基于SPH方法的平面网衣与水流相互作用数值模拟研究

发布时间：2020-06-23 17:28

【摘要】：近年来,由于人口增加,对水产品需求增大,使得近海水产资源日趋枯竭。再加上过度捕捞以及不合理的开发等因素影响,近海海洋生态环境逐渐恶化,养殖区环境污染和病害问题日趋突出,导致养殖鱼类品质下降,死亡率不断提高。为此,将网箱养殖业从内湾、近海转向外海或深海,寻求优越的养殖环境和高质量的养殖产品已成为网箱养殖发展的必然趋势。深水养殖网箱由此应运而生,作为深水养殖网箱的重要组成部分,网衣是整个网箱系统中最为关键的部件之一,不仅可以为养殖鱼类提供生长空间,还可以防止鱼类逃逸和敌害侵袭。网衣柔软的特点使得网衣在外荷载作用下极易发生运动变形,在流速较大时会加大网箱的容积损失,从而影响到养殖鱼类的正常生长。因此,研究网衣在水流作用下的运动变形和整体受力,对于深入了解网箱的耐流特征以及为网箱设置区域的选择、材料的选择作为参考具有重要的现实意义。在深水网箱养殖过程中,箱内水体的流动与鱼类生长密切相关,箱内水体的流速大小决定了网箱内部水体的交换速度,对箱内水质环境影响显著,因此网衣的减流作用研究备受关注。本文应用SPH方法和集中质量方法的基本原理,采用Fortran语言自编程序,利用数值模拟的方法对网衣与不同流速水流相互作用的水动力特征进行系统研究,以期得到计算机模拟结果与试验值比较。结果表明:在三维水槽中水流与网衣相互作用的数值模拟中,其中网衣周围流场测点流速值与试验值误差在10%左右,网衣整体受力数值模拟值与实验值误差不到3%。网衣的变形形态虽然没有试验结果对照,但是同样编写入本文中。研究论文共有五部分组成:第一部分为绪论,主要介绍论文研究背景、国内外关于水流作用下网衣水动力特征研究进展。第二部分对SPH方法的基本思想、基本理论进行介绍。第三部分对两平行板内二维均匀流(Poiseuille流)进行数值模拟,通过与级数解比较,得出采用SPH方法对二维均匀流进行数值模拟的可行性、精确性等特点。第四部分对水槽中三维均匀流采用两种SPH数值模拟方法,结果比较得知施加空间体力的SPH方法更加符合实际水槽造流过程。第五部分为基于SPH方法的平面网衣与水流相互作用的数值模拟,研究并展示了平面网衣周围流场形态、网衣受力大小以及网衣各时刻变形形态,并将模拟得到的各部分结果与试验值比较,分析了误差的原因。附录部分对上述研究内容编写的程序进行公开,一些关键技术的解决是通过编写相关程序完成,此程序公开的目的是为后面的研究人员继续研究相关课题作参考。文章最后对本文取得的主要研究成果进行了总结,同时对今后平面网衣、圆形网衣、网箱等的水动力特征研究进行了展望。
【学位授予单位】：大连海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S955.9
【图文】：

示意图,粒子,镜像,固壁面

2 SPH 方法基本理论样可以实现不可入条件和无滑移条件。该方法守恒性较好，精度较高。但自身的缺陷，除非采用很小的时间步长，否则这样处理的流体粒子会穿越边了防止流体粒子穿越边界，需在边界线上布置粒子，对内部粒子提供压力流体粒子穿越边界。但如果额外采用排斥力型的边界粒子，会破坏粒子的恒性。固边界的镜像方法如图 2-1 所示，图中下标 mir 的粒子au 为镜像粒

粒子,搜索法,二维空间,支持域

基于 SPH 方法的平面网衣与水流相互作用数值模拟研究2 2( ) ( )ij i j i jr x x y y（x，y 为粒子坐标，j=1,2,···，N，N 为粒子 i 支持域内的粒子总数。支持域半径 h要小，则粒子 j 为粒子 i 支持域内的粒子。考虑，则粒子 i 也在粒子 j 支持域内，这样粒子 i 与粒子 j 构成一对相索粒子的复杂度为2O ( N )，由于在每一个时间步内都要对每个么将要花费很大的时间在搜索粒子上面，所以这种方法只在模的情况下适用，当粒子数量很大时不宜采用该方法。

【参考文献】