方形圆弧角养殖池径深比对水动力特性的影响

为研究方形圆弧角养殖池径深比对养殖池内流场的影响,本文建立以实际工厂化循环水养殖池尺寸按比例缩小的单通道排污结构养殖池物理模型实验系统,采用声学多普勒流速仪开展了进水管布设位置、水体日循环次数、入射角度等参数工况下不同径深比(即养殖池边长与水深之比)的流场监测,系统分析了径深比(2∶1~7∶1)对养殖池内流场特性的影响规律。研究表明:径深比参数明显影响养殖池内的水动力特性,随着径深比增大养殖池水体平均流速呈下降趋势,且在径深比为2∶1~4∶1时下降较快;当径深比为3∶1~6∶1时,养殖池具有较好的水动力特性,此径深比范围低流速区比例较低、水体较均匀,有利于养殖池空间高效利用和营养物质均匀分布。

基于流态的方形圆弧角养殖池进水系统优化数值研究

为研究进水系统优化对方形圆弧角养殖池内流场特性的影响,实验运用计算流体动力学仿真技术(CFD)构建方形圆弧角养殖池的三维数值湍流模型,单管进水系统设置在养殖池弧壁的中间位置(以下称弧壁单管),并主要对不同进径比(参数C/B,射流管中心位置到养殖池壁的水平距离C与养殖池短边边长B之比)和不同射流角度对养殖池系统内的流场特性开展研究。结果显示,不同进径比条件下,随射流角度增加养殖池水体平均速度均呈现先增大后减小的趋势,且最优射流角度不同。进径比为0.01且射流角度为45°时,养殖池内部流场平均流速最高。进径比为0.03时,最优射流角度为30°。当C/B=0.05~0.13时且射流角度为25°时,水体平均速度最高且流场均匀性较好。进径比C/B=0.07~0.09、射流角度为25°时,养殖池内部流态总体上优于其他工况。研究表明,养殖池流场特性与进水系统进径比和射流角度密切相关。研究结果可为工厂化循环水养殖进水系统设计和优化养殖池系统的流场特性提供理论依据。

工厂化循环水养殖系统中流场特性与鱼类互作影响的研究进展与展望

随着人口与经济的发展,水产养殖业在世界范围内迅速兴起,集约型工厂化循环水养殖因其高密度、低污染、高效率等独特的优势,契合水产养殖业绿色发展理念,已成为水产养殖转型升级的重要方向之一。水作为循环水养殖系统中重要的环境因子,其流态能够直接影响鱼类的生长及福利,同样,鱼类存在及运动也会影响到系统流态的构建。本文综合分析了循环水养殖系统中流场条件对不同鱼类生长发育及福利的影响,鱼类及其运动行为对养殖池内水动力条件及性能的影响,以及鱼类对养殖池内流场流态、水体混合等的影响。将研究鱼类运动对流场特性的影响方法主要归纳为实测法和数值研究,通过对比分析2种方法的优点和不足之处,并结合当前循环水养殖产业系统构建中的问题提出针对性方法建议,旨在为系统中水动力条件的设计拓展思路,促进循环水养殖产业流态构建向“鱼”与“水”兼顾的方向发展。

长宽比对双进水管结构矩形圆弧角养殖池排污特性的影响

为探究长宽比参数(即L/W,L为养殖池长边,W为养殖池宽边)对双进水管结构矩形圆弧角养殖池排污特性的影响,构建了固-液两相流数值计算模型(DPM离散项模型与RNG k-ε连续相模型),定义了适用于较大长宽比养殖池排污模拟的粒子重叠撒布方式,在L/W为1.0~1.9工况下,对两种进水管布置方式(进水管布置在长边中心和宽边中心)的养殖池排污效果进行了数值模拟试验。结果表明:L/W=1.0~1.5时,两种进水管布置方式的养殖池内粒子排除率均可达95%以上,随着长宽比的增加,养殖池内的排污效果变差;L/W=1.6~1.8时,进水管布置在长边中心时,未能排除的粒子在养殖池内汇聚更为集中。研究表明,在实际矩形圆弧角养殖池建设过程中,为使养殖池具有良好的排污性能和提高场地利用率,可选择L/W=1.0~1.5的池形进行建造。

养殖鱼对养殖池内水动力影响的数值模拟

为研究养殖鱼对养殖池流场特性的影响,基于计算流体动力学(CFD)技术建立方形圆弧角单管养殖池及养殖鱼模型,采用多重参考系法(multiple reference frame,MRF)模拟鱼类在固定轨迹下的运动,并分析养殖池内养殖鱼的放养密度、个体体积和空间分布变化对养殖池流场特性的影响。结果表明:在养殖鱼个体体积和空间分布条件一定时,放养密度越大,养殖池内水体平均流速下降越大;在养殖池内养殖鱼放养密度一定时,鱼数量越多(个体体积小)时,鱼类的逆流游动产生的阻流作用越大,养殖池内平均流速下降就越明显;在养殖鱼放养密度、个体体积大小一定的条件下,养殖鱼在养殖池水体中层分布时,养殖池内水体的整体平均流速下降幅度和湍流强度增加幅度最大,养殖鱼在养殖池下层时,对平均流速和湍流强度的影响最小。研究表明,在循环水养殖过程中,应根据养殖池中养殖鱼的放养密度、个体体积和空间分布条件的变化,适时调整养殖池的进水速度,以维持养殖池内适于养殖鱼生存和生长的流场条件。

内斜齿轮拓扑修形与传动误差仿真研究

为提高内斜齿轮传动副的啮合性能,提出一种内斜齿轮拓扑修形方法。根据齿廓、螺旋线修形原理推导得出内斜齿轮修形齿面方程;预置齿廓、螺旋线修形系数,运用齿轮啮合原理构建内斜齿轮副的接触分析(TCA)模型,得出在不同的修形系数下的传动误差;通过有限元仿真分析,得出在不同的修形系数、不同载荷下的传动误差。结果表明,在不同的工况条件下应选择不同的修形系数才能满足使用要求,该方法对成形磨削的拓扑修形内斜齿轮设计提供了参考。

相对弧宽比对双通道方形养殖池的流场优化研究

为改善双通道方形养殖池内流场特性,通过研究圆弧角和直边的池壁组合方式对其进行流场优化,从而为循环水养殖产业提供更好的养殖装备。利用计算流体力学技术对双通道养殖池内流场进行三维数值模拟,通过对修正速度v_(0)和均匀系数UC_(50)的分析,评估了相对弧宽比(R/B,R为圆弧角半径,B为池壁边长)对池内流场特性的影响。结果表明,不同的底流分流比(养殖池底部中心排水口的出流流量占总体出流流量的百分比)工况均呈现相同规律,即在相同的水体交换率下,0.2≤R/B<0.4的方形圆弧角养殖池的平均流速大约为方形养殖池的2倍,而与圆形养殖池相比无明显差异;且在流场均匀性分析中发现,0.2≤R/B<0.4的方形圆弧角养殖池均匀系数较高,甚至优于圆形养殖池的流态。研究表明,方形圆弧角养殖池的圆弧角可有效缩小方形养殖池中直角所导致的低流速区域面积,且保留了较高的空间利用率。方形圆弧角养殖池结合了方形养殖池和圆形养殖池的优势,可较好地解决双通道方形养殖池内流态不佳的问题,具有良好的产业推广及应用价值。

双通道排水系统对矩形圆弧角养殖池流场特性的影响研究

为改善养殖池内水动力条件和基于提高养殖池自净能力的需求,采用双通道排水系统实现养殖池内固体废弃物的第一级有效分离,并对双通道养殖池内的流场特性开展研究。基于计算流体力学(CFD)技术建立了矩形圆弧角养殖池的三维湍流数值模型,并对单通道和双通道养殖池流场特性进行对比分析。结果显示:在单管入流条件下,双通道养殖池的平均速度比单通道养殖池平均增长约7%,阻力系数平均降低约13%,同时均匀系数UC50平均大幅提高约23%;而在双管入流条件下,双通道养殖池的平均速度比单通道养殖池平均增长约8%,阻力系数平均降低约14%,均匀系数UC50平均增长约7%。研究表明,双通道养殖池的底流分流比对于流场特性的影响较小,双通道排水系统能够有效改善养殖池内水动力条件,增强水力混合特性。

河套灌区玉米一穴双株高产栽培穴行距配置

为确定河套灌区玉米高产栽培技术措施,挖掘更大增产潜力,于2018年在河套灌区进行了一穴双株不同穴距、行距配置的随机区组试验。结果表明:河套灌区玉米一穴双株栽培,在使用登海618品种,密度9.6万株/hm^2,膜上行距40 cm条件下,穴距×膜间行距最佳配置为33 cm×86 cm,36 cm×76 cm。在对生育时期单株叶面积和干物质变化调查分析表明,36 cm×76 cm,33 cm×86 cm穴距、行距配置处理单株叶面积较大且绿叶持续期长,吐丝后干物质积累速度快,36 cm×76 cm与33 cm×86 cm产量差异不显著,但36 cm×76 cm,33 cm×86 cm与39 cm×67 cm差异显著,与30 cm×96 cm,27 cm×114 cm差异极显著。确定河套灌区玉米一穴双株高产栽培穴距、行距配置为33 cm×86 cm,36 cm×76 cm。

河套灌区玉米减膜增效栽培的示范

针对河套灌区玉米连年覆膜种植造成的地膜残留污染问题,2018年在杭锦后旗进行了早熟耐密玉米品种不覆膜1穴多株高密度栽培和中晚熟品种覆膜与早熟品种不覆膜1穴2株高密度栽培间种两种方式试验示范。试验1结果:KX9384 1穴2株、3株和1株处理较西蒙6号覆膜和不覆膜对照处理增产均达到极显著水平,增产幅度最高为1穴2株种植方式,分别为15.79%,19.23%;KX9384三种方式处理间,1穴2株比1穴3株和1穴1株增产极显著,1穴3株比1穴1株增产显著。试验2结果:两品种4∶4间种和2∶2间种较对照西蒙6号覆膜处理均极显著增产,分别增产15.12%和11.84%;4∶4间种比2∶2间种增产,但不显著。

内齿轮磨齿机磨削头振动特性分析与试验研究

为探究内齿轮数控磨齿机磨削头振动特性,以磨齿机磨削头为研究对象,建立其三维实体模型,并基于有限元仿真软件ANSYS进行预应力下的动态特性分析,获得磨削头各阶固有频率及对应振型,并对其薄弱环节进行了优化设计,使磨削头性能得到了提高。搭建磨削头结构振动特性试验平台,利用试验测试其振动特性,采集不同工况下磨削头的振动信号,采用时域信号和频域信号的对比分析法,探究磨削头振动机制。试验结果表明:磨削头低频振动幅度较大,而且多为主轴转速接近于磨削头固有频率引起的振动。最后为降低磨削头振动提出了合理的建议。

圆弧角优化对单通道方形养殖池流场特性的影响研究

为改善方形养殖池的流场特性并保持较高的空间利用率,提出将圆形养殖池的良好水动力特性和方形养殖池的高空间利用率优势相结合,以圆弧角代替直角的方式优化方形养殖池,运用计算流体力学建立了三维湍流数值计算模型,对不同圆弧角尺度(圆弧角半径与池体宽度之比,即相对弧宽比为0~0.5)和进水流量(400、814、1174 L/h)的单通道方形养殖池流场特性进行研究,同时基于养殖池流场特性对养殖池类型进行定义。结果表明:当0.2≤R/B<0.4时,养殖池的平均流速相比方形养殖池明显提升,阻力系数降低,在进水流量较大(1174 L/h)时流场均匀性显著改善,同时有别于圆形养殖池水动力特性,并将此类养殖池定义为方形圆弧角养殖池。研究表明,R/B=0.20、0.25是兼具较好流场均匀性和高空间利用率的方形圆弧角养殖池,本研究结果可为方形圆弧角养殖池的设计提供理论依据和优选设计参数。

循环水养殖中水动力特性对鱼类影响的研究进展

水产养殖业在我国拥有重要的地位。在过去50多年间,以中国为代表的水产养殖业的发展速度已超过全球人口增速,全球已经有39个国家和地区的水产养殖产量超过了捕捞产量,中国则以水产养殖产量占渔业总产量的73%位列第一[1-2]。随着经济的发展和养殖规模的不断提升,养殖业出现了生产方式落后、效率低下、养殖环境污染、水域生态破坏、病害频发等一系列亟待解决的问题[3-4]。

单进水管结构对单通道矩形圆弧角养殖池水动力特性的影响研究

为研究进水结构及其设计参数对循环水养殖池水动力特性的影响,采用流体动力学仿真技术,基于有限体积法和有限差分法建立三维数值计算模型,对矩形圆弧角养殖池在单进水管结构水力驱动模式下,不同射流孔数和进水管布设位置对养殖池内(尤其是池底)流场的影响进行三维数值计算,并对排污口附近的复杂流场特征进行了重点分析。结果表明:提高日循环次数(本研究增加射流孔数)有利于增加养殖池内平均流速与速度分布均匀性;进水管布设于圆弧角位置是优选布设,有利于改善养殖池底部水动力特性。研究表明,进水管采用圆弧角位置布设,日循环次数为100~120次/d(本研究对应射流孔数为18~21个)时,养殖池内尤其是底部能达到较优流场状态,该结果可为工厂化循环水矩形圆弧角养殖池进水结构的参数设计和布设位置选择提供参考依据。

方形圆弧角养殖池进水结构对流场影响的试验研究

为研究方形圆弧角养殖池进水结构对池内流场的影响,本文结合实际工厂化循环水养殖池尺寸参数设计了单通道排污的养殖池物理模型试验系统,利用声学多普勒流速仪对试验布点进行测量,对进水方式(单管、双管间隔式、双管相邻式进水)、水体日循环次数(60~120次/d)、进水管入射角度(0~90°)参数开展试验研究,分析了养殖池内流场在不同水力驱动模式下的变化规律。结果表明:进水结构对养殖池流场分布有显著影响,其中单管弧壁、对弧双管进水时池内水体平均流速较高;水体日循环次数较多时,流场速度从池壁到池中心总体呈现先减小后增大的趋势,池内水体平均流速与水体日循环次数之间呈非线性增长关系;采用单管弧壁和对弧双管进水,进水管入射角度为0~90°时,随进水角度的增加,池内水体平均流速呈先升高后降低趋势。研究表明,单管弧壁、对弧双管两种进水位置均可用于方形圆弧角养殖池的设计,两种进水方式进水管入射角度为50°时池内水体平均流速最高,且随着水体日循环次数的增加池内流场效果越好,本研究结果可为工厂化循环水方形圆弧角养殖池的设计提供理论依据和优选设计参数。

用于海水养殖的管壳式梯级相变蓄热装置内部传热特性的数值模拟研究

为了解决海水养殖中太阳能不连续、不稳定的蓄热问题,本文设计了可用于海水养殖行业的高效梯级相变蓄热器模型,并对其内部传热特性进行了数值模拟研究,分别对同一工况下每级PCM(PCM1、PCM2、PCM3)内部上中下三部分位置的传热特性进行了分析和讨论,同时还探究了梯级相变蓄热装置中每级PCM内相同位置的传热特性差异。结果表明:管壳式梯级相变蓄热装置在充热前期内部传热以热传导为主导,中后期以自然对流为主导;PCM上中下三部分都有较显著的传热差异,PCM3熔化速度较PCM2、PCM1快,PCM下部与中部之间的对流传热是影响换热器整体相变速率的关键。本文建立的管壳式梯级相变蓄热模型可为高效梯级相变蓄放热装置的结构设计提供依据,以推动高效梯级相变蓄热技术在海水养殖等行业的大规模应用。

进径比对方形圆弧角养殖池内流场特性的影响研究

为研究进径比(参数C/B,射流孔位置到养殖池壁的水平距离C与养殖池短边边长B之比)对单管入流模式下双通道方形圆弧角养殖池系统流场特性的影响,基于计算流体动力学仿真技术,应用Fluent前处理软件Gambit构建三维数值计算模型,采用RNG k-ε湍流模型模拟循环水养殖池内流场。物理模型试验证明,该数值模型能够准确模拟方形圆弧角养殖池系统内的流场,同时提出能量有效利用系数评价养殖池系统的能量有效利用率。结果表明:优化进径比可有效改善养殖池系统内平均流速(a=0.05,P<0.0001)、提高能量有效利用率。研究表明,进径比参数C/B在0.02~0.04区间有利于双通道方形圆弧角养殖池系统获得最佳水动力条件。本研究为工厂化循环水养殖进水管的布设位置提供理论参考。

基于CFD的进水管布设位置对沉降式固体颗粒排污影响的数值模拟

为研究不同进水系统结构对单排污通道矩形圆弧角养殖池内沉降式固体颗粒物排出效率的影响规律,优化养殖池进水结构并提高养殖池系统的集排污性能,运用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)仿真技术构建固-液两相流数值计算模型,研究了弧壁单管和直壁单管养殖池系统内不同密度(1100、1200、1300、1400、1500 kg/m^(3))和粒径(1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 mm)的沉降式固体颗粒物的排出效率。结果表明:固体颗粒物的最终排出率与进水管布设方式及自身属性(密度与粒径)均相关;对于不同密度的颗粒物而言,弧壁单管进水模式下,5种密度的固体颗粒物的最终排出率较直壁单管进水模式平均提高28.60%,且随着密度的增加固体颗粒物的最终排出率呈现先增大后减小的趋势,直壁单管进水模式下,颗粒物的排出率随颗粒物密度的增加而降低;对于不同粒径的颗粒物而言,弧壁单管进水模式下,7种粒径的固体粒子的最终排出率较直壁单管进水模式平均提高38.32%,两种进水模式下,固体颗粒物最终累计排出率均随颗粒物粒径的增大呈现先降低后增加的趋势。研究表明,进水管布设于弧壁位置(进径比C arc/B arc=0.01)能够有效提高沉降式固体颗粒物的排出率,本研究结果可为优化工厂化循环水养殖池系统的集排污性能提供参考。

循环水养殖池内鱼类运动数值模型的建立——以许氏平鲉为例

为探索柔性鱼体运动对养殖池内流场特性的影响,以许氏平鲉Sebastes schlegelii作为仿生对象,分别采用Auto CAD和Solidworks建立二维和三维鱼体仿真运动模型,并将模型接入Fluent模块中建立鱼类-流体间的流固耦合数值模型,基于UDF宏文件编写程序,采用动网格技术以二维平面中尾鳍摆动为基础定义三维空间内鱼体的摆尾波动。结果表明:使用建模软件建立的二维及三维模型可通过软件接口导入ANSYS中用于仿真计算,基于鲹科运动方程编写的UDF宏文件可用于定义仿生鱼运动;数值模型的仿真结果显示,养殖池内鱼尾的摆动会在尾部末端形成一系列的脱落涡,进而对其周围流场产生一定影响。研究表明,本文建立的鱼类运动仿生模型可反映出鱼类对流场的影响,该仿生研究方法可拓展建立其他鱼类运动模型并开展应用研究。

循环水养殖系统中水动力特性及其与鱼类相互影响研究进展

水产品含有丰富的蛋白质及人体所需的营养元素,随着人民生活水平的提高,水产养殖业迅速发展,为解决传统水产养殖业受环境污染、食品安全、自然灾害、疾病频发等方面的困扰,工厂化循环水养殖成为水产养殖业转型发展的养殖新模式之一。循环水养殖系统中的养殖池水体是养殖动物赖以生存与健康生长的场所,优化养殖池环境是实现鱼类等水产动物健康养成的关键。本文以建立环境友好、水质优良、资源节约、动物健康的高效绿色养殖模式为目标,以实现水产品的高品质、高产出为宗旨,综述了循环水养殖系统中水动力研究方法,以及养殖池内流场、固体颗粒物集排污、可溶性与悬浮污染物输移扩散、增氧性能、鱼类与流场相互影响等密切相关的水动力问题,并就当前循环水养殖系统水动力研究中存在的问题进行了总结,提出了加强养殖池水动力及其与结构设计、优化等关键技术的集成应用研究,以及基于养殖动物开展水动力学研究等未来发展建议,以期为循环水养殖事业的发展提供科学参考。