水产养殖船舱内射流-滚动耦合流动特性的数值研究

《Ocean Engineering》：Numerical investigation of Jet–Roll coupled flow characteristics in an aquaculture vessel tank

研究近海养殖船舶水舱在滚动运动与射流共同作用下的流场特性，通过三维数值模拟提出无量纲参数χ量化射流与滚动的相互作用，发现当χ低于10^7时滚动扰动主导导致流场不均，需通过抗滚措施和射流优化维持χ高于该阈值。

　　随着海洋养殖业向深海区域扩展，养殖船舶已成为重要的平台。与陆地养殖池相对稳定的环境相比，养殖船舶在海上作业时会受到船舶摇摆的影响，这种摇摆运动会导致水体晃动，进而使养殖池内的流场变得更加复杂。本研究通过三维数值模拟，探讨了在摇摆运动和喷射流共同作用下，养殖池内部的循环流特性。研究结果表明，在仅受到喷射流影响的情况下，流场呈现出水平旋转的模式，同时伴有较弱的垂直流动。喷嘴角度在10°至15°之间时，能够实现最佳的流场均匀性。当引入摇摆运动后，流场出现了周期性的波动，这种波动显著增强了垂直流动的强度。研究还提出了一种新的无量纲参数χ，用于量化喷射流与摇摆运动之间的相互作用，该参数被定义为“喷射流与摇摆效应比”。分析结果显示，随着χ值的增加，流场的均匀性也随之提高。然而，当χ值低于10^7时，摇摆引起的扰动成为主导因素，导致流场均匀性下降。这些发现强调了在养殖船舶设计中引入主动或被动防摇措施以及喷射增强策略的重要性，以确保χ值维持在10^7以上，从而有效限制摇摆引起的干扰，保持养殖池的适宜条件。

养殖船舶的流场特性对于水体交换、溶解氧分布、颗粒物和废物的运输，以及鱼类的游泳行为和代谢活动至关重要，是养殖池设计和操作优化的主要考量因素。大量数值模拟和实验研究表明，养殖池的几何形状对流体动力学特性具有显著影响。圆柱形、八边形和圆角方形等几何设计相较于尖角矩形设计，能够减少死水区，提高流速的均匀性。大规模商业养殖池通常采用双排水口、壁面排水口或中心排水口系统，这些系统能够产生不同的流场结构和湍流模式，直接影响养殖池的自清洁和废物去除效率。系统化的优化研究进一步表明，特定的几何比例，如角落弧度比例或进水口与壁面的距离，对平均流速和流速均匀性有重要影响，并可通过计算流体力学（CFD）模拟进行优化。

边界条件，包括进水口数量、喷嘴角度和喷射设备类型，对流场的形成也起着关键作用。多喷嘴设计和组合进流方式可以增强径向和轴向的混合效果，同时减少低流速区域，从而提高水力效率。优化喷嘴角度能够显著改善湍流分布和流速均匀性。喷射混合器相较于传统的垂直喷雾设备表现出更优的性能，它能够放大出口流速，加速混合过程，并提升底部自清洁效率。关于圆柱形养殖池内流场的CFD模拟和实验研究一致表明，靠近进水口区域存在强制涡旋，而在排水口附近则形成自由涡旋成分，涡旋核心和湍流水平则取决于进水速度、排水配置以及雷诺数。

近年来，流体力学研究的重点逐渐从陆地上的循环水养殖系统（RAS）转移到了在海况条件下运行的养殖船舶系统。许多研究聚焦于船舶设计、阻力预测和运动响应，例如基于多孔介质模型的船舶阻力分析、船舶稳性试验以及穿孔养殖船舶的水动力响应分析。船舶运动对养殖池流场的影响也引起了广泛关注。不同进水配置的摇摆实验表明，晃动会改变养殖池的流速分布和自清洁能力。CFD研究则揭示了强制摇摆如何加速流速，重塑流场中的滞留时间和低流速区域。统计方法也被应用于量化在振荡条件下的流场参数，显示出流体动力学特性对摇摆振幅和周期的敏感性。尽管已有诸多成果，但关于船舶运动与进水喷射流共同作用对养殖池水动力学影响的研究仍显不足。特别是在评估喷射流与摇摆运动之间相互作用方面，需要一个更加精确的指标，以便为养殖船舶的设计和运行提供指导。

基于上述背景，本研究采用详细的时序数值模拟，深入探讨了在喷射流与摇摆耦合作用下的养殖池流场特性，旨在获得关于涡旋动力学、流速分布和流场均匀性的新物理见解。此外，研究还提出了一种新的无量纲参数χ，用于量化喷射流与摇摆运动之间的相互作用，为在动态条件下评估流场均匀性提供了一种实用的方法。本研究的主要内容分为以下几个部分：第二部分介绍了用于模拟的数值模型；第三部分展示了研究结果与讨论；第四部分总结了研究的结论。

在无摇摆运动的情况下，流场特性被作为基准，用于与后续摇摆运动条件下的流场进行对比。第三部分的第一节首先分析了仅在喷射流作用下的养殖池流场特性。第三部分的第二节则探讨了在喷射流与摇摆运动共同作用下的流场特性。研究采用三维数值模拟方法，结合湍流模型和流体体积（VOF）方法，对养殖池内的复杂流场进行了详细分析。模拟结果不仅揭示了不同条件下流场的变化趋势，还通过对比分析展示了喷射流与摇摆运动之间的相互作用机制。

研究发现，喷射流的引入在一定程度上能够改善养殖池内的流场均匀性，但其效果受到喷嘴角度和喷射流强度的影响。当喷嘴角度处于10°至15°之间时，流场的均匀性达到最佳状态。然而，当摇摆运动被引入后，流场的均匀性受到显著干扰。摇摆运动不仅改变了流场的垂直分量，还对水平方向的流速分布产生了深远影响。在某些情况下，摇摆引起的扰动甚至超过了喷射流的作用，导致流场出现不均匀的区域。研究还指出，随着喷射流与摇摆运动相互作用的增强，即χ值的增加，流场的均匀性有所改善。然而，当χ值低于10^7时，摇摆引起的扰动开始占据主导地位，导致流场均匀性下降。因此，保持χ值在10^7以上是维持养殖池内良好流场环境的关键。

为了更全面地理解流场变化，研究还通过实验测量验证了数值模拟的准确性。实验结果与模拟数据在多个关键参数上表现出高度一致性，进一步证明了所采用数值模型的有效性。此外，研究还探讨了不同喷嘴角度和喷射流强度对流场特性的影响。结果显示，喷嘴角度的调整能够显著改变流场的结构和分布，而喷射流强度则对流场的湍流水平和混合效率产生直接影响。通过系统的数值模拟和实验验证，研究为优化养殖池的设计提供了理论依据和实践指导。

本研究的另一个重要发现是，喷射流与摇摆运动之间的相互作用不仅影响流场的均匀性，还对养殖池内的自清洁能力和废物去除效率产生重要影响。在某些情况下，喷射流能够有效抵消摇摆运动带来的负面影响，从而维持较高的流场均匀性。然而，在其他情况下，摇摆运动的强烈扰动可能会破坏喷射流形成的稳定流场，导致水体混合不均，进而影响养殖效果。因此，研究建议在养殖船舶设计中综合考虑喷射流与摇摆运动的相互作用，以实现最佳的流场环境。

研究还指出，针对不同海况和船舶运动特性，需要采取不同的策略来优化养殖池的流场环境。例如，在海况较为平静的条件下，可以通过调整喷嘴角度和喷射流强度来改善流场均匀性；而在海况较为恶劣的情况下，则需要结合主动或被动的防摇措施，以减少摇摆运动对流场的干扰。此外，研究还强调了CFD模拟在养殖池设计中的重要性，它能够提供详细的流场信息，帮助工程师更好地理解流体动力学行为，并据此优化养殖池的结构和操作参数。

综上所述，本研究通过系统的数值模拟和实验验证，揭示了喷射流与摇摆运动共同作用下养殖池流场的变化规律。研究提出的无量纲参数χ为评估流场均匀性提供了一个新的视角，同时也为养殖船舶的设计和运行提供了重要的理论支持和实践指导。未来的研究可以进一步探索不同海况条件下流场特性的变化，以及如何通过优化设计来增强养殖池的水力性能，从而提高海洋养殖的效率和可持续性。