CN118052166A - 一种循环水养殖池内鱼群运动对流场分布影响的模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种循环水养殖池内鱼群运动对流场分布影响的模拟方法，包括：构建养殖池模型的湍流控制方程；构建养殖鱼群数值模型的鱼群多孔介质控制方程；根据湍流控制方程和鱼群多孔介质控制方程构建循环水养殖池和养殖鱼群水动力控制方程；对整体模型进行计算域网格剖分以构建区域网格运动控制方程；基于有限体积法离散计算域并采用SIMPLE算法根据边界条件、循环水养殖池和养殖鱼群水动力控制方程和区域网格运动控制方程进行迭代，得到模拟结果。通过采用区域网格运动的方法实现了对鱼群整体运动行为的控制，忽略鱼群中单个鱼体的运动行为，从而加快了计算效率，使得计算鱼群运动对流场分布影响成为可能。
Description
技术领域
本发明涉及养殖池流场模拟技术领域，具体而言，尤其涉及一种循环水养殖池内鱼群运动对流场分布影响的模拟方法。
背景技术
养殖池内鱼群的运动对流场分布的影响是一个极为复杂的水动力学问题。已有的研究者多采用单条鱼摆尾运动对流场的影响进行模拟，沿用该方法来模拟鱼群运动行为对流场的影响，需要建立多个鱼体，这无疑增加了计算量，消耗巨大的计算资源，且鱼的数量达到一定程度后，现有的计算设备已无法计算。此外，已有研究者采用动网格的方法来模拟鱼体运动对流场的影响，该方法需要加密鱼体附近的网格，增加了计算量，且鱼体过大的运动极易造成计算结果发散，对网格质量要求极为严格。
有鉴于此，本发明提供一种循环水养殖池内鱼群运动对流场分布影响的模拟方法。
发明内容
根据上述提出的不足，而提供一种循环水养殖池内鱼群运动对流场分布影响的模拟方法。本发明主要利用多孔介质区域模拟鱼群，采用网格区域整体运动来模拟鱼群的运动行为，极大的提高了计算效率，避免了鱼群运动造成网格变形过大而发散的现象，以小的计算代价实现了鱼群运动对养殖池内流速分布的影响。
本发明采用的技术手段如下：
本发明提供了一种循环水养殖池内鱼群运动对流场分布影响的模拟方法，包括：
建立养殖池模型，构建所述养殖池模型的湍流控制方程；
在所述养殖池模型内，基于多孔介质理论建立养殖鱼群数值模型，构建所述养殖鱼群数值模型的鱼群多孔介质控制方程；
根据所述湍流控制方程和所述鱼群多孔介质控制方程，构建循环水养殖池和养殖鱼群水动力控制方程；
对所述养殖池模型和所述养殖鱼群数值模型进行计算域网格剖分；
基于所述计算域网格剖分，构建区域网格运动控制方程，用于采用网格区域运动控制所述养殖鱼群数值模型运动；
设置边界条件；
基于有限体积法离散计算域并采用SIMPLE算法根据所述边界条件、所述循环水养殖池和养殖鱼群水动力控制方程和所述区域网格运动控制方程进行迭代，得到模拟结果。
优选地，所述湍流控制方程，按照以下方式计算：
其中，为涡粘度，/>为第一经验常数，/>为流体密度，/>为湍动能，/>为比耗散率，/>为时间，/>为沿i方向的坐标，/>为i方向流体速度，/>为沿j方向的坐标，/>为动力粘度，为经验常数，/>为浮力产生的湍动能，/>为第二经验常数，/>为第三经验常数，为第四经验常数，/>为浮力产生的比耗散率，/>为j方向流体速度，/>为k方向流体速度，/>为沿k方向的坐标。
优选地，所述鱼群多孔介质控制方程，按照以下方式计算：
其中，为源项，/>为粘滞阻力系数，/>为动力粘度，/>为j方向流体速度，/>为惯性阻力系数，/>为流体密度，/>为流体速度的幅值。
优选地，所述粘滞阻力系数，按照以下方式计算：
其中，为所述养殖鱼群数值模型的法向粘性阻力系数，/>为所述养殖鱼群数值模型的切向粘性阻力系数。
优选地，所述惯性阻力系数，按照以下方式计算：
其中，为所述养殖鱼群数值模型的法向惯性阻力系数，/>为所述养殖鱼群数值模型的切向惯性阻力系数，/>为所述养殖鱼群数值模型的厚度，/>为拖曳力，/>为升力系数，，/>为所述养殖鱼群数值模型的倾斜攻角，/>为所述养殖鱼群数值模型的密实度。
优选地，所述循环水养殖池和养殖鱼群水动力控制方程，按照以下方式计算：
其中，为流体密度，/>为时间，/>为i方向流体速度，/>为沿i方向的坐标，/>为j方向流体速度，/>为沿j方向的坐标，/>为压强，/>为i方向重力加速度，/>为动力粘度，/>为涡粘度，/>为源项。
优选地，所述基于所述计算域网格剖分，构建区域网格运动控制方程，包括：
所述养殖池模型内包括所述养殖鱼群数值模型和流体区域；所述养殖鱼群数值模型与所述流体区域采用滑移网格的方式进行相对运动；
所述区域网格运动控制方程，按照以下方式计算：
其中，为第n+1时刻的单元体积，/>为第n时刻的单元体积，/>为时间，/>为体积单元，/>为流体密度，/>为标量，/>为所述第n+1时刻，/>为所述第n时刻，/>为网格数量，为滑移网格速度，/>为标号为j的面的向量。
优选地，所述基于有限体积法离散计算域并采用SIMPLE算法根据所述边界条件、所述循环水养殖池和养殖鱼群水动力控制方程和所述区域网格运动控制方程进行迭代，包括：
压力和动量采用二阶迎风格式、湍动能和比耗散率采用一阶迎风格式进行离散；
当计算残差小于0.001时，达到收敛条件，进行下一步迭代计算；
当达到计算指定时间，迭代结束，得到所述模拟结果。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的一种循环水养殖池内鱼群运动对流场分布影响的模拟方法，基于多孔介质理论建立养殖鱼群数值模型就是采用多孔介质模型模拟养殖池内的鱼群，通过多孔介质系数来模拟鱼群对水流的阻尼效用，避免模拟鱼群的单个鱼体而造成巨大的网格数量，从而增加计算量。
2、本发明提供的一种循环水养殖池内鱼群运动对流场分布影响的模拟方法，采用区域网格运动的方法实现了对鱼群整体运动行为的控制，忽略鱼群中单个鱼体的运动行为，从而加快了计算效率，使得计算鱼群运动对流场分布影响成为可能。
3、本发明提供的一种循环水养殖池内鱼群运动对流场分布影响的模拟方法，采用滑移网格的方式实现鱼群和流体区域之间的相对运动，避免了采用动网格引起的网格变形过大而发散的问题。
4、本发明提供的一种循环水养殖池内鱼群运动对流场分布影响的模拟方法，可以快速准确的计算鱼群运动对养殖池内流速分布的影响，节省大量的人力、物力和财力，为循环水养殖池的设计和优化提供参考数据，具有实际工程意义。
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为循环水养殖池及鱼群的一种结构示意图。
图2为图1的一种俯视图。
图3为图1的一种侧视图。
图4为本发明提供的一种循环水养殖池内鱼群运动对流场分布影响的模拟方法的一种流程图。
图5为养殖池模型和养殖鱼群数值模型的一种结构示意图。
图6为图5的一种侧视图。
图7为养殖池模型和养殖鱼群数值模型的一种网格剖分示意图。
图8为流速分布的一种平面示意图。
图9为流速分布的一种侧面示意图。
图中：1、循环水养殖池主体；2、鱼群；3、排水管；4、喷嘴；5、进水管。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，而不是全部的实施例。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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
结合图1至图6，图1为循环水养殖池及鱼群的一种结构示意图，图2为图1的一种俯视图，图3为图1的一种侧视图，图4为本发明提供的一种循环水养殖池内鱼群运动对流场分布影响的模拟方法的一种流程图，图5为养殖池模型和养殖鱼群数值模型的一种结构示意图，图6为图5的一种侧视图，来说明本发明提供的一种循环水养殖池内鱼群运动对流场分布影响的模拟方法的实施例，包括：
建立养殖池模型，构建养殖池模型的湍流控制方程；
在养殖池模型内，基于多孔介质理论建立养殖鱼群数值模型，构建养殖鱼群数值模型的鱼群多孔介质控制方程；
根据湍流控制方程和鱼群多孔介质控制方程，构建循环水养殖池和养殖鱼群水动力控制方程；
对养殖池模型和养殖鱼群数值模型进行计算域网格剖分；
基于计算域网格剖分，构建区域网格运动控制方程，用于采用网格区域运动控制养殖鱼群数值模型运动；
设置边界条件；
基于有限体积法离散计算域并采用SIMPLE算法根据边界条件、循环水养殖池和养殖鱼群水动力控制方程和区域网格运动控制方程进行迭代，得到模拟结果。
需要说明的是，在图1至图3中仅示意出循环水养殖池主体1在地面的正投影为圆角矩形，其长为1.0m、宽为1.0m、高为0.5m，圆弧角半径为0.20m，循环水养殖池主体1包括排水管3和进水管5，进水管5通过18个喷嘴4向循环水养殖池主体1内注水，喷射方向沿侧壁方向，具体的，排水管3和进水管5的直径均为0.03m，喷嘴4的直径为0.004m，喷嘴4之间的间距为0.026m，当然，并不限于此，各部件的尺寸、循环水养殖池主体1的形状可根据实际需求进行设置。
参照图5和图6，按照循环水养殖池主体1的参数建立养殖池模型。基于多孔介质理论建立养殖鱼群数值模型时，包括设定单条仿生鱼的尺寸，仿生鱼的运动和分布、数量等，具体的，本实施提供一种基于多孔介质理论建立养殖鱼群数值模型的方式为：设定单条仿生鱼的体长为0.10m，宽为0.027m。仿生鱼围绕池心呈现环状分布和运动，距离池心0.25m，沿深度方向分布三层，共15条鱼，其所形成的空间厚度为0.01m和高度为0.15m的环形空间，且鱼群2以1.0rad/s的速度围绕养殖池中心呈环形圆周运动，故设置养殖鱼群数值模型的厚度为0.01m、养殖鱼群数值模型的高度为0.15m，使养殖鱼群数值模型整体围绕养殖池中心呈现环形群体运动，完成养殖鱼群数值模型的建立。进一步，根据鱼群所占有环形区域的面积计算获得密实度为0.127，将鱼群2的密实度作为养殖鱼群数值模型的密实度，构建养殖鱼群数值模型的鱼群多孔介质控制方程。
较现有技术相比，本发明提供的一种循环水养殖池内鱼群运动对流场分布影响的模拟方法，基于多孔介质理论建立养殖鱼群数值模型就是采用多孔介质模型模拟养殖池内的鱼群，通过多孔介质系数来模拟鱼群对水流的阻尼效用，避免模拟鱼群的单个鱼体而造成巨大的网格数量，从而增加计算量。并且，采用区域网格运动的方法实现了对鱼群整体运动行为的控制，忽略鱼群中单个鱼体的运动行为，从而加快了计算效率，使得计算鱼群运动对流场分布影响成为可能。本发明方法可以快速准确的计算鱼群运动对养殖池内流速分布的影响，节省大量的人力、物力和财力，为循环水养殖池的设计和优化提供参考数据，具有实际工程意义。
在一些可选的实施例中，继续参照图5和图6，湍流控制方程，按照以下方式计算：
其中，为涡粘度，/>为第一经验常数，/>为流体密度，/>为湍动能，/>为比耗散率，/>为时间，/>为沿i方向的坐标，/>为i方向流体速度，/>为沿j方向的坐标，/>为动力粘度，为经验常数，/>为浮力产生的湍动能，/>为第二经验常数，/>为第三经验常数，为第四经验常数，/>为浮力产生的比耗散率，/>为j方向流体速度，/>为k方向流体速度，/>为沿k方向的坐标。
可以理解的是，由于本发明是基于循环水养殖池进行模拟，故可以选择湍流模型描述和求解流体的湍流信息，具体的：
在一些可选的实施例中，继续参照图5和图6，鱼群多孔介质控制方程，按照以下方式计算：
其中，为源项，/>为粘滞阻力系数，/>为动力粘度，/>为j方向流体速度，/>为惯性阻力系数，/>为流体密度，/>为流体速度的幅值。
可以理解的是，采用多孔介质的方法在循环水养殖池内建立多孔介质区域，多孔介质区域即养殖鱼群数值模型，该多孔介质区域具有一定的阻流效应，也有一定的透水性能，能构更真实的体现鱼群运动对养殖池内流速分布的影响效果。
在一些可选的实施例中，粘滞阻力系数，按照以下方式计算：
其中，为养殖鱼群数值模型的法向粘性阻力系数，/>为养殖鱼群数值模型的切向粘性阻力系数。
在一些可选的实施例中，惯性阻力系数，按照以下方式计算：
其中，为养殖鱼群数值模型的法向惯性阻力系数，/>为养殖鱼群数值模型的切向惯性阻力系数，/>为养殖鱼群数值模型的厚度，/>为拖曳力，/>为升力系数，，/>为养殖鱼群数值模型的倾斜攻角，/>为养殖鱼群数值模型的密实度。
可以理解的是，当流速较大时，流体易于发展成湍流，并且由拖曳力产生的二次方项会远大于由粘性作用产生的线性项。在这种情况下，线性项可看做是拟合过程中产生的，并不具有实际的物理意义，因此，单项式可以忽略，进而根据莫里森方程可知和/>。
在一些可选的实施例中，采用计算流体动力学方法（CFD）分析和研究了循环水养殖池内的流速分布。为了能够实时的反映计算过程中流场分布的信息，本发明采用瞬态不可压缩的连续性和动量控制方程。
具体的，循环水养殖池和养殖鱼群水动力控制方程，按照以下方式计算：
其中，为流体密度，/>为时间，/>为i方向流体速度，/>为沿i方向的坐标，/>为j方向流体速度，/>为沿j方向的坐标，/>为压强，/>为i方向重力加速度，/>为动力粘度，/>为涡粘度，/>为源项。
可以理解的是，根据湍流控制方程能够求得涡粘度，鱼群多孔介质控制方程能够求出源项，代入循环水养殖池和养殖鱼群水动力控制方程，用于后续迭代计算。
在一些可选的实施例中，参照图7，图7为养殖池模型和养殖鱼群数值模型的一种网格剖分示意图，基于计算域网格剖分，构建区域网格运动控制方程，包括：
养殖池模型内包括养殖鱼群数值模型和流体区域；养殖鱼群数值模型与流体区域采用滑移网格的方式进行相对运动；
区域网格运动控制方程，按照以下方式计算：
其中，为第n+1时刻的单元体积，/>为第n时刻的单元体积，/>为时间，/>为体积单元，/>为流体密度，/>为标量，/>为第n+1时刻，/>为第n时刻，/>为网格数量，/>为滑移网格速度，/>为标号为j的面的向量。
可以理解的是，采用网格区域运动来控制养殖鱼群数值模型的运动，该方法能够避免网格运动引起的网格变形过大而导致计算失败，且能够提高计算效率。养殖池模型内设置养殖鱼群数值模型，流体区域填补养殖池模型的空余位置，养殖鱼群数值模型与流体区域采用滑移网格的方式进行相对运动，网格节点在指定区域发生刚性移动，流场数据信息可以通过网格之间的接触面实现传递，进而实现鱼群运动对养殖池内流场分布的影响数值模拟。
在一些可选的实施例中，参照图5、图8和图9，图8为流速分布的一种平面示意图，图9为流速分布的一种侧面示意图，基于有限体积法离散计算域并采用SIMPLE算法根据边界条件、循环水养殖池和养殖鱼群水动力控制方程和区域网格运动控制方程进行迭代，包括：
压力和动量采用二阶迎风格式、湍动能和比耗散率采用一阶迎风格式进行离散；
当计算残差小于0.001时，达到收敛条件，进行下一步迭代计算；
当达到计算指定时间，迭代结束，得到模拟结果。
可以理解的是，边界条件包括：喷嘴采用速度入口边界条件，排水管进口采用压力出口边界条件，水面采用无剪切应力的壁面边界条件，进水管壁、出水管壁和养殖池壁采用无滑移壁面边界条件，多孔介质区域和流体区域接触部分边界采用内部面数据传递边界条件，实现养殖池内水体和鱼群之间的水流交换和数据传递。
模拟结果如图8和9所示，养殖鱼群环形运动会对养殖池内的流速分布产生影响，该影响主要发生在养殖鱼群附近，并与养殖池内的来流速度进行叠加形成最终的流速分布。养殖池内沿进水管喷嘴入射方向的水流具有较高流速，是进水流速的0.1倍左右，并沿池壁呈现环形分布。由于进水流速和鱼群运动行为的共同影响，在鱼群附近的流速降低至0.03倍进水流速，并且这种影响是随时间而发生变化。通过本数值模拟方法可以充分考虑养殖池内鱼群运动对流场分布的影响，为实际养殖工程中预测养殖池内的流速以分析颗粒物及溶解氧的空间分布规律提供技术手段，具有实际工程价值。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各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各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种循环水养殖池内鱼群运动对流场分布影响的模拟方法，其特征在于，包括：
建立养殖池模型，构建所述养殖池模型的湍流控制方程；
在所述养殖池模型内，基于多孔介质理论建立养殖鱼群数值模型，构建所述养殖鱼群数值模型的鱼群多孔介质控制方程；
根据所述湍流控制方程和所述鱼群多孔介质控制方程，构建循环水养殖池和养殖鱼群水动力控制方程；
对所述养殖池模型和所述养殖鱼群数值模型进行计算域网格剖分；
基于所述计算域网格剖分，构建区域网格运动控制方程，用于采用网格区域运动控制所述养殖鱼群数值模型运动；
设置边界条件；
基于有限体积法离散计算域并采用SIMPLE算法根据所述边界条件、所述循环水养殖池和养殖鱼群水动力控制方程和所述区域网格运动控制方程进行迭代，得到模拟结果。
2.根据权利要求1所述的一种循环水养殖池内鱼群运动对流场分布影响的模拟方法，其特征在于，所述湍流控制方程，按照以下方式计算：
其中，为涡粘度，/>为第一经验常数，/>为流体密度，/>为湍动能，/>为比耗散率，/>为时间，/>为沿i方向的坐标，/>为i方向流体速度，/>为沿j方向的坐标，/>为动力粘度，/>为经验常数，/>为浮力产生的湍动能，/>为第二经验常数，/>为第三经验常数，/>为第四经验常数，/>为浮力产生的比耗散率，/>为j方向流体速度，/>为k方向流体速度，/>为沿k方向的坐标。
3.根据权利要求1所述的一种循环水养殖池内鱼群运动对流场分布影响的模拟方法，其特征在于，所述鱼群多孔介质控制方程，按照以下方式计算：
其中，为源项，/>为粘滞阻力系数，/>为动力粘度，/>为j方向流体速度，/>为惯性阻力系数，/>为流体密度，/>为流体速度的幅值。
4.根据权利要求3所述的一种循环水养殖池内鱼群运动对流场分布影响的模拟方法，其特征在于，所述粘滞阻力系数，按照以下方式计算：
其中，为所述养殖鱼群数值模型的法向粘性阻力系数，/>为所述养殖鱼群数值模型的切向粘性阻力系数。
5.根据权利要求3所述的一种循环水养殖池内鱼群运动对流场分布影响的模拟方法，其特征在于，所述惯性阻力系数，按照以下方式计算：
其中，为所述养殖鱼群数值模型的法向惯性阻力系数，/>为所述养殖鱼群数值模型的切向惯性阻力系数，/>为所述养殖鱼群数值模型的厚度，/>为拖曳力，/>为升力系数，，/>为所述养殖鱼群数值模型的倾斜攻角，/>为所述养殖鱼群数值模型的密实度。
6.根据权利要求1所述的一种循环水养殖池内鱼群运动对流场分布影响的模拟方法，其特征在于，所述循环水养殖池和养殖鱼群水动力控制方程，按照以下方式计算：
其中，为流体密度，/>为时间，/>为i方向流体速度，/>为沿i方向的坐标，/>为j方向流体速度，/>为沿j方向的坐标，/>为压强，/>为i方向重力加速度，/>为动力粘度，/>为涡粘度，/>为源项。
7.根据权利要求1所述的一种循环水养殖池内鱼群运动对流场分布影响的模拟方法，其特征在于，所述基于所述计算域网格剖分，构建区域网格运动控制方程，包括：
所述养殖池模型内包括所述养殖鱼群数值模型和流体区域；所述养殖鱼群数值模型与所述流体区域采用滑移网格的方式进行相对运动；
所述区域网格运动控制方程，按照以下方式计算：
其中，为第n+1时刻的单元体积，/>为第n时刻的单元体积，/>为时间，/>为体积单元，/>为流体密度，/>为标量，/>为所述第n+1时刻，/>为所述第n时刻，/>为网格数量，为滑移网格速度，/>为标号为j的面的向量。
8.根据权利要求1所述的一种循环水养殖池内鱼群运动对流场分布影响的模拟方法，其特征在于，所述基于有限体积法离散计算域并采用SIMPLE算法根据所述边界条件、所述循环水养殖池和养殖鱼群水动力控制方程和所述区域网格运动控制方程进行迭代，包括：
压力和动量采用二阶迎风格式、湍动能和比耗散率采用一阶迎风格式进行离散；
当计算残差小于0.001时，达到收敛条件，进行下一步迭代计算；
当达到计算指定时间，迭代结束，得到所述模拟结果。
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| CN118052166A true CN118052166A (zh) | 2024-05-17 |
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Family Applications (1)
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| CN202410424236.1A Pending CN118052166A (zh) | 2024-04-10 | 2024-04-10 | 一种循环水养殖池内鱼群运动对流场分布影响的模拟方法 |
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2024
- 2024-04-10 CN CN202410424236.1A patent/CN118052166A/zh active Pending
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