本發(fā)明屬于流體仿真，具體涉及一種養(yǎng)殖網(wǎng)箱內(nèi)魚群游動與水流耦合的仿真方法。

背景技術：

1、海洋養(yǎng)殖走向深海遠岸已成為我國海洋漁業(yè)綠色高效發(fā)展的必然趨勢。截至目前，我國已建成大型深遠海養(yǎng)殖網(wǎng)箱超50座，深遠海養(yǎng)殖網(wǎng)箱的有效養(yǎng)殖水體一般可達數(shù)萬立方米，設計年養(yǎng)魚產(chǎn)量可達數(shù)千噸，可以同時養(yǎng)殖幾十萬尾海水魚，養(yǎng)殖魚群的密度較大。深遠海養(yǎng)殖網(wǎng)箱內(nèi)外流場直接關系到網(wǎng)箱所受荷載及結構安全，也會影響到網(wǎng)箱內(nèi)外的飼料顆粒、溶解氧、魚類排泄物的輸運效率。而網(wǎng)箱是一種透水結構物，其內(nèi)外的流場特性較為復雜；尤其是在網(wǎng)箱內(nèi)高密度魚群的影響下，要實現(xiàn)網(wǎng)箱內(nèi)外流場特性的準確分析是行業(yè)公認的一項技術難題。

2、現(xiàn)有技術中已有對養(yǎng)殖網(wǎng)箱內(nèi)部及周圍流場的仿真方法，例如中國專利cn105868466a公開了一種柔性網(wǎng)衣結構的精細化流固耦合三維數(shù)值模擬方法，cn103235878a公開了一種柔性網(wǎng)衣對波浪傳播影響的模擬方法；但是沒有考慮到魚群游動影響下養(yǎng)殖網(wǎng)箱內(nèi)部及周圍流場的仿真。現(xiàn)有技術中針對單個或有限數(shù)量的魚體游動與其周圍流體相互作用的仿真技術，例如中國專利cn103412991a公開的一種網(wǎng)箱對水流影響的模擬方法以及cn118052166a公開的一種循環(huán)水養(yǎng)殖池內(nèi)魚群運動對流場分布影響的模擬方法，雖然涉及到魚群影響，但由于養(yǎng)殖網(wǎng)箱內(nèi)的魚群數(shù)量多、密度大，能實現(xiàn)對高密度魚群與水流耦合作用的高效分析方法尚未見報道。

3、上述現(xiàn)有技術無法實現(xiàn)魚群游動影響下網(wǎng)箱內(nèi)外流場的準確計算，存在計算效率低、計算精度低等問題，方法不成熟，一些關鍵參數(shù)的缺點依賴經(jīng)驗。盡管已有發(fā)明提出利用多孔介質模型模擬循環(huán)水養(yǎng)殖池內(nèi)魚群運動對流場分布影響，但其對多孔介質系數(shù)的討論是不足的，不適用于模擬魚群運動對養(yǎng)殖網(wǎng)箱內(nèi)部和外部的流場的影響。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術中存在的上述問題，建立一套科學完整的魚群與流場耦合計算方法，實現(xiàn)網(wǎng)箱內(nèi)高密度魚群與水流的耦合作用的高效分析，提出了一種養(yǎng)殖網(wǎng)箱內(nèi)魚群游動與水流耦合的仿真方法，實現(xiàn)網(wǎng)箱內(nèi)外流場的準確分析，對網(wǎng)箱結構安全分析、養(yǎng)殖容量優(yōu)化、投飼策略制定等具有重要的指導作用。

2、本發(fā)明的技術方案是：

3、一種養(yǎng)殖網(wǎng)箱內(nèi)魚群游動與水流耦合的仿真方法，包括以下步驟：

4、(1)將單體魚運動模型與網(wǎng)衣模型進行耦合，通過數(shù)值計算獲得單體魚受力；

5、(2)基于單體魚受力獲得整個網(wǎng)箱魚群受力，進而計算出魚群多孔介質模型的多孔介質系數(shù)；

6、對網(wǎng)箱中數(shù)量龐大的養(yǎng)殖魚群做如下簡化：

7、a、假設網(wǎng)箱中的魚體規(guī)格相同、相互之間無影響；

8、b、當魚群迎流游動時，假設它們在網(wǎng)箱中全部迎流排列，且均勻分布；

9、c、當魚群以圓周模式游動時，假設它們沿徑向間隔相等，在垂直方向上均勻分布；

10、基于上述假設，魚群的受力與魚群的數(shù)量成正比例關系，魚群在x、y、z三個方向的受力滿足ffish-school＝n×ffish；

11、基于上述假設，在魚群所在區(qū)域添加一個假想的體積力源項來近似魚群的阻流效果，并借助多孔介質模型來實現(xiàn)，其公式表達如下：

12、

13、式中，ffish-school為實體模型計算魚體的受力，fporous為源項模型表示的魚體受力，ρ為流體密度，u為流體速度，λ為多孔介質厚度，a為多孔介質區(qū)域面積，在源項模型中λa可由魚群所在的養(yǎng)殖水體vwf表示；cij進一步表示為：

14、

15、(3)建立網(wǎng)箱與運動魚群耦合的多孔介質模型，利用多孔介質模型進行受力計算；

16、利用多孔介質模型進行受力計算時，考慮到多孔介質模型將實體結構對水流的阻礙作用簡化為流體上的均布阻力，導致多孔的實體結構未能得到具體體現(xiàn)，無法直接進行受力分析；為解決這一問題，依據(jù)牛頓第二定律，采用控制體積分析法對方程進行離散化處理，并對多孔介質區(qū)域的加速度進行積分，進而得到多孔介質區(qū)域的受力，公式表達如下：

17、

18、式中，m為單位控制體的質量，f為外力合力；

19、當來流速度不變時，動量方程在x方向上的分量表示成：

20、

21、式中，fd為阻力，cs為沿控制體的表面進行積分，a為多孔介質區(qū)域的迎流面積；

22、上述公式在y，z方向同樣適用；

23、根據(jù)莫里森公式，阻力系數(shù)cd可表示為：

24、

25、進一步的，所述步驟(1)中建立單體魚運動模型，魚體擺動為鲹科運動模式，其波動方程為：

26、

27、式中，y為魚體中線各點的擺動位置，是時間t和位置x的參數(shù)(魚頭坐標為(0,0))，α(x)為擺幅的參數(shù)方程，k為波長相關量，f為頻率相關量，a表示振幅，為初始相位，參數(shù)l表示魚體擺動開始位置，l表示魚體長度。

28、進一步的，所述步驟(1)中基于多孔介質模型建立網(wǎng)衣模型，其公式表達如下：

29、

30、式中，si是i向(x,y,z)動量源項，uj為來流速度，μ為流體的動力粘度，dij和cij為多孔介質模型的系數(shù)矩陣，dn表示法向粘性阻力系數(shù)，dt表示切向粘性阻力系數(shù)，cn表示法向慣性阻力系數(shù)，ct表示切向慣性阻力系數(shù)；

31、當水流經(jīng)過多孔介質區(qū)域時，作用在該多孔介質區(qū)域上的力f由下式計算：

32、f＝siλa????????????????????????(5)

33、將方程(3)代入(5)得到多孔介質結構所受的水流阻力fd和升力fl的表達式：

34、

35、式中，λ為多孔介質厚度，a為多孔介質區(qū)域面積；

36、當平面網(wǎng)衣位于空間任意位置時，網(wǎng)衣模型對應的多孔介質系數(shù)應由下式進行轉換：

37、

38、式中，β是平面網(wǎng)衣的法向量n與z軸的夾角，α和β的正弦、余弦值分別用對應的兩個向量來表達。

39、進一步的，所述步驟(1)將單體魚運動模型與網(wǎng)衣模型進行耦合：

40、數(shù)值水槽的入口處采用速度入口邊界條件，右側出口采用壓力出口條件，水槽兩側設置為對稱邊界，底部設置為無滑移壁面，頂部設置為零剪切力壁面，魚體表面設定為不可滑移邊界；計算網(wǎng)格采用重疊網(wǎng)格方法，其中背景網(wǎng)格包括水槽和多孔介質簡化的網(wǎng)片，采用結構化的六面體網(wǎng)格劃分；前景網(wǎng)格為魚體所在的加密區(qū)域，采用非結構化的四面體網(wǎng)格劃分。

41、進一步的，為保證計算精度，采用邊界層網(wǎng)格對魚體周圍三維網(wǎng)格進行加密。

42、進一步的，所述步驟(1)中，采用有限體積法求解流體控制方程，采用sst?k-ω湍流模型來求解計算網(wǎng)衣周圍流場的控制方程；

43、計算中，數(shù)值模型的控制方程采用有限體積法進行離散；計算過程中，將連續(xù)方程、流速分量、湍動能k和比耗散率ω的殘差收斂標準設為10-3，在計算收斂至此標準時，結束迭代過程。

44、本發(fā)明的有益效果：

45、(1)基于現(xiàn)有技術中有對養(yǎng)殖網(wǎng)箱內(nèi)部及周圍流場的仿真方法，但它們都不能實現(xiàn)魚群游動影響下養(yǎng)殖網(wǎng)箱內(nèi)部及周圍流場精確模擬的問題，本發(fā)明運用了動網(wǎng)格的方法并通過udf宏文件實現(xiàn)了魚類運動和網(wǎng)箱網(wǎng)片及周圍流場的耦合作用。

46、(2)基于現(xiàn)有技術中有對單個或有限數(shù)量的魚體游動與其周圍流體相互作用的仿真技術，但養(yǎng)殖網(wǎng)箱內(nèi)的魚群數(shù)量多、密度大，不能實現(xiàn)對高密度魚群與水流耦合作用的高效分析的問題，本發(fā)明應用多孔介質模型來簡化和模擬魚群和網(wǎng)衣，在保留魚群關鍵特性的同時，極大地提高了計算效率，實現(xiàn)了魚群在不同的運動狀態(tài)、垂向分布形式、放養(yǎng)密度下與網(wǎng)箱水動力特性的相互作用。

47、(3)基于現(xiàn)有技術中有利用多孔介質模型模擬循環(huán)水養(yǎng)殖池內(nèi)魚群運動對流場分布影響的仿真技術，但其對多孔介質系數(shù)的討論是不足的，不適用于模擬魚群運動對養(yǎng)殖網(wǎng)箱內(nèi)部和外部的流場的影響的問題，本發(fā)明建立了魚類運動與養(yǎng)殖網(wǎng)箱流場耦合作用的數(shù)學模型，基于計算流體動力學(cfd)方法實現(xiàn)了魚類運動和網(wǎng)箱網(wǎng)片及周圍流場的耦合作用的精確模擬，獲得單體魚的受力，以此計算魚群(即多孔介質模型)的多孔介質系數(shù)，在確保計算模型準確性的同時降低了養(yǎng)殖網(wǎng)箱內(nèi)數(shù)量龐大的魚群運動的模擬復雜性，實現(xiàn)魚群游動影響下養(yǎng)殖網(wǎng)箱內(nèi)部及周圍流場的精確模擬。