横摇晃荡对矩形工船养殖舱内流场与颗粒物去除的影响

深远海养殖工船游弋式养殖是现代海洋渔业发展的一个重要的方向。基于FLOW-3D软件探究了横摇运动对舱内流场特征的影响,并在此基础上计算了不同横摇工况下流场中废弃颗粒物的去除情况。结果显示:控制横摇周期一定,随着横摇角度从0°增加到2°,舱内流速略有增加。而当横摇角度从2°增加到7°时,舱内流速出现大幅增加,v_(50%)从0.171 m/s增加到0.477 m/s;同时横摇角度的增大也使流速的整体分布更加离散。横摇角度幅值2°以内工况的流动均匀性指数主要集中在0.8~0.85,当横摇角度幅值增加到3°后,养殖舱流动均匀性显著降低,养殖舱内水体流动均匀性指数均小于0.8。当横摇角度幅值一定时,横摇周期缩短,养殖舱内流速急剧增大,各工况流速的v_(50%)与其他分位数呈线性增长趋势而舱内水体的流动均匀性变化并不显著。对于养殖舱内废弃固体颗粒物的去除,在横摇周期和颗粒物自身属性一定时,整个过程分为效果相反的前后两个阶段:从颗粒物投放进入流场至投放后的1 000 s内,横摇角度幅值越小,其去除速率越高;此后直至整个算例的计算结束,横摇角度越大,颗粒物去除速率越高。而横摇周期对养殖舱内颗粒物的去除排出基本没有影响,各个工况颗粒物去除的达标时间极为接近。

基于FLOW-3D的船载舱养流场特性分析

以船载舱养为核心的工船养殖为在深远海开展海水鱼养殖提供了一条新的途径。为研究进水射流对养殖工船鱼舱流场的影响并评估横摇运动下进水射流对鱼舱流场的调节能力,采用FLOW-3D软件,对3000吨级养殖工船鱼舱流场特性进行数值模拟研究,分析总进水流量、进水口数目和横摇角度幅值对鱼舱流速大小和流动均匀性的影响。结果显示:随着总进水流量从110 m3/h增加到215 m3/h,鱼舱流速大幅增加,而流动均匀性的变化并不显著;随着进水口数目从4个增加到16个,鱼舱流速大幅降低,流动均匀性显著增加。对于锚泊状态下的工船,其横摇运动的周期变化范围较小,多在5.3~6.4 s间;随着横摇角度从0°增加到2°,鱼舱最大流速从0.385 m/s增加到0.413 m/s,流场变化较小,而当横摇角度从0°增加到5°,鱼舱最大流速从0.385 m/s增加到0.507 m/s,流场变化较大。研究表明:对于工船鱼舱,当进水口数目一定时,鱼舱最大流速与总进水流量呈线性正相关;故对于4个进水口的鱼舱,当总进水流量小于184 m^(3)/h时,鱼舱流速始终小于0.5 m/s,是适合1龄以上大黄鱼(体长大于27 cm)养殖的。当因增加总进水流量而导致舱内流速大于鱼类适养流速上限时,可以通过增加进水口数目来降低鱼舱流速,同时增加水体流动的均匀性。对于锚泊状态下的工船,当横摇角度幅值小于2°时,横摇运动对鱼舱流场的影响较小,此时可以通过改变总进水流量和进水口数目来调节鱼舱流场;当横摇角度幅值大于2°时,横摇运动对鱼舱流场的影响较大,尤其当横摇角度幅值达到5°后,此时进水射流对鱼舱流场的调节作用有限。

颗粒特性对矩形养殖舱中颗粒物去除效果的影响

养殖工船是拓展深远海养殖空间的新途径之一,在船载舱养过程中,如果未消化的饲料残渣和排泄物等颗粒物不能及时排出,则会对鱼类健康及其生长环境产生严重的负面影响。采用FLOW-3D软件进行数值仿真计算,研究了静止状态下30万t级养殖工船养殖舱出水口数目对舱内流场特征的影响,并在此基础上探究不同粒径与密度的颗粒物在舱内的去除效果。结果表明:当总进出水流量与出水口总面积恒定时,出水口数目从1增加到4,V_(99%)从0.244 m/s降低至0.232 m/s,V_(95%)从0.215 m/s降低至0.203 m/s,随着出水口数目的增加,养殖舱内流速减小;以占总量95%的颗粒物排出养殖舱所需时间为评价标准,当颗粒物密度为1050 kg/m^(3)时,粒径为1 mm的颗粒物排出需要约24 min,粒径为0.5 mm的颗粒物排出需要约45 min,粒径为0.1 mm的颗粒物排出需要约78 min,当颗粒物密度相同时,随着粒径增大,其在养殖舱内的停留时间减少;颗粒物粒径为1 mm时,密度为1100 kg/m^(3)的颗粒物排出需要约15 min,密度为1150 kg/m^(3)的颗粒物排出需要约11.6 min,当颗粒物粒径相同时,颗粒物密度越大,其在养殖舱流场内的停留时间越短。该研究形成了CFD数值仿真计算与数理统计有机结合的综合分析方法,为之后具有不同横摇周期和较大横摇幅值的复杂工况提供研究手段及理论依据。