夏夢(mèng)清，呂 明，潘華辰

(杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

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差熱式人工上升流的數(shù)值模擬

夏夢(mèng)清，呂 明，潘華辰

(杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

本文通過(guò)數(shù)值模擬方法研究了一種新的人工上升流技術(shù)——差熱式人工上升流，通過(guò)對(duì)差熱式人工上升流的理論分析，利用經(jīng)典計(jì)算流體力學(xué)軟件FlUENT建立合理的數(shù)值模型，模擬分析上升流的流場(chǎng)，并探討不同工況下差熱式人工上升流流場(chǎng)的變化規(guī)律，得到不同的加熱功率與上升流上升速度、有效橫截面積以及流量等特性參數(shù)之間的關(guān)系.增大加熱功率能夠提高上升流上升速度，增加有效橫截面積和流量，有利于上升流的產(chǎn)生，不過(guò)隨著加熱功率的加大有利的效果會(huì)減弱.

人工上升流；差熱；計(jì)算流體力學(xué)

0 引 言

上升流能夠?qū)⑸詈Ｖ胸S富的營(yíng)養(yǎng)鹽帶至海洋表面，再經(jīng)光合作用產(chǎn)生大量浮游生物，該海域就會(huì)成為適合魚類等海洋生物生存的環(huán)境[1]，透光層內(nèi)海水營(yíng)養(yǎng)成分的補(bǔ)充是改善海水魚類食物鏈的環(huán)境條件和海水野生魚類自然增產(chǎn)的關(guān)鍵，所以世界上主要漁場(chǎng)大多分布在上升流發(fā)生頻繁的海域[2].

近年來(lái)，全球近海生態(tài)環(huán)境惡化，漁業(yè)資源衰退[3].自然海洋上升流存在季節(jié)性和區(qū)域性的缺點(diǎn)[4-5]，人工上升流可以彌補(bǔ)自然上升流在時(shí)間和空間上的局限性，在改善海洋環(huán)境和增殖漁業(yè)資源等方面發(fā)揮重大作用.除此以外，上升流被發(fā)現(xiàn)能夠減少人為二氧化碳在大氣中的積聚[6].

在過(guò)去的幾十年里，世界各地都開始對(duì)人工上升流進(jìn)行研究，并取得了許多研究成果.日本研制出一種名為“拓?！钡娜斯ど仙餮b置，該裝置采用浮在海上的大型海洋平臺(tái)，以水泵吸水的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)海底營(yíng)養(yǎng)鹽的提升[7-8]，耗資耗能巨大，效率低下，所形成的人工上升流效果并不理想.文獻(xiàn)[9-12]提出利用波浪泵配合單向閥門用抽吸的方式來(lái)抽取深層海水形成上升流.波浪泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、價(jià)格低廉、采用綠色可持續(xù)能源，但其流量有限，提升效率不高，無(wú)法滿足海洋生產(chǎn)對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽提升的要求.

文獻(xiàn)[13]提出一種基于“鹽指現(xiàn)象”原理的人工上升流裝置.所謂“鹽指現(xiàn)象”是指在許多熱帶和亞熱帶海域，表層海水的溫度、鹽度均高于底層海水，從而令一部分鹽度較高的海水呈指狀下沉，而驅(qū)使鹽度較低的底層海水上升產(chǎn)生上升流.“鹽指”上升流裝置無(wú)需任何能量，只需在海洋中插一些豎管，并提供初始的管涌，因此節(jié)能環(huán)保.但該裝置可靠性低，不能保證在作業(yè)海域全時(shí)空形成上升流.

文獻(xiàn)[14]基于氣力液體提升理論提出了水下注氣式人工上升流技術(shù).該技術(shù)將壓縮空氣打入海中形成氣泡群，氣泡在浮升力的作用下向上運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)周圍海水向上運(yùn)動(dòng)，形成上升流.文獻(xiàn)[15-16]將水下注氣人工上升流技術(shù)嘗試應(yīng)用于芬蘭赫爾辛基市新港的破冰工程，文獻(xiàn)[17]研究了氣泡參數(shù)對(duì)上升流流量的影響，文獻(xiàn)[18]冷金英等人研究了氣力人工上升流對(duì)水體溫度的影響，文獻(xiàn)[19]對(duì)空氣提升泵的性能開展了實(shí)驗(yàn)研究.

文獻(xiàn)[20]出了一種利用溫差來(lái)產(chǎn)生人工上升流的技術(shù)——差熱式人工上升流技術(shù).該技術(shù)通過(guò)人工的方式加熱較深處低溫水層的海水，在低溫水層形成局部熱溫區(qū)，根據(jù)流體力學(xué)原理，流體內(nèi)的溫度梯度會(huì)引起密度梯度，通常高溫流體密度低，低溫流體密度高，因此熱溫區(qū)的低密度海水將在因密度梯度而產(chǎn)生的浮升力作用下自然上升，產(chǎn)生上升流.

本文對(duì)不同工況下的差熱式人工上升流系統(tǒng)開展數(shù)值模擬研究.研究在典型初始水溫的條件下，加熱功率和距熱源高度與上升流上升速度、有效橫截面積以及上升流流量等特性參數(shù)之間的關(guān)系.通過(guò)這些工作的開展能為差熱式人工上升流技術(shù)未來(lái)的研究提供幫助.

1 數(shù)值模型方法

1.1 流體場(chǎng)控制方程

流場(chǎng)海水可看作粘性不可壓縮流體，其控制方程的一般形式為：

(1)

式中，U為速度矢量，ρ為流體密度，φ為通用變量，Γφ為廣義擴(kuò)散系數(shù)，Sφ為廣義源項(xiàng)[21].令φ=1便得到連續(xù)性方程，令φ={u，v，w，k，ω}便得到動(dòng)量守恒方程和湍流模型方程，其符號(hào)含義可參見(jiàn)有關(guān)文獻(xiàn).

1.2 幾何模型和計(jì)算網(wǎng)格

本文在水箱里研究不同工況下的差熱式人工上升流.模型主體由兩部分所組成，其一為700 mm×400 mm×500 mm的實(shí)驗(yàn)水箱.其二為一個(gè)半徑為7 mm，高度為75 mm的圓柱形加熱棒.圓形加熱棒垂直豎立在水箱底面的中心位置.

因?yàn)閹缀文Ｐ拖鄬?duì)規(guī)則，所以采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，而且結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成速度快、質(zhì)量好，計(jì)算時(shí)占用計(jì)算機(jī)資源少.本文采用專業(yè)的網(wǎng)格生成器軟件Gridgen對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分.

差熱式人工上升流涉及傳熱問(wèn)題，在網(wǎng)格的處理上對(duì)模型的中心區(qū)域和近壁面區(qū)域進(jìn)行了加密處理，如圖1所示.對(duì)熱源附近的區(qū)域進(jìn)行加密，形成邊界層；產(chǎn)生上升流的主要區(qū)域集中在熱源及熱源上方軸線附近，該區(qū)域的流速、溫度變化梯度比較大，是本文研究的重點(diǎn)區(qū)域，所以該區(qū)域的網(wǎng)格相對(duì)設(shè)置較密，向外逐漸稀疏.此外，水箱壁面處的速度梯度較大，存在壁面效應(yīng)，同樣進(jìn)行加密處理.

對(duì)面網(wǎng)格進(jìn)行劃分以后，在豎直方向上進(jìn)行拉伸，進(jìn)而得到整個(gè)計(jì)算域的體網(wǎng)格，總體網(wǎng)格數(shù)約為40萬(wàn)，當(dāng)提高到100萬(wàn)左右時(shí)，計(jì)算結(jié)果并未發(fā)生明顯變化，可以認(rèn)為40萬(wàn)的網(wǎng)格符合計(jì)算要求，滿足網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證的要求，如圖2所示.

圖1 中心區(qū)域和近壁面區(qū)域加密后的網(wǎng)格

圖2 整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格的劃分

1.3 數(shù)值模型和邊界條件

本文在模擬計(jì)算時(shí)，使用了商業(yè)CFD軟件ANSYS 14.0的組件FLUENT.差熱式人工上升流是自然對(duì)流現(xiàn)象，屬于低雷諾數(shù)的湍流流動(dòng)，所以本文對(duì)上升流的數(shù)值模擬選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，采用壁面函數(shù)，該模型適用于自然對(duì)流的模擬，在實(shí)際工程中，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的應(yīng)用十分廣泛，模擬結(jié)果較為可靠.

數(shù)值模擬中材料使用液態(tài)水，利用Fluent中的piecewise-liner模塊自定義水的參數(shù)，包括水的密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)和粘度隨溫度變化的關(guān)系[22].水的參數(shù)隨溫度的變化情況如表1所示.

表1 水的參數(shù)隨溫度的變化

水箱四周表面和底面設(shè)為固壁，熱條件為固定溫度即環(huán)境溫度，本文環(huán)境水溫設(shè)為20 ℃；熱源的側(cè)表面設(shè)為固壁，熱條件為固定熱通量，其值根據(jù)加熱功率而定；熱源上表面設(shè)為固壁，絕熱條件；水體的上表面設(shè)為光滑的墻面，熱條件為固定溫度，即環(huán)境水溫.

數(shù)值模擬的算法選擇SIMPLE，求解Pressure方程的離散格式為Standard.計(jì)算中時(shí)間步長(zhǎng)為0.01，每一時(shí)間步迭代的最大步數(shù)為20.當(dāng)計(jì)算收斂，速度場(chǎng)波動(dòng)很小且形成回流時(shí)，認(rèn)為形成了穩(wěn)定的上升流，隨后在這基礎(chǔ)上計(jì)算出差熱式人工上升流的平均速度場(chǎng).

2 模擬結(jié)果與討論

本節(jié)通過(guò)數(shù)值模擬分析了差熱式人工上升流的流場(chǎng)基本特性.主要考察了在相同的初始溫度下(20 ℃)條件下，不同的熱源加熱功率(即100 W，200 W，300 W，400 W)對(duì)上升流的上升特征速度、上升流有效橫截面積及上升流流量3個(gè)特性參數(shù)的影響規(guī)律.

2.1 差熱式人工上升流流場(chǎng)

本文通過(guò)后處理軟件Tecplot可以觀察模擬結(jié)果，如圖3所示，差熱式人工上升流流場(chǎng)呈倒圓錐形，主要的流場(chǎng)區(qū)域在熱源正上方，并且在水面下方80 mm的高度出現(xiàn)渦流.相同的初始水溫的條件下，不同的加熱功率所產(chǎn)生的上升速度有明顯的差異，加熱功率越高，上升速度越快.比較模擬結(jié)果和文獻(xiàn)[23]所研究相同工況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，差熱式人工上升流的流場(chǎng)云圖與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，上升速度數(shù)值上雖然整體略為偏小，但上升特征速度隨高度變化的趨勢(shì)完全一致，說(shuō)明模型在特性描述上是比較準(zhǔn)確的.

2.2 上升流上升特征速度變化規(guī)律

上升流的Y方向速度是指上升流速度的Y方向分量，其正方向表征了垂直向上方向.為了分析上升流流場(chǎng)在不同高度的上升速度特性，以平均流場(chǎng)中上升流流束在不同高度截面上位于熱源中心軸線上的點(diǎn)所具有的Y方向速度來(lái)表征，簡(jiǎn)稱之為“上升特征速度”，截面上的上升特征速度實(shí)際上代表了該截面所具有的最大上升速度.

圖3 初始水溫為20 ℃時(shí)，不同加熱功率下，上升流豎直截面Y方向速度云圖和矢量圖

圖4 不同加熱功率條件下，上升特征速度隨高度變化曲線

由圖4可知：

1)在相同初始水溫和加熱功率的條件下，上升流上升特征速度隨著距離熱源高度的增加先增大后減小并在一定高度范圍下降趨勢(shì)變緩，最后在接近水面附近區(qū)域又迅速降低.在所計(jì)算的4種工況下，上升特征速度的最大值都在距離熱源高50～100 mm的范圍內(nèi)出現(xiàn).

2)在相同初始水溫和相同高度的條件下，加熱功率高的上升流上升特征速度明顯要高于加熱功率低的工況.其中加熱功率(100 W)工況的上升流上升特征速度與加熱功率(200 W)工況差距額度最大，加熱功率(400 W)工況的上升流上升特征速度與加熱功率(300 W)工況差距額度相對(duì)最小.即在相同初始水溫、一定的加熱功率范圍內(nèi)，隨著加熱功率的增大，同等高度的上升流上升特征速度會(huì)增大，并且增大的幅度會(huì)逐漸減小.

2.3 上升流有效橫截面面積變化規(guī)律

圖5 不同加熱功率條件下，上升流有效橫截面積隨高度變化曲線

上升流有效橫截面面積是指水平截面上具有正Y方向速度(即上升速度)的區(qū)域總面積.在本文中，為了方便統(tǒng)計(jì)，規(guī)定正Y方向的速度大于0.01 m/s的區(qū)域?yàn)樯仙饔行^(qū)域.

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，在20 ℃的初始水溫以及4種不同加熱功率條件下，上升流有效橫截面面積隨高度的變化曲線如圖5所示.

由圖5可知：

1)在相同初始水溫和加熱功率的條件下，上升流有效橫截面積隨著距離熱源高度的增加而增大，最后在快接觸水面的區(qū)域迅速減小.在所考察的4種工況中，當(dāng)距離熱源高度在350 mm以下時(shí)，上升流有效橫截面積隨著高度的增加而增大的速度加快.在接近水面區(qū)域的上升流有效橫截面積反而減小，主要因?yàn)槠浣孛鎯?nèi)大部分區(qū)域上升速度過(guò)小而不在統(tǒng)計(jì)速度區(qū)間的范圍內(nèi).因此在接近水面的區(qū)域(在本文模型條件下可視之為距離熱源高度高于350 mm到水面的這段區(qū)域)，上升流有效橫截面積與真實(shí)的上升流流束橫截面情況存在差異.在水表面上因?yàn)樯仙俣葹榱?，因此該處的有效橫截面積為零.

2)在相同初始水溫和相同高度的條件下，加熱功率越高的上升流有效橫截面積總體要高于加熱功率低的工況.其中加熱功率(100 W)工況的有效橫截面積與加熱功率(200 W)工況差距額度最大，加熱功率(400 W)工況的上升流有效橫截面積與加熱功率(300 W)工況差距額度相對(duì)最小，以距離熱源高度350 mm為例，加熱功率(100 W)橫截面積為64.7 cm2、加熱功率(200 W)橫截面積為77.8 cm2、加熱功率(300 W)橫截面積為82.9 cm2、加熱功率(400 W)橫截面積為85.7 cm2，在一定的加熱功率范圍內(nèi)，隨著加熱功率的增大上升流有效橫截面積會(huì)有所增大，但是增大的幅度會(huì)逐漸減小.

2.4 上升流流量的變化規(guī)律

上升流流量是通過(guò)統(tǒng)計(jì)上升流有效面域的流量而獲得的.即：

(2)

圖6 不同加熱功率條件下，上升流流量隨高度變化曲線

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，在20 ℃的初始水溫以及4種不同加熱功率條件下，上升流流量隨高度的變化曲線如圖6所示.

由圖6可知上升流流量與上升流有效橫截面積隨高度的變化趨勢(shì)是一致的.

1)在相同初始水溫和加熱功率的條件下，上升流流量隨著距離熱源高度的增加而增大，最后在快接觸水面的區(qū)域迅速減小.在所考察的3種工況中，當(dāng)距離熱源高度在350 mm以下時(shí)，上升流流量隨著高度的增加而增大的速度加快.在接近水面的區(qū)域，由于計(jì)算所用的上升流有效橫截面積與真實(shí)情況存在差異，因此該區(qū)域所計(jì)算得到的上升流流量只能作為參考.

2)在相同初始水溫和相同高度的條件下，對(duì)于上升流流量，加熱功率越高的上升流流量總體要高于加熱功率低的工況.其中加熱功率(100 W)工況的有效橫截面積與加熱功率(200 W)工況差距額度最大，加熱功率(400 W)工況的上升流有效橫截面積與加熱功率(300 W)工況差距額度相對(duì)最小.在一定的功率范圍內(nèi)，隨著加熱功率的增大上升流流量會(huì)有所增大，但是增大的幅度會(huì)逐漸減小.總體而言，在相同初始水溫下，加熱功率的提高對(duì)于上升流的產(chǎn)生是有利的.

3)在設(shè)計(jì)工況條件下，最大上升流流量可以達(dá)到164.29 cm3/s.

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)差熱式人工上升流的一些主要特性開展了基礎(chǔ)性研究，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：本文所建立的差熱式人工上升流數(shù)值模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相印證進(jìn)一步表明了其紊流特性.整體上，上升流的上升特征速度隨著距離熱源高度的增加先增大后減??；上升流流束的有效橫截面積與上升流流量隨高度的變化趨勢(shì)一致，均隨著高度的增加先增大后減??；在相同環(huán)境下，增加加熱功率能夠提高上升流上升速度、流量等，從而對(duì)于上升流的產(chǎn)生是有利的，不過(guò)隨著加熱功率的加大其有利的效果會(huì)逐漸減弱.在本文設(shè)計(jì)工況條件下，所獲得的最大上升流流量可以達(dá)到164.29 c m3/s.本文的研究結(jié)果進(jìn)一步闡釋了差熱式人工上升流在開放環(huán)境下的流場(chǎng)特征，其人工上升流系統(tǒng)數(shù)值模型的建立方法為后續(xù)各種特殊環(huán)境下的差熱式人工上升流特性以及未來(lái)海洋環(huán)境下大型工程應(yīng)用的數(shù)值模擬研究提供了基礎(chǔ).下一步，本文將考慮在閉式環(huán)境下對(duì)差熱式人工上升流開展數(shù)值模擬研究，以考察在有限空間內(nèi)上升流的流動(dòng)與傳熱特性.

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The Numerical Simulations of Differential Heating Liquid Upwelling

XIA Mengqing, Lü Ming, PAN Huachen

(SchoolofMechanicalEngineering,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

With numerical analysis, this paper studied a new artificial upwelling technology-differential-heating-liquid-upwelling(DHLU). The numerical model of DHLU was built on the theoretical analysis. And the characteristics of upwelling flow field were analyzed by the CFD software-ANSYS FLUENT. Results showed that the flow rate of upwelling, the cross-section area and the rising velocity all increased as the heating power increased. But as the heating power increased, the effect of improving upwelling weakened gradually.

artificial upwelling; differential heating; Computational Fluid Dynamics

10.13954/j.cnki.hdu.2016.06.011

2016-05-16

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51209062)；浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LY16E090006)

夏夢(mèng)清(1993-)，男，安徽亳州人，碩士研究生，機(jī)械工程.通信作者：呂明副教授，E-mail：lvmingcn@163.com.

P741

A

1001-9146(2016)06-0050-07