一種魚池流態數位化分析與構建方法
2023-05-14 07:21:01 1
一種魚池流態數位化分析與構建方法
【專利摘要】本發明涉及一種魚池流態數位化分析與構建方法，包括以下步驟：建立魚池結構參數，魚池進、出水口的流速或水壓參數；根據所述結構參數，構建魚池三維模型，並結合魚池模型形狀網格劃分及邊界條件設定；建立魚池流場的流體力學方程；匯總流態模擬結果；總結不同形狀及結構參數的魚池流場的優缺點，並分析不同部位結構參數變化對魚池流場造成的影響；優化魚池形狀及結構參數並重複上述2-5步驟；根據步驟4-6形成的一系列魚池參數，構建按一定比例縮尺的魚池，並構建粒子圖像測速系統和數字圖像後處理系統組成的實驗裝置，測量所構建魚池的流場；通過與步驟6）形成的流態模擬結果進行擬合比較以及調控，驗證魚池流態數據；重複步驟7）-8）。
【專利說明】一種魚池流態數位化分析與構建方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種魚池的設計方法，具體來說是一種魚池流態數位化分析與構建方法，屬於魚池設計與構建【技術領域】。
【背景技術】
[0002]魚池設計主要考慮建設成本、生產消耗、空間利用、水質維護及便於管理等因素，常用形狀有圓形、矩形(方切角)等。圓形魚池水體流動情況較好，方便自行集排汙，水的流量可較小，但土地利用率不高且流速不能準確預測；矩形魚池易於建設，土地利用率高，但池中會出現死水區，水體交換不均勻，造成局部缺氧或代謝廢物集中於死水區。
[0003]由此可見，如何能同時兼顧上述兩種魚池的優缺點，設計出合適結構的魚池，是一個本領域的技術難題。
[0004]通過合理的魚池的形狀及結構，使其內部水流流速分布均勻、水體交換完全、不存在運動死角、集排汙效果好，而且儘可能提高土地利用率，減低魚池的建設施工難度，對陸基高效全循環水養殖工程有重要意義。
[0005]目前，對魚池形狀及結構的研究主要是採用傳統經驗方法，傳統經驗方法主要依靠常年積累的養殖經驗，通過摸索及重複工作的方式對魚池形狀及結構進行實驗分析，耗費大量人力物力財力，而且該方法存在一定的主觀性，多限於小範圍的定性研究，而且精確程度不高，說服力也較差。
[0006]具體來說，現有技術的魚池流態分析與構建方法主要存在以下缺陷:
[0007]1、傳統的魚池結構設計主要依賴經驗和試驗，設計過程中盲目成分較大且誤差明顯，導致出現魚池結構不能滿足養殖密度及有效集排汙的要求。
[0008]2、傳統魚池設計中，無法準確掌握魚池結構對池內水體流動狀態的影響，流場影響因子無法確定導致魚池結構優化工作難以有效進行。
[0009]3、傳統設計方法中，魚池結構參數數據種類單調，可用性較低，不能充分滿足現代漁業的高密度養殖要求。
[0010]4、魚池結構及其內部流場缺乏可靠的分析手段及方法。
【發明內容】
[0011]本發明需要解決的技術問題是:現有技術中，對魚池形狀及結構的研究主要是採用傳統經驗方法，傳統經驗方法主要依靠常年積累的養殖經驗，通過摸索及重複工作的方式對魚池形狀及結構進行實驗分析，耗費大量人力物力財力，而且該方法存在一定的主觀性，多限於小範圍的定性研究，而且精確程度不高，說服力也較差。
[0012]計算流體力學(CFD)是當前對流體的一種非常有效的研究方法，其在水體的流動特性研究方面得到了廣泛的應用。
[0013]粒子圖像測速(PIV)技術是一種先進的全流場、瞬態、無接觸測量技術，可將測得的數據和控制相間動力學特性的物理機理聯繫起來，具備動態響應快和測量精度高等諸多優點。
[0014]本發明採取以下技術方案:
[0015]一種魚池流態數位化分析與構建方法，包括以下步驟:
[0016]I)建立魚池結構參數，魚池進、出水口的流速或水壓參數；
[0017]2)根據所述結構參數，進、出水口的流速或水壓參數構建魚池三維模型，並結合魚池模型形狀網格劃分及邊界條件設定；
[0018]3)建立魚池流場的流體力學方程；
[0019]4)匯總流態模擬結果；
[0020]5)總結不同形狀及結構參數的魚池流場的優缺點，並分析不同部位結構參數變化對魚池流場造成的影響；
[0021]6)優化魚池形狀及結構參數並重複上述2-5步驟；
[0022]7)根據步驟4-6形成的一系列魚池參數，構建按一定比例縮尺的魚池，並構建粒子圖像測速系統和數字圖像後處理系統組成的實驗裝置，測量所構建魚池的流場；
[0023]8)通過與步驟6)形成的流態模擬結果進行擬合比較以及調控，驗證魚池流態數據；
[0024]9)重複步驟 7)-8)。
[0025]本發明以魚池作為研究對象，採用CFD技術與PIV技術相結合的手段，探索不同魚池形狀及在不同魚池長深比、池底坡度等因素下的流場特性，既簡化了試驗手段，又具備實際工程意義，可為魚池的結構建造與優化提供一種優化的研究手段。
[0026]通過改變模型各部分尺寸，選取代表性魚池模型，構建網格進行相關計算，以PIV測量結果進行模型驗證，並對模型進行改進，最終得到符合要求的魚池形狀尺寸。
[0027]本發明的有益效果在於:
[0028]I)避免純依靠經驗和實體試驗，在魚池構建過程中目標性和確定性更強。
[0029]2)魚池結構能夠滿足養殖密度及有效集汙的要求。
[0030]3)能夠準確掌握魚池結構對池內水體流動狀態的影響，並容易確定流場影響因子，使魚池結構優化工作更有效的開展。
[0031]4)魚池結構參數完整，可用性高，能充分滿足現代漁業的高密度養殖要求。
[0032]5)採用CFD及PIV技術相結合的方式，通過計算流體力學從水力特性角度入手進而優化魚池結構，再通過粒子圖像測速系統對魚池流場情況進行有效驗證，填補魚池結構現代化設計方法的空白。
[0033]6)設計過程可控，精度高，數據全面且準確。
[0034]7)既簡化了試驗手段，又具備實際的工程意義。
[0035]8)從研究魚池流場等水力特性角度出發進行魚池結構設計，使設計過程更具針對性。
[0036]9)可形成完整的魚池數據模型，便於日後根據養殖要求直接使用相關魚池的結構參數。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0037]圖1是一種所構建魚池三維模型的主視圖。[0038]圖2是圖1的俯視圖。
[0039]圖3是結合魚池模型形狀網格劃分及邊界條件設定的示意圖。
[0040]圖4是採用CFD方法所得到的流場的流線分布圖。
[0041]圖5是採用PIV方法所測得的魚類糞便分布圖。
[0042]圖6是本發明魚池流態數位化分析與構建方法的步驟框圖。
圖中，1.進水口，2.出水口，3.壁面，4.坡底。
【具體實施方式】
[0043]下面結合具體實施例和附圖對本發明進一步說明。
[0044]①參見圖1-2，建立魚池結構、形狀參數資料庫。通過搜集查閱國內外相關文獻資料，並結合傳統經驗，運用一般性統計分析方法，總結出一系列魚池結構參數；
[0045]②根據上述參數，利用GAMBIT建模平臺構建魚池三維模型，並結合魚池模型形狀網格劃分及邊界條件設定。在網格劃分中，儘量使用結構性網格，並將進水口及出水口區域進行網格加密操作；在邊界條件設定中，進水口選擇速度進口，出水口選擇壓力出口，其他邊界做固壁處理；
[0046]③將魚池模型導入FLUENT平臺，建立魚池流場的流體力學方程(連續性方程、動
量方程及能量方程)，具體為:
[0047]
【權利要求】
1.一種魚池流態數位化分析與構建方法，其特徵在於，包括以下步驟: 1)建立魚池結構參數，魚池進、出水口的流速或水壓參數； 2)根據所述結構參數，構建魚池三維模型，並結合魚池模型形狀網格劃分及邊界條件設定； 3)建立魚池流場的流體力學方程； 4)匯總流態模擬結果； 5)總結不同形狀及結構參數的魚池流場的優缺點，並分析不同部位結構參數變化對魚池流場造成的影響； 6)優化魚池形狀及結構參數並重複上述2-5步驟； 7)根據步驟4-6形成的一系列魚池參數，構建按一定比例縮尺的魚池，並構建粒子圖像測速系統和數字圖像後處理系統組成的實驗裝置，測量所構建魚池的流場； 8)通過與步驟6)形成的流態模擬結果進行擬合比較以及調控，驗證魚池流態數據； 9)重複步驟7)-8)。
【文檔編號】G06F17/50GK103810326SQ201410010325
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年1月9日 優先權日:2014年1月9日
【發明者】張成林, 張宇雷, 單建軍, 劉忠松 申請人:中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所