程具体包括以下步骤：
步骤4-1：将网格文件导入Fluent后进行基本参数设定，包括流体材料、RNG k-ε模型、湍动能和湍流耗散率的亚松弛因子；
步骤4-2：在Fluent中，通过Frame Motion，以所述养殖池底部中心为原点建立三维直角坐标系，以Y轴作为旋转轴，使所述鱼群绕所述旋转轴做圆形固定轨迹运动；
步骤4-3：设定求解器其他参数，包括：设置水的动力学参数，包括进水速度、水流阻力和水流压力，定义边界条件，在采用多重参考系模型进行模型的数值模拟计算时，将运动网格区域依据鱼群的运动速度和转角设定转速，外部的静网格区域为静止状态，将所述养殖池的侧壁面和下底面设置为静止边界条件，将所述鱼群设置为动壁面边界条件；所述鱼群中各三维鱼体之间接触的面域设定为内部交界面；对模型监视器进行残差设定，保持在10-4，对Fluent中all zones实现数值的初始化，设定迭代步数，自动保存步数，观察瞬态计算中每步残差曲线收敛是否达到设定的残差值，直至模型收敛，得到的模型即可用于模拟在所述养殖池运行且所述鱼群在所述养殖池内按照圆形固定轨迹运动的情况下，所述鱼群开始运动时所述养殖池内的流态至所述养殖池内达到流场稳定时的流态。
进一步地，还包括步骤5：模拟完成后，进入CFD-POST对在Fluent中计算完毕的数值模拟结果进行后处理，表现所述鱼群按照圆形固定轨迹运动对所述养殖池内水动力、流场产生的影响：
(1)通过获取所述养殖池内达到流场稳定后生成的涡量图，表现鱼群运动对所述养殖池内水动力的影响；
(2)通过获取所述养殖池内达到流场稳定后生成的流线图，表现鱼群对养殖池内水质点运动轨迹的影响；
(3)通过截取数值模拟过程生成养殖池剖面处理速度云图表现鱼群固定轨迹运动对所述养殖池内流场的影响。
进一步地，步骤3中，关联值设置为0，单元尺寸设置为7.8mm，网格划分最终得到的网格数量为3642502，节点数量为635880，最大网格尺寸为8mm。
进一步地，步骤4中，所述圆形固定轨迹由所述三维鱼体在所述养殖池内的位置决定，包括所述三维鱼体所在位置距离所述养殖池中心轴的距离以及所述三维鱼体与所述养殖池底之间的距离。
进一步地，步骤4中，其特征在于当所述养殖池内水动力平均速度几乎无变化时，所述养殖池内达到流场稳定。
进一步地，步骤4-1还包括，利用Fluent进行数值模拟时，选用稳态方式进行求解，初始条件为：进水口inlet速度v＝1m/s，出水口设置为outlet压力出口；流体材料设置为液态水；连续相和离散相均采用压力隐式求解方法，选用Coupled方式对压力和速度进行耦合，压力、动量基于二阶迎风离散格式求解，湍流动能、湍流耗散率基于二阶迎风离散格式求解，设定压力的亚松弛因子为0.3，动量的亚松弛因子为0.7，湍动能和湍流耗散率的亚松弛因子为0.8。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的基于CFD模拟的养殖池中鱼群运动可视化数值模拟方法，模拟了养殖池内鱼群沿圆形固定轨迹运动对养殖池水动力情况的影响，更加贴近养殖系统实际运转时的水动力环境。
2、本发明提供的基于CFD模拟的养殖池中鱼群运动可视化数值模拟方法，适用于对养殖池内鱼群游泳行为的模拟，采用了多重参考系模型(MRF)进行养殖池内鱼类游泳模拟的方法，与动网格技术相比其优点在于运算量较小，对于鱼群的模拟具有显著的优势，MRF模型更加适合对养殖池内鱼群运动的模拟。
3、本发明提供的基于CFD模拟的养殖池中鱼群运动可视化数值模拟方法，为模拟工厂化循环水养殖系统养殖池提供了一种实时监测池内水动力情况的方法，同时可以辅助养殖池设计和参数设置，具有成本低、效率高、便捷环保等优点。
基于上述理由本发明可在循环水水产养殖工程领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为(a)、(b)分别为本发明建立的养殖池模型内无/有一尾鱼鱼体时的示意图。
图2为0-4000次迭代过程中每隔500次迭代放养一尾鱼的养殖池横截面流场云图。
图3为本发明建立的包括鱼群的养殖池模型示意图。
图4(a)、(b)分别为养殖池模型内无/有鱼群时运行至流场稳定状态时截面流速云图。
图5(a)、(b)分别为养殖池模型内有/无鱼体时运行至流场稳定状态时养殖池内流线图。
图6(a)、(b)分别为养殖池模型内有/无鱼体时运行至流场稳定状态时养殖池涡量图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
获得在流态稳定时，空载养殖池和在鱼群作用下的养殖池中各自流场情况。
一种基于CFD模拟的养殖池中鱼群运动可视化数值模拟方法，包括以下步骤：
步骤1：根据预先设定的养殖池参数，包括池型、进水结构布设位置和水深，在Ansys的Geometry建立具有圆弧角的方形养殖池，并使用Solidworks建立三维鱼体仿生模型；
步骤2：通过Solidworks与Ansys软件接口将所述三维鱼体仿生模型导入所述养殖池内，并复制所述三维鱼体仿生模型生成鱼群，将Ansys的Geometry中的计算域设置为流体域；将养殖池内区域按照是否包括鱼群划分为两个子域，包括鱼群的区域为运动网格区域，其余区域为静网格区域，并使用布尔运算中的Subtract减去鱼群与所述养殖池内水体重合部分；
优选地，本实施例选用八米的方形圆弧角养殖池作为建模对象，对养殖池按照8:1的缩放比进行等比例缩放，分别获得边长为1米，弧角半径为0.25米的具有圆弧角的方形养殖池；鱼体简化为椭圆球体，所述养殖池内复制生成51尾鱼，等比例缩小的鱼模型，在所述养殖池上、中、下三层各均匀分布；
步骤3：将步骤2得到的几何模型导入Ansys的Meshing板块中进行网格划分，使用四面体网格对所述养殖池进行网格划分，四面体网格划分方法对复杂几何适应性更好，并通过调节Meshing板块中的单元尺寸参数(element size)和关联值参数(relevance)调节网格的大小和数量；
步骤4：利用Fluent，采用多重参考系模型，对步骤3得到的网格文件进行数值模拟，模拟在所述养殖池运行且所述鱼群在所述养殖池内按照圆形固定轨迹运动的情况下，所述鱼群开始运动时所述养殖池内的流态至所述养殖池内达到流场稳定时的流态，数值模拟过程具体包括以下步骤：
步骤4-1：将网格文件导入Fluent后进行基本参数设定，包括流体材料、RNG k-ε模型、湍动能和湍流耗散率的亚松弛因子；
步骤4-2：在Fluent中，通过Frame Motion，以所述养殖池底部中心为原点建立三维直角坐标系，以Y轴作为旋转轴，使所述鱼群绕所述旋转轴做圆形固定轨迹运动；具体地，在Frame Motion选项中，通过(0,0,0)、(0,1,0)两点的坐标锁定所述旋转轴，将所述鱼群设置为“moving wall”；
步骤4-3：设定求解器其他参数，包括：设置水的动力学参数，包括进水速度、水流阻力和水流压力，定义边界条件，在采用多重参考系模型进行模型的数值模拟计算时，将运动网格区域依据鱼群的运动速度和转角设定转速，外部的静网格区域为静止状态，将所述养殖池的侧壁面和下底面设置为静止边界条件，将所述鱼群设置为动壁面边界条件(moving wall)；所述鱼群中各三维鱼体之间接触的面域设定为内部交界面(interior)；对模型监视器(monitor)进行残差设定，保持在10-4，对Fluent中all zones实现数值的初始化，设定迭代步数，自动保存步数，观察瞬态计算中每步残差曲线收敛是否达到设定的残差值，直至模型收敛，如图2所示，表现了本发明建立的数值模拟模型的运算过程，以及所述养殖池内流场逐渐趋于稳定的变化情况，最终得到的模型即可用于模拟在所述养殖池运行且所述鱼群在所述养殖池内按照圆形固定轨迹运动的情况下，所述鱼群开始运动时所述养殖池内的流态至所述养殖池内达到流场稳定时的流态。
进一步地，还包括步骤5：模拟完成后，进入CFD-POST对在Fluent中计算完毕的数值模拟结果进行后处理，表现所述鱼群按照圆形固定轨迹运动对所述养殖池内水动力、流场产生的影响：
(1)通过获取所述养殖池内达到流场稳定后生成的涡量图，表现鱼群运动对所述养殖池内水动力的影响：
如图6所示，根据涡量图，可以看出无鱼养殖池中没有出现较多的涡流结构，在有鱼的养殖池中涡流结构明显增多，由于鱼的存在增加了养殖池的涡流结构，产生了小涡流区，小涡流区的存在造成较大的能量损失；
(2)通过获取所述养殖池内达到流场稳定后生成的流线图，表现鱼群对养殖池内水质点运动轨迹的影响：
如图5所示，流线图是由在进水口处取100个质点获取其运动轨迹得到的，对比可知，与有鱼养殖池相比，含鱼养殖池随机质点运动路程明显缩短，由于两种工况大循环次数相同，质点运动路程缩短，因此养殖池内各水质点运动减缓；
(3)通过截取数值模拟过程生成养殖池剖面处理速度云图表现鱼群固定轨迹运动对所述养殖池内流场的影响：
如图4所示，对比可知，有鱼养殖池中的云图在鱼的作用下发生了改变。鱼的逆流游泳对养殖池流场分布产生了影响，养殖池中心区域出现低流速区域，养殖池流速降低，池中心靠近排水口位置流速也降低明显。
采用本发明提供的数值模拟方法，能够模拟循环水养殖系统在正常运转达到稳定后，养殖池内的流态情况，进而可通过模拟不同的养殖池，获得的各项水力学指标，从而判断如何布设养殖池中的设备(进水结构、排水结构、池型等)更有利于提供适合鱼群生长的水体环境。
进一步地，步骤3中，关联值设置为0，单元尺寸设置为7.8mm，网格划分最终得到的网格数量为3642502，节点数量为635880，最大网格尺寸为8mm。
进一步地，步骤4中，所述圆形固定轨迹由所述三维鱼体在所述养殖池内的位置决定，包括所述三维鱼体所在位置距离所述养殖池中心轴的距离以及所述三维鱼体与所述养殖池底之间的距离。
进一步地，步骤4中，其特征在于当所述养殖池内水动力平均速度几乎无变化时，所述养殖池内达到流场稳定；也可以通过监测所述养殖池内流场的其他参数来判定所述养殖池是否达到流场稳定状态。
进一步地，步骤4-1还包括，利用Fluent进行数值模拟时，选用稳态方式进行求解，初始条件为：进水口inlet速度v＝1m/s，出水口设置为outlet压力出口；流体材料设置为液态水；连续相和离散相均采用压力隐式求解方法，选用Coupled方式对压力和速度进行耦合，压力、动量基于二阶迎风离散格式求解，湍流动能、湍流耗散率基于二阶迎风离散格式求解，设定压力的亚松弛因子为0.3，动量的亚松弛因子为0.7，湍动能和湍流耗散率的亚松弛因子为0.8。
进一步地，步骤4-1中，将网格文件导入Fluent中后，首先需要通过cheak功能对网格文件进行检查，没有问题之后才能进行下一步模型的求解，网格划分的好坏对模型求解是十分重要的环节，在进行检查完毕之后，对网格进行光顺(smooth/Swap)，来进一步重新布置节点数，修正网格单元连接性。
进一步地，步骤3还包括：对所述养殖池内的鱼体及进水口和出水口进行网格加密处理，其他流体区域不做网格加密处理，并对各鱼体及进水口和出水口进行命名。
进一步地，在本实施例中，步骤1中，按照实际循环水养殖池与方形圆弧角养殖池8:1的比例进行缩放得到所述养殖池；所述三维鱼体仿生模型的鱼体长26cm，最大宽度b＝2.6cm，最大高度h＝2.6cm；所述养殖池长1米m，宽1m，弧角半径R为0.25m，深度0.2m；所述养殖池的一个进水管相对设置且竖直设置于养殖池内壁，所述进水管沿竖直方向均匀开设18个进水孔，所述进水孔中心距池壁距离C＝0.02m；步骤4中，所述鱼体的运动轨迹为以养殖池中心轴旋转轴，半径为0.25m的水平圆弧轨迹，运动速度恒定为0.2rad/s。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种基于CFD模拟的养殖池中鱼群运动可视化数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据预先设定的养殖池参数，包括池型、进水结构布设位置和水深，在Ansys的Geometry建立具有圆弧角的方形养殖池，并使用Solidworks建立三维鱼体仿生模型；
步骤2：通过Solidworks与Ansys软件接口将所述三维鱼体仿生模型导入所述养殖池内，并复制所述三维鱼体仿生模型生成鱼群，将Ansys的Geometry中的计算域设置为流体域；将养殖池内区域按照是否包括鱼群划分为两个子域，包括鱼群的区域为运动网格区域，其余区域为静网格区域，并使用布尔运算中的Subtract减去鱼群与所述养殖池内水体重合部分；
步骤3：将步骤2得到的几何模型导入Ansys的Meshing板块中进行网格划分，使用四面体网格对所述养殖池进行网格划分，并通过调节Meshing板块中的单元尺寸参数和关联值参数调节网格的大小和数量；
步骤4：利用Fluent，采用多重参考系模型，对步骤3得到的网格文件进行数值模拟，模拟在所述养殖池运行且所述鱼群在所述养殖池内按照圆形固定轨迹运动的情况下，所述鱼群开始运动时所述养殖池内的流态至所述养殖池内达到流场稳定时的流态，数值模拟过程具体包括以下步骤：
步骤4-1：将网格文件导入Fluent后进行基本参数设定，包括流体材料、RNG k-ε模型、湍动能和湍流耗散率的亚松弛因子；
步骤4-2：在Fluent中，通过Frame Motion，以所述养殖池底部中心为原点建立三维直角坐标系，以Y轴作为旋转轴，使所述鱼群绕所述旋转轴做圆形固定轨迹运动；
步骤4-3：设定求解器其他参数，包括：设置水的动力学参数，包括进水速度、水流阻力和水流压力，定义边界条件，在采用多重参考系模型进行模型的数值模拟计算时，将运动网格区域依据鱼群的运动速度和转角设定转速，外部的静网格区域为静止状态，将所述养殖池的侧壁面和下底面设置为静止边界条件，将所述鱼群设置为动壁面边界条件；所述鱼群中各三维鱼体之间接触的面域设定为内部交界面；对模型监视器进行残差设定，保持在10-4，对Fluent中all zones实现数值的初始化，设定迭代步数，自动保存步数，观察瞬态计算中每步残差曲线收敛是否达到设定的残差值，直至模型收敛，得到的模型即可用于模拟在所述养殖池运行且所述鱼群在所述养殖池内按照圆形固定轨迹运动的情况下，所述鱼群开始运动时所述养殖池内的流态至所述养殖池内达到流场稳定时的流态。
2.根据权利要求1所述的基于CFD模拟的养殖池中鱼群运动可视化数值模拟方法，其特征在于，还包括步骤5：模拟完成后，进入CFD-POST对在Fluent中计算完毕的数值模拟结果进行后处理，表现所述鱼群按照圆形固定轨迹运动对所述养殖池内水动力、流场产生的影响：
(1)通过获取所述养殖池内达到流场稳定后生成的涡量图，表现鱼群运动对所述养殖池内水动力的影响；
(2)通过获取所述养殖池内达到流场稳定后生成的流线图，表现鱼群对养殖池内水质点运动轨迹的影响；
(3)通过截取数值模拟过程生成养殖池剖面处理速度云图表现鱼群固定轨迹运动对所述养殖池内流场的影响。
3.根据权利要求1所述的基于CFD模拟的养殖池中鱼群运动可视化数值模拟方法，其特征在于，步骤3中，关联值设置为0，单元尺寸设置为7.8mm，网格划分最终得到的网格数量为3642502，节点数量为635880，最大网格尺寸为8mm。
4.根据权利要求1所述的基于CFD模拟的养殖池中鱼群运动可视化数值模拟方法，其特征在于，步骤4中，所述圆形固定轨迹由所述三维鱼体在所述养殖池内的位置决定，包括所述三维鱼体所在位置距离所述养殖池中心轴的距离以及所述三维鱼体与所述养殖池底之间的距离。
5.根据权利要求1所述的基于CFD模拟的养殖池中鱼群运动可视化数值模拟方法，步骤4中，其特征在于当所述养殖池内水动力平均速度几乎无变化时，所述养殖池内达到流场稳定。
6.根据权利要求1所述的基于CFD模拟的养殖池中鱼群运动可视化数值模拟方法，步骤4-1还包括，利用Fluent进行数值模拟时，选用稳态方式进行求解，初始条件为：进水口inlet速度v＝1m/s，出水口设置为outlet压力出口；流体材料设置为液态水；连续相和离散相均采用压力隐式求解方法，选用Coupled方式对压力和速度进行耦合，压力、动量基于二阶迎风离散格式求解，湍流动能、湍流耗散率基于二阶迎风离散格式求解，设定压力的亚松弛因子为0.3，动量的亚松弛因子为0.7，湍动能和湍流耗散率的亚松弛因子为0.8。
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