水动力学条件对鱼类生长影响的试验研究_刘稳
基于FLUENT的摆动尾鳍水动力特性研究
基于FLUENT的摆动尾鳍水动力特性研究韩路辉;陈维山;刘军考;夏丹【摘要】根据水动力学理论,提出了摆动尾鳍的水动力学模型,利用Fluent的动网格技术,探讨了最大击水角度以及摆动与平动对尾鳍水动力性能的影响.研究结果表明,鱼类的逃逸姿态与其巡游姿态分别对应不同的参数.在相位差固定的情况下,鱼类可以很容易地在两种姿态间切换.研究内容为进一步探讨鱼类如何兼顾各种游动姿态,研制新型高效仿鱼机器人提供了理论依据.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2010(000)005【总页数】3页(P204-206)【关键词】计算流体力学;水动力性能;动网格;尾鳍【作者】韩路辉;陈维山;刘军考;夏丹【作者单位】哈尔滨工业大学,机器人技术与系统国家重点实验室,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学,机器人技术与系统国家重点实验室,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学,机器人技术与系统国家重点实验室,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学,机器人技术与系统国家重点实验室,哈尔滨,150001【正文语种】中文【中图分类】TH16;TV131.2;O351 引言水下推进器在海洋环境研究，资源探测等民用领域，及海洋军事领域有着广阔的应用前景和巨大的潜在价值[1]。
经过进化，鱼类采用的尾鳍推进模式具有的高机动性和高效率是目前任何推进系统所无法比拟的[2]。
但对其水动力特性的研究至今仍没有统一完善的结论。
Taylor[3]（1959）建立了研究鱼类游动的“抗力水动力学模型”。
Wu（1961）[4]首先提出了“二维波板理论”，Lightill[5]（1969-1971）提出了用于分析鲹科方式游动的“细长体理论”。
Weihs[6]（1972）基于细长体理论讨论了鱼的转弯和快速起动问题。
这里着重对流线型尾鳍的最大击水角度以及摆动与平动相位差两个主要运动参数进行仿真研究，通过对比分析，确定出了较为高效的运动参数。
为进一步探讨防尾鳍推进器的推进机制提供理论指导。
水下仿生机器鱼的研究进展IIIDD水动力学实验研究概要
文章编号 2 2 2水下仿生机器鱼的研究进展水动力学实验研究Ξ梁建宏王田苗魏洪兴陶伟北京航空航天大学机器人研究所北京摘要作为仿生推进技术研究的一个主要环节仿生机器鱼平台的实验测试研究具有重要的意义本文建立了一套比较系统完整的机器鱼水动力学定性观察定量测量的实验环境并进行了速度功率参数影响测定实验! 鱼体流动显示实验和鱼体运动阻力测定实验关键词机器鱼功率测试流动显示阻力测试中图分类号 ×°文献标识码ΥΝΔΕΡΩΑΤΕΡΡΟΒΟΦΙΣΗΡΕΣΕΑΡΧΗΠΡΟΓΡΕΣΣΙΙΙ ΗΨΔΡΟΔΨΝΑΜΙΧΣΕΞΠΕΡΙΜΕΝΤΣΟΦΡΟΒΟΦΙΣΗ2 • × 2 •∞ 2¬ × •ΡοβοτιχΙνστιτυτε ΥνιϖερσιτψοφΑεροναυτιχσανδΑστροναυτιχσ ΒειϕινγΑβστραχτ ∏ ¬ ∏× ∏ ¬ ∏ √ ∏ √ √ ∏ √ ∏ √ ¬ ∏ √ ¬ 2 √ ¬ ∏ ƒ √ ∏ ∏ Κεψωορδσ ∏ √ ∏ ∏1 引言Ιντροδυχτιον对水生动物的流体力学研究始于二十世纪六十年代近年来随着仿生学的发展人们对海洋生物高超的推进能力有了新的认识并试图通过先进的实验设备和手段解释鱼类独具的高效! 高机动性的推进机理年率先对体形瘦长以鳗鲡模式游动的游鱼提出了细长体模型得到了定常线性化解≈ 年加州理工大学的× ≠ •提出了二维波动模型加入了前缘吸力及尾缘尾迹的作用对于以鱼参科模型和月牙尾推进的情形波状摆动主要集中于后体而后体段逐渐缩小形成尾柄然后连接展长较大的尾鳍波幅剧烈增大基于线化理论的解体方法已不能处理研究主要用实验方法典型的工作是 ×的×等有关水翼二维翼剖面作的摆动的实验≈ 表明在一定的频率! 振幅等参数组合下推进效率可以接近他们还用物体在摆动水翼前产生尾涡以模拟鱼身的尾迹表明了摆动尾鳍可利用这些旋涡进一步提高推力和推进效率使得人们对鱼类的高效推进机理的认识提高了一大步对于急剧激动如爆发启动! 快速转弯的鱼类也有了一些研究• 等人年用⁄°∂方法的流动显示方法显示了产生快速机动时伴随有体涡与尾鳍的相互作用≈年 ×的等对摆动鱼体的减阻进行了研究他们对自行研制的一条实验用的自由度仿生机器鱼在水槽中进行了拖曳实验≈ 测试了阻力降低的效果对于五个参数即相位角波长冲击角尾迹宽度≥ ∏ 数的变化所受的影响证明阻力降低对两个因素敏感一个是身体的波动速第卷第期年月机器人ΡΟΒΟΤ∂ ∏Ξ基金项目中国科学院机器人学开放研究实验室基金资助项目收稿日期度要超过运动速度另一个是≥ ∏ 数只能在一定范围内运动在一定条件下阻力最大可以降低约他们同时运用数字仿真对流场进行了仿真这次实验得到的许多有用结果对于鱼体游动机理的实验和理论研究有着非常重要的意义为了研制高速! 高效和高机动的微小机器鱼还有许多工作要做例如上述有关水翼高效推进的工作中考虑的是二维剖面其可代表大展弦比尾鳍却未计及/月牙形0的作用再如快速机动问题的研究中虽然揭示了快速转弯和漩涡产生有关联但解释都是定性的此外运动鱼的复杂三维非定常流动的实验室定量实验观测仍存在不少技术难点仍被认为是一种很大挑战性的问题作为仿生推进机理研究的一个主要环节仿生机器鱼的实验测试研究具有重要的意义目前国内尚未开展这方面的工作本文针对最近研制的小型机器鱼实验平台建立了一套比较系统完整的机器鱼水动力学定性观察定量测量的实验环境并进行了速度功率参数测定实验! 鱼体流动显示实验和鱼体运动阻力测定实验速度功率参数测定实验通过测量仿生机器鱼在不同的游动参数如相对波长! 频率! 摆动幅度情况下的游动速度和消耗的功率评价上述方程参数对于游动性能的影响鱼体流动显示实验则通过观察仿生机器鱼在不同摆动频率和振幅状态下的动态流场观察水流的漩涡分离获取鱼的摆动推进深层次机理阻力测定实验通过测定鱼体静态时在不同水流速度下的阻力以评估鱼体游动在不同参数的影响下游动的效率2速度功率测试实验Ποωερανδϖελοχιτψμεα−συρεμεντσ2 1 实验系统构成实验在北京航空航天大学水洞实验室进行该水洞为低速水洞速度范围∗米Ù秒工作截面≅米是循环封闭式水洞整个实验系统由机器鱼实验平台! 控制系统和数据采集系统组成如图所示图功率速度测试系统图ƒ ° √ ∏在本实验中鱼体采用相对波长ν不同的方程测试了在不同频率下鱼体游动的速度以及消耗的功率对相对波长ν! 频率与游动效果的关系进行了初步研究实验方程包含两种自由度的方程分别是自由度和自由度其中自由度是在自由度鱼体的基础上用软件锁定了第一! 二! 三自由度实现的数据通过攻角和摆动关系计算出来自由度采用相对波长ν分别为 Ù Ù Ù 的四个方程其中 Ù 的方程还采用了小振幅和大振幅两种每个频率挑选了四个频率进行实验测定速度和功率另外同时实验了手控器内单片机储存的方程这些方程相对波长为但是幅度要大于普通前述方程采用了运行效果相对较好的六种频率实验中机器鱼完全没入水面以下包括尾鳍约水流速度稳定基本稳定后进行速度和功率测定2 2 实验数据分析2 2 1 同频率变相对波长鱼体自由度稳定运行的各摆动方程中当振第卷第期梁建宏等水下仿生机器鱼的研究进展水动力学实验研究幅和频率保持不变时速度和功率数值随着身体的相对波长的增加而加大其中速度数值还近似与相对波长成正比例增长图和图是相对波长为的各方程中频率为赫兹时此种频率下鱼体运行非常稳定不会出现侧向的晃动的速度和功率随相对波长改变的曲线图等频率条件下波长2速度曲线ƒ • √ 2√ ∏ √ ∏图等频率条件下波长2功率曲线ƒ • √ 2√ ∏ √ ∏速度相对波长函数关系中经过对实验点进行最小二乘法的线性回归直线拟合即根据公式计算出ψ ξ 其中ξ为相对波长是个无量纲数ψ的单位是 Ù为速度和相对波长的关系 2 2 2 等相对波长变频率鱼体游动过程中当振幅和相对波长保持不变时随着频率的增加鱼体的速度和功率都会增加图和图是在实验标准振幅和相对波长为 Ù 时鱼体的速度和功率随频率变化的情况可以比较明显的看出速度和功率都在随着频率的增加而逐渐增加但是在图中当频率为赫兹的时候虽然消耗的功率较频率为赫兹的方程消耗的功率多但是相应的速度反而下降这主要是存在着当频率达到某一频率的时候鱼体摆动的非常剧烈输入的功率大量转移成为鱼体中前部的剧烈晃动前进推力大大降低鱼体速度下降图等波长条件下频率2速度关系ƒ ƒ ∏ 2√ ∏ √ √图等波长条件下频率2功率关系ƒ ƒ ∏ 2 ∏ √ √2 23 某个频率下发生的剧烈晃动鱼体本身的稳定性起着非常重要的作用鱼体摆动的过程中可能存在着某一个谐振频率在这个频率下鱼体的摆动会造成鱼身的强烈晃动造成输入的功率大量消耗在头部和中前部的晃动上致使鱼体产生的前进推力不足和阻力的加大在这种情况下虽然消耗的功率仍然比着前一频率在增大但是速度反而下降在此次实验的过程中在每个方程选定的四个频率中各波长的方程都是在频率为时发生强烈的晃动说明了这一频率的存在不受波长以及振幅和自由度等因素的影响3 流场显示实验Φλοωϖισυαλιζατιονρεσυλτσ流动显示的任务是使流体的传输过程可视通过各种流动显示可以了解复杂的流动现象探索其物理机制和运动规律为人们发现新的流动现象建立新的概念和物理模型提供依据通过观察仿生机器鱼在不同摆动频率和摆动幅度状态下的动态流场观察水流过动态鱼体后的漩机器人年月涡分离可以研究鱼的摆动推进机理并和理论计算结果相验证研究漩涡产生和推进力的关系3 1 实验构成实验装置由八线张线系统! ≤≤⁄相机! 摄像机和软件处理平台组成其中摄像机可用于动态记录流场同时作为摄像采集处理平台的摄像头实验机器鱼由八根张线固定在水洞中实验段长度大约米实验宽度米实验深度米鱼体在水下大约米通过内部张线支撑装置将鱼体头部固定在一个靠自重稳定的钢架上中段是一个上部带孔的密封腔它主要起连接作用连接头部和后部摆动部分上部的孔用于引出后部的天线和电源线鱼体在水中基本可以保持浮力和重力的平衡调整张线可以使鱼的轴线和来流方向平行鱼体后部在水中自由摆动3 2 实验现象记录实验得到大量漩涡形成和演变的连续图像图从宏观上看尾鳍拍动产生了反卡门漩涡序列漩涡是在尾鳍前缘卷起生成的并在每次反向拍动时脱落一个周期形成一对旋向相反的漩涡这些现象与国外研究的结果类似进一步的分析目前还在进行中图鱼体由八根张线固定在刚架上ƒ ¬图尾部漩涡的脱落过程ƒ ƒ √ ¬3 3 实验结果分析尾鳍后部形成了反卡门漩涡阵列一对方向相反的漩涡与推力产生有着重要的关系在实验中我们特别注意到了前缘漩涡以往的研究多是建立在分析二维脱落涡街的基础上认为推动鱼体前进的主要是漩涡的合成或耦合而我们在这次观察中发现鱼尾鳍在摆动时主要是前缘的涡在起作用在尾鳍的拍动中前缘卷起很强的锥形涡并稳定的附着在尾鳍表面从而可能提供了很高的升力涡的三维特性十分明显需要进一步的实验手段和分析方法才能进行精确观测和分析4 阻力测定实验Ρεσιστανχεμεασυρεμεντσ我们使用了水洞的实验装置三分力天平三分力天平是个磁感应天平通过改变两个磁极之间的间隙从而改变磁场来测定力感应天平每个方向由一个活动板通过弹簧片和支架相连支架固定不动当活动板受力时活动板前端的磁极位置就会改变而改变的位移和受力的规律与后部的弹簧钢片的挠度有关基本上是线性关系位移的改变可以第卷第期梁建宏等水下仿生机器鱼的研究进展水动力学实验研究通过与活动片固连的磁极的改变来测定通过一个平衡电桥将输出电压传到计算机的采集卡采集入计算机然后通过一套计算软件计算出某一特定电压对应的阻力由于磁极位移改变造成前端有一个∂形槽通过一个夹板把鱼体的天线固定在天平的活动板上由于鱼体的天线和鱼体是固连的鱼体天线的位移也就是鱼体的位移同时鱼体所受的阻力也就是三分力天平测定的阻力我们把三分力天平固定在水洞上方前端的活动板与鱼体上部的天线相连然后调节水流速度测定在不同水流速度下鱼体的阻力测得的鱼体所受的阻力与水流速度关系如图所示可以看出理论速度与实测速度非常接近由此可证明阻力测试系统的可靠性图阻力测量系统实物图ƒ图静态阻力与水流速度的关系ƒ √ √5 结论Χονχλυσιον在本文中我们建立起一套完整的机器鱼实验测试平台平台包括仿生机器鱼平台系统! 水洞实验槽! 功率测量系统! 流场观测系统和阻力测试系统并进行了各系统的实验测试结果证明这套实验平台是正确有效的实验结论如下鱼体游动效果与摆动的频率和相对波长有很大关系在进行的实验参数范围内速度和消耗的功率都随着这两个参数的增大而增大鱼类尾鳍在游动中作用明显尾鳍后形成反卡门漩涡阵列同时发现前缘漩涡和反卡门漩涡阵列与推进有重要关系鱼体阻力与游动速度平方之间满足线性关系参考文献Ρεφερενχεσ≈ ∏ ° ∏ 2∞ ∏ ƒ ∏≈ • × ≥ × εταλ ⁄ 2∏ ×∏ ∏ ≤ ≥ ƒ 2 ° ≥ ≥ ⁄ ∏≈ × ∏ ≥ ⁄≥≠∏ ⁄ ° °° ∏ ∏√ ∂ × ≥ √ ∞≈ × ∏ ≥ × ∏ ≥ ∞ ≥≥≈ ⁄≥ ≥× ∏ εταλ ⁄ ∏ ƒ 2∏ ƒ ∏作者简介梁建宏 2 男博士生研究领域微小型仿生机电系统机器人年月。
鱼类通过鱼道内水流速度障碍能力的评估方法
鱼类通过鱼道内水流速度障碍能力的评估方法石小涛;陈求稳;黄应平;刘德富;庄平【摘要】鱼类通过鱼道内水流速度障碍能力的量化对鱼道设计有重要理论和实际价值,其基础是鱼类游泳能力的测定.首先对鱼类游泳能力的研究方法进行了概述总结,指出了鱼类游泳能力经典测试方法存在测定流场与自然情况相差较大的不足；分析了关键要素如鱼类行为特征、生理耗能规律及水力特性对鱼类通过水流速度障碍能力的影响；提出了分析鱼类游泳行为和能力与特征流场的关系,探讨鱼类通过水流障碍行为规律和生理疲劳恢复特征,通过研究仿自然流态下的鱼类自由游泳行为、水力计算及生理耗能的关系,构建多因素鱼类游泳能力关系式,定量评价鱼类通过鱼道内水流速度障碍的发展方向.【期刊名称】《生态学报》【年(卷),期】2011(031)022【总页数】6页(P6967-6972)【关键词】水流障碍;行为生态;游泳能力;模型【作者】石小涛;陈求稳;黄应平;刘德富;庄平【作者单位】三峡大学三峡库区生态环境教育部工程研究中心,宜昌443002;中国科学院生态环境研究中心,北京100085;三峡大学三峡库区生态环境教育部工程研究中心,宜昌443002;中国科学院生态环境研究中心,北京100085;三峡大学三峡库区生态环境教育部工程研究中心,宜昌443002;三峡大学三峡库区生态环境教育部工程研究中心,宜昌443002;农业部海洋与河口渔业资源及生态重点开放实验室,上海200090【正文语种】中文在各种拦水设施阻隔了水利枢纽上下游鱼类的自由交换作用的背景下，鱼道被视为恢复鱼类种群的重要措施［1－5］。
鱼道建设一直以来受到国外水生态研究者的关注，并在近期逐渐受到我国的重视［4－5］。
但是，目前各国鱼道的运行远没达到过鱼的预期效果，原因之一为尚不能针对性的设计鱼道水力标准，以满足鱼类克服水流速度及流态造成的水流障碍［4－5］。
鱼类的水流速度障碍是指鱼类仅靠有氧呼吸或持续式游泳不能通过的水流［1－2］。
从水动力学角度分析深潭对产漂流性卵鱼类繁衍的生态学意义
从水动力学角度分析深潭对产漂流性卵鱼类繁衍的生态学意义李涛;张春泽;周勤;赵旭
【期刊名称】《三峡大学学报:自然科学版》
【年(卷),期】2022(44)5
【摘要】深潭浅滩连续分布是产漂性卵鱼类产卵场的典型特征.为了探究深潭对于鱼类产卵繁衍的生态学意义,利用单相自由液面Lattice-Bolzmann方法对不同来流条件下各类深潭内流场进行模拟,分析其主要水动力特征及影响因素.通过理论分析研究鱼卵在涡旋中的受力与运动模式,并针对理想涡旋与实际深潭中鱼卵运动过程分别开展数值模拟,探究鱼卵颗粒的运动规律和持续时间.结果表明:涡旋流动是深潭内的重要流场特征,涡旋数量与大小主要由河道流速及深潭形态决定.由于与主流存在显著的流速差异,当主流流速过高时,深潭可以为亲鱼提供丰富的宜产卵流速选择.另外,产在潭内的鱼卵在径向压差力作用下,能够在深潭内作比较稳定的离心涡旋运动,最终到达涡旋外周进入主流界面,该随流运动过程不但可以为鱼卵受精提供适宜的水动力环境,还能在主流流速较低时,增加鱼卵有效漂程,降低鱼卵沉底死亡风险.【总页数】6页(P32-37)
【作者】李涛;张春泽;周勤;赵旭
【作者单位】重庆交通大学西南水运工程科学研究所;重庆交通大学水利水运工程教育部重点实验室;重庆西科水运工程咨询中心
【正文语种】中文
【中图分类】TV131
【相关文献】
1.金沙江攀枝花江段产漂流性卵鱼类早期资源现状
2.赤水河产漂流性卵鱼类的繁殖活动及其与环境因子之间的关系
3.三峡水库产漂流性卵鱼类繁殖现状及水文需求研究
4.银盘电站蓄水前后乌江下游产漂流性卵鱼类自然繁殖变化
5.汉江中下游梯级枢纽联合生态调度对产漂流性卵鱼类自然繁殖的效应研究
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渔网水动力试验研究及分析
渔网水动力试验研究及分析
詹杰民;胡由展;赵陶;孙明光
【期刊名称】《海洋工程》
【年(卷),期】2002(20)2
【摘要】根据流体力学实验结果 ,研究了雷诺数 ,网的密实度 ,网型以及流向等对网的阻力影响 ,同时讨论了侧向力问题 ,对同样网面积的平面网及圆型网的阻力进行了比较 ,结果圆型网阻力较小。
【总页数】6页(P49-53)
【关键词】阻力系数;网密实度;网型
【作者】詹杰民;胡由展;赵陶;孙明光
【作者单位】中山大学应用力学与工程系
【正文语种】中文
【中图分类】O352.2
【相关文献】
1.近自由面三维水翼的水动力分析及试验研究 [J], 陈庆任;叶恒奎;杨向晖;冯大奎;管延敏
2.船模水动力学试验中几何参数的不确定度分析研究 [J], 吴宝山
3.摆推水翼的水动力分析及试验研究 [J], 杨侠;叶恒奎;张向明;杨向晖;冯大奎
4.舰船综合水动力分析虚拟试验系统中试验结果的可视化关键技术研究 [J], 倪昱;金建海;单威俊
5.水流作用下的渔网水动力数值方法研究 [J], 胡克;耿宝磊;赵旭;沈文君
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【课外阅读】鱼类生理学家刘筠
鱼类生理学家
刘筠(1929.11.17－ ) 鱼类生理学家。
湖南武冈人。
1953年湖南大学生物系毕业，1956－1958年中国科学院实验生物研究所进修实验胚胎学。
历任湖南师范学院（后改名湖南师范大学）生物系助教、讲师、副教授、系副主任、教授、副院（校）长、生物研究所研究室主任。
1982年加入中国共产党。
1995年当选为中国工程院农业、轻纺与环境工程学部院士。
是中国水产学会副理事长，湖南水产学会理事长，全国政协第六至八届委员。
1984年被授予国家有突出贡献中青年专家称号。
长期从事鱼类及水生经济动物的生殖生理的教学和研究。
先后进行长江流域家鱼的人工繁殖和技术推广应用、中华鳖（甲鱼）的繁殖生理及人工养殖的研究；80年代后期，应用细胞工程和有性杂交相结合的综合技术，建立了国内第一个鱼类多倍体基因库，成功地培育出了三倍体鲫鱼(即工程鲫，后改名湘云鲫)和三部体鲤鱼(即工程鲤，后改名湘云鲤)。
“草鱼等家鱼人工繁殖及技术推广应用”获1981年湖南省重大科技成果一等奖；“鱼类及水生经济动物生殖生理研究”获1987年国家教委科技进步一等
奖；“鲫鲤鱼杂交的研究”获1988年国家科技进步三等奖；“青鱼自行产卵受精的研究”获1992年湖南省科技进步一等奖；“中国养殖鱼类发展生物学”获1995年国家科技进步二等奖。
成果的推广应用，产生了显著经济和社会效益。
著有《中国池塘养殖学》、《中国养殖鱼类繁殖鱼类繁殖生理学》等；撰有《草鱼卵子受精细胞学的研究》、《草鱼人工繁殖试验的研究》等论文50多篇。
鱼类栖息地环境评价指标体系初探
鱼类栖息地环境评价指标体系初探马里;白音包力皋;许凤冉;邓欢欢;商栩【期刊名称】《水利水电技术》【年(卷),期】2017(048)003【摘要】根据鱼类洄游、产卵和越冬等生命周期中的水环境状况、水文情势、水动力特性及地形特征等要素将影响鱼类栖息地的若干指标分成水质指标、水文学指标、水力学指标及河流地形指标.并通过分析各项指标的生态学意义,筛选出其中若干与鱼类生活、繁殖相关的评价指标.最终建立了包含目标层、要素层、特征层和指标层4个层次的鱼类栖息地环境评价指标体系,该体系以保护鱼类栖息地为目标,包含4类要素、13类特征共46项指标,可为河流栖息地评价及鱼类保护提供重要依据.【总页数】6页(P77-81,126)【作者】马里;白音包力皋;许凤冉;邓欢欢;商栩【作者单位】中国水利水电科学研究院,北京100038;中国水利水电科学研究院,北京100038;中国水利水电科学研究院,北京100038;浙江省流域水环境与健康风险研究重点实验室,浙江温州 325035;温州医科大学公共卫生与管理学院,浙江温州325035;浙江省流域水环境与健康风险研究重点实验室,浙江温州 325035;温州医科大学公共卫生与管理学院,浙江温州 325035【正文语种】中文【中图分类】Q148;X171【相关文献】1.大熊猫栖息地评价指标体系初探 [J], 周洁敏2.低头坝养鱼对鱼类局域栖息地环境的影响--基于鱼类个体生态矩阵的分析 [J], 万安;曹莉;潘伟;陶峰;李家磊;张晓可;余世金;安树青3.城市国际语言环境评价指标体系初探 [J], 王震4.高校体育馆主空间光环境评价指标体系初探 [J], 白欣玉5.基于分析协商的战略环境评价指标体系构建方法初探——以国民经济与社会发展规划为例 [J], 张骁杰;包存宽因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
数学模型第四版第七章【精选】
pNE(1 E ) cE
令 =0
r
Es
r (1
c pN
)
R(E)=0时的捕捞强度Es=2ER ~ 临界强度
临界强度下的渔场鱼量
xs
N (1
Es r
)
c p
S(E)
xs由成本—价格比决
定
p , c
Es , xs
捕捞过度 0
ER E*
T(E)
Es r
E
9/26/2019
捕捞 收入 T (E) pNE(1 E ) 过度 支出 S(E) cE r
9/26/2019
产量模型
x(t) ~ 渔场鱼量
假设
• 无捕捞时鱼的自然增长服从 Logistic规 律. x(t) f (x) rx(1 x )
N
r~固有增长率, N~最大鱼量
• 单位时间捕捞量与渔场鱼量成正比.
h(x)=Ex, E~捕捞强度
建模
记 F(x) f (x) h(x)
求E使R(E)最大
ER
r (1 2
c pN
)
E*
r 2
渔场 鱼量
xR
N (1
ER ) r
N 2
c 2p
,
hR
rN 4
(1
c2 )
p2N 2
9/26/2019
捕捞 过度
• 封闭式捕捞追求利润R(E)最大 • 开放式捕捞只求利润R(E) >
ER
r 2
(1
c) pN
0
R(E) T (E) S(E)
9/26/2019
水生态环境的水动力学研究
水生态环境的水动力学研究随着人类经济的发展，对水资源的需求也越来越大，同时人类的生产活动也对水生态环境造成了很大的影响。
水动力学是一门研究液体流体在流动过程中的力学问题的学科，包括了流体的流速、流体的力和流体的稳定性等方面。
在水生态环境研究中，水动力学是不可或缺的一部分。
一般来说，水动力学的研究包括了水的运动状态、水的稳定性、水的污染和水的流速等方面。
在水生态环境的研究中，主要研究的是水的流速，即水在水体中流动时的速度、流向和流量等特征。
在水生态环境研究中，水的流速往往直接关系到水生态环境的健康与否，因此水动力学的研究对于提供科学依据是非常必要的。
在水动力学的研究中，重要的因素之一是流速。
流速的大小直接影响着水的流量、水体的深度以及河底的形态等等。
在水生态环境研究中，流速的大小往往是影响生态环境健康的重要因素。
当流速较大时，水流会带走生态环境中的物质，从而影响水生态环境的健康。
因此，在水生态环境研究中，需要通过水动力学研究，探究流速的大小及其对水生态环境的影响。
除了流速之外，流体的流量也是水动力学研究中不容忽视的因素。
流量通常指的是水流过一定时间内经过的物体体积，它与流速、截面积、流体的密度等因素有关。
在水生态环境研究中，水的流量也对水生态环境的健康有着直接的影响。
比如说，在发生洪水时，水的流量较大，容易带来巨大的泥沙和碎石，从而影响水生态环境的健康。
因此，在水生态环境研究中，流量的大小也是很重要的参数之一，需要通过水动力学的研究探究其对水生态环境的影响。
除了流速和流量之外，水的流向也是水动力学研究中的一个重要方面。
在水生态环境研究中，水的流向决定了水体的污染物在水中的扩散和传播方向。
当水流向一定方向时，水中的污染物容易沿着水流向下游扩散，从而影响生态环境中的生物群落。
因此，在水生态环境研究中，需要通过水动力学的研究探究水的流向及其对水生态环境的影响。
综上所述，水动力学在水生态环境研究中起着不可替代的作用。
鱼游推进的水动力学研究综述
对 于 Ｂ Ｆ模 式 下 的 Ａ ｇ ｉｉ ｒ Ｓ ｂ ａａ ｇ ｏｍ Ｃ ｎ ｕｌｆ ｍ、 ｕ ｃｒｎ ｉ ｒ ｌｏ ｆ
和 Ｃ ｒｎ ｉ ｒ 等形式 ， ａａ ｇ ｏｍ ｆ 鱼体游 动 时 ， 体 的 大部 分 或 身
大半 部 分 区域 均 在做 波动 ， 由于身体 向后 传播 的形 波
在形 态上 千 差 万别 ， 动 方 式 亦 各 异 。在 Ｓａ ｉ ａ ｉ 游 ｆｋ ｔ ｓ ｏｋ 等 － 关 于水 生 动 物 游 动 形 态 的综 述 性 文 章 中 ， 鱼 － 对 类 进行 了分类 。其 分 类 主 要 基 于 鱼类 游 动 部 位 的不 同 ， 文将 对此 作 简要介 绍 。根 据鱼 类游 动部 位 的不 本 同 ， 般 可 以分为 两类 ， ： Ｃ 一 即 Ｂ Ｆ模 式 （ ｏ ｙ ａ ｄ ｏ Ｂ ｄ ｎ ／ ｒ
第３ ３卷 增 刊
２ 牟 ０１ １
舰
船
科
学技ຫໍສະໝຸດ 术 Ｖｏ ． ３， ｐ ｌ ｍｅ ｔ １ ３ Ｓｕ ｐ ｅ ｎ
２ ０１ １
Ｓ Ｉ Ｈ Ｐ ＳＣＩ ＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬ ＯＧＹ
鱼 游 推 进 的 水 动 力 学 研 究 综 述
刘 卉 邵 雪 明 ， 定 一 ， 良明 ， 潘 赵
收 稿 日期 ： ０ １ ０ ２ １ — ５—３ １ 作 者 简 介 ： 卉 （ ９ ９一） 女 ， 级 工 程 师 ， 事 水 动 力学 技 术 研 究 。 刘 １６ ， 高 从
增刊
刘 卉 ， ： 游推进 的水动 力 学研 究综述 等 鱼
・ ９・ １
２ 鱼游 的分 类
水 动力 学研 究 范 围所 说 的鱼 类 主 要 是 指 通 过 摆
力学 相关 的各 个领 域 。 同时期 ， 流场 的显 示技 术 方 在 面 同样取 得 了较 大 的进步 ， 特别 是 ＰＶ（ ａｔ ｌ Ｉ ａｅ Ｉ Ｐ ｒ ｃ ｍ ｇ ｉｅ Ｖ ｌｃ ｔ ） 术 和 Ｌ Ｖ（ ａｅ Ｄ ｐ ｌ ｅ ｃ ｔ ） ｅ ｉ ｒ 技 ｏ ｍｅ ｙ Ｄ Ｌ ｓｒ ｏｐｅ Ｖ ｌ ｉ ｒ ｒ ｏ ｍｅ ｙ 技术 的发 展 ， 多真 实 的流场 信息 可 以被捕 捉 到 。 上 更
运用稳定同位素技术分析大宁河主要鱼类营养层级
物种 的相 对 营养 位 置 １ 以及 食 物链 的长 度 一。 １ 。 为 评估 食 物 网 的营养 结 构 ， 通 常是选 取 一 种通 用基 线
值（ Ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｌ ｂ ａ ｓ ｅ ｌ ｉ ｎ ｅ ） 来 确 定 食 物 网 中每 个 物种 的相
然而 对大 宁河 渔业 生态 系统 的营养 结构 和生 态位 状 况 并不 了解 。本 文通 过 氮稳 定 同位 素技术 方 法，分
同时 间序列 “ 不 同食物 网［ 的对 比研 究 。这类 方
法在 湖泊 ， 、河 流 ， 以及海 洋 １ ５ ， 生态 系统
期进 一步 为增 殖放 流实施 及效 果评 估体 系建立 提供
收稿 日期：２ ０ １ ５ 一 叭一 ２ ６ ；修订 日期 ： ２ ０１ ５ － ０ ５ — ２ ２
摘 要 ：运用 氮稳 定 同位素 技术 分 析 了大宁河 静水 水 域和 流水 河段 主要鱼 类 的氮稳 定 同位 素 比值和 营养层 级 ， 并 对静 水水 域不 同水 文时期 相 同鱼类 的 营养 层 级进行 了比较研究 。结 果表 明，颗粒 有机物 （ Ｐ ＯＭ） 氮稳 定性 同 位 素变 化幅 度较 大，并存在 季节 差异 。大 宁河 下游静 水水 域鱼 类 ｄ ｌ Ｓ Ｎ 值范 围为 ４ ． ５ ４ ％ 。 一１ ７ ． ５ １ ‰，营养级处 于 １ ． ５ １ —３ ＿ ８ ８ ，平均 营养层 级 为 ２ ． ４ ９ ；上 游流水 水 域鱼类 的 Ｎ值 范 围为 ２ ． ２ ５ ％ ｏ 一１ ０ ． ８ １ ‰，营养层 级范 同为 １ ． ４ ９ —４ ． ０ １ ，平 均 营养层 级 为 ２ ． ８ ７ 。大 宁河上 游鱼 类 的平均 营养层 级大 于下游 静水 水域 ，可 能是 由于上 游底 栖 生物 丰富 ，鱼类 倾 向摄食 适 口性更 高 的动物 性食 物而导 致 。 大宁河 下游静 水水 域汛期 的鱼类 营养层 级较 非
双鱼并排游动时水动力性能研究
Байду номын сангаас
中图分 类号 ： Ｔ Ｐ ２ ４ ２
文 献标识 码 ： Ａ
文章 编号 ： １ ０ ０ ０— ８ ８ ２ ９ （ ２ ０ １ ６ ） １ ２— ０ ０ １ ６— ０ ５
鲶鱼对水流和水体动力学的适应能力分析
鲶鱼对水流和水体动力学的适应能力分析引言：鲶鱼是一种广泛分布于世界各地的淡水鱼类，其生存和繁殖能力非常强大。
鲶鱼在各种水体环境中繁衍生息，并以其出色的适应能力而闻名。
本文将从鲶鱼对水流和水体动力学的适应能力进行分析，探讨其如何在不同水流环境中生存和繁衍。
一、对水流的感知能力鲶鱼拥有敏锐的感知能力，可以准确地察觉水流的变化。
它们的身体结构以及感觉器官的高度发达使得它们能够感知和适应不同强度和方向的水流。
鲶鱼的侧线系统是其主要的感知水流的工具，通过侧线系统，鲶鱼能够感知到水流的流速、方向和压力变化。
这种感知能力使得鲶鱼能够更好地适应环境中的水动力学因素。
二、对水流的适应生理机制鲶鱼在水流环境中具备出色的适应生理机制，以保持其生命活动的正常进行。
鲶鱼的鱼鳍和身体结构使其能够在水流中保持稳定的姿势和游动方式。
鲶鱼的背鳍和腹鳍具有较大的面积，可以通过调整鳍的角度和形状来改变游泳速度和方向，以适应不同水流条件下的生存需要。
此外，鲶鱼的身体形态较为流线型，使其能够减小水流对其产生的阻力，以保持游泳的稳定性。
三、对水体动力学的适应能力鲶鱼在不同水体动力学环境下也表现出了卓越的适应能力。
水体动力学是涉及水体内流动和湍流等物理量的研究，与水流相关的水动力学特性会对鱼类的生理和生态行为产生重要影响。
1. 游泳能力的适应：鲶鱼能够根据水体动力学的特性调整自身的游泳策略。
在水流较强的环境中，鲶鱼会选择较为紧凑的游泳方式，并通过调整鳍的角度来减小阻力，以保持较高的游泳速度。
而在水流较弱的环境中，鲶鱼会选择较为悠闲的游泳方式，以节省能量并寻找食物。
2. 拟态和掩护的适应：鲶鱼在水体动力学环境中还表现出了出色的拟态和掩护能力。
它们可以根据水流的速度和颜色变化，调整身体颜色和斑纹，以融入周围水体中，从而减少被捕食者的发现概率。
3. 利用水流的能量：鲶鱼还能够利用水流的动能来获取食物和繁殖。
在水流较强的环境中，鲶鱼可以选择留在水流中寻找悬浮物和有机碎屑，同时也能够更容易地获取漂浮在水流上的食物和营养物质。
养殖鱼对养殖池内水动力影响的数值模拟
第38卷第5期大连海洋大学学报Vol.38No.5 2023年10月JOURNAL OF DALIAN OCEAN UNIVERSITY Oct.2023DOI:10.16535/ki.dlhyxb.2022-340文章编号:2095-1388(2023)05-0839-09养殖鱼对养殖池内水动力影响的数值模拟史宪莹1,李猛1,2,黄铮铮1,2,冯德军3,任效忠2∗,刘航飞4,孙伟1,2(1.大连海洋大学海洋与土木工程学院,辽宁大连116023;2.设施渔业教育部重点实验室(大连海洋大学),辽宁大连116023;3.浙江海洋大学国家海洋设施养殖工程技术研究中心,浙江舟山316022;4.浙江大学生物系统工程与食品科学学院,浙江杭州310058)摘要:为研究养殖鱼对养殖池流场特性的影响,基于计算流体动力学(CFD)技术建立方形圆弧角单管养殖池及养殖鱼模型,采用多重参考系法(multiple reference frame,MRF)模拟鱼类在固定轨迹下的运动,并分析养殖池内养殖鱼的放养密度㊁个体体积和空间分布变化对养殖池流场特性的影响㊂结果表明:在养殖鱼个体体积和空间分布条件一定时,放养密度越大,养殖池内水体平均流速下降越大;在养殖池内养殖鱼放养密度一定时,鱼数量越多(个体体积小)时,鱼类的逆流游动产生的阻流作用越大,养殖池内平均流速下降就越明显;在养殖鱼放养密度㊁个体体积大小一定的条件下,养殖鱼在养殖池水体中层分布时,养殖池内水体的整体平均流速下降幅度和湍流强度增加幅度最大,养殖鱼在养殖池下层时,对平均流速和湍流强度的影响最小㊂研究表明,在循环水养殖过程中,应根据养殖池中养殖鱼的放养密度㊁个体体积和空间分布条件的变化,适时调整养殖池的进水速度,以维持养殖池内适于养殖鱼生存和生长的流场条件㊂关键词:计算流体动力学(CFD);多重参考系法(MRF);养殖鱼;流场特性中图分类号:S955.1㊀㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀工厂化循环水养殖系统(recirculating aquacul-ture system,RAS)是通过水处理设备将养殖水净化处理后再循环利用的一种新型养殖模式㊂系统采用先进的设备控制养殖环境,可为养殖鱼类提供最优的流态[1-6]㊂RAS养殖系统因具有养殖生物密度高的特点,在养殖过程中会产生大量残饵和粪便等固体废物,通过对养殖池的优化设计可控制残饵和粪便的沉降与排出,实现养殖池自清洁,进而保障养殖池的水质和生物健康[7]㊂相关研究表明,养殖池内的水流速度㊁湍流强度都影响养殖鱼的行为与代谢,进而影响鱼类的生长速度和品质[8-9]㊂反之,养殖鱼类同样对养殖池内流场特性有较大影响[10-11]㊂部分学者采用罗丹明荧光法㊁声学多普勒测速法等物理试验方法开展研究,发现鱼类对水体均匀度的影响较为明显,有鱼的养殖池内湍流强度提高,鱼的存在对流场特性影响较大[12-14]㊂Masalo等[15]研究了鱼类游动对圆形水池平均流速和流速剖面的影响,结果表明,鱼类游动引起的紊流增加了运动涡流黏度,导致靠近出口水槽中心的速度显著降低㊂随着计算流体力学技术在养殖池参数优化等相关方面的应用日趋成熟,许多学者对养殖鱼类与养殖池流场特性的相互影响开展了初步研究[16-18]㊂刘海波等[19]以许氏平鲉(Sebastes schlegelii)为仿生对象建立了数值模型与养殖流场相互耦合的三维数值计算模型,模拟了鱼类摆尾形成的脱落涡对池内流场的影响㊂鱼群与流场的相互作用会受到鱼群密度㊁鱼个体体积和空间分布等因素的影响,探究以上因素变化对养殖池内流场特性的影响,是研究鱼群游泳行为与流场特性耦合机制的重要环节,国内外学者围绕循环水流场构建做了大量研究工作[20-21],但大多未考虑养殖鱼类对循环水养殖系统流场特性的影响,且针对养殖池流场特性与鱼类影响的相关研究大多以实测方法为主,运用数值模拟方法揭示养殖鱼类对养殖池内流场特性影响的研究较少㊂本研究中,基于计算流体动力学(computa-tional fluid dynamics,CFD)仿真技术建立单进水管方形圆弧角养殖池及简化养殖鱼模型,选用RNG㊀收稿日期:2022-11-18㊀基金项目:设施渔业教育部重点实验室(大连海洋大学)开放课题(2021-MOEKLECA-KF-08,202312);国家现代农业产业技术体系资助(CARS-49);大连市支持高层次人才创新创业项目(2019RD12);2022年辽宁省教育厅重点攻关项目(LJKZZ20220091)㊀作者简介:史宪莹(1978 ),男,博士,讲师㊂E-mail:shixy@㊀通信作者:任效忠(1981 ),男,博士,教授㊂E-mail:renxiaozhong@k-ε湍流模型,采用三维非结构网格,基于压力修正的半隐式算法(SIMPLE)求解压力耦合方程组,建立多重参考系(multiple reference frame,MRF)模型,模拟养殖鱼在养殖池内的游泳运动㊂通过对多种不同工况条件下养殖池内流场数值模拟计算,揭示循环水养殖系统中养殖鱼的放养密度㊁个体体积和空间分布条件对流场特性的影响,以期为循环水养殖过程中如何维持养殖池内适宜鱼类的流场条件提供科学参考㊂1㊀数值模型1.1㊀控制方程标准k-ε湍流模型有较高的稳定性,适用于湍流,但不适合旋流等各向异性较强的流动㊂RNG (重整化群)k-ε模型比标准k-ε模型更适合高速流动,可提高旋涡流动的精度,更适合应用于对养殖池水动力的模拟㊂对于不可压缩流体,纳维-斯托克斯(N-S)方程为X -1ρ∂p ∂x +μρ∇2μx =∂u x ∂t +u x ∂u x ∂x +㊀㊀u y ∂u x ∂y+u z∂u x ∂z,(1)Y -1ρ∂p ∂y +μρ∇2μy =∂u y ∂t +u x ∂u y ∂x +㊀㊀u y ∂u y ∂y+u z∂u y ∂z,(2)Z -1ρ∂p ∂z +μρ∇2μz =∂u z ∂t +u x ∂u z ∂x +㊀㊀u y∂u z ∂y+u z∂u z ∂z ㊂(3)式中:X ㊁Y ㊁Z 为单位质量流体的单位质量力分量;1ρ∂p ∂x ㊁1ρ∂p ∂y ㊁1ρ∂p∂z为单位质量流体的法向应力分量;μρ∇2u x ㊁μρ∇2u y ㊁μρ∇2u z 为单位质量流体的切向应力分量㊂连续性方程为∂u x ∂x+∂u y ∂y+∂u z ∂z =0㊂(4)动量方程为∂∂t(ρU )+∇(ρUU +ρuᶄi uᶄj )=-∇p +㊀㊀㊀㊀∇τ+ρg +F ㊂(5)RNG k-ε模型运输方程[22-23]为∂(ρk )∂t +∂(ρku i )∂x i =∂∂x j αk μeff∂k ∂x j éëêêùûúú+㊀㊀㊀㊀G k -ρε,(6)∂(ρε)∂t +∂(ρεu i )∂x i =∂∂x j αεμeff ∂ε∂x j éëêêùûúú+㊀㊀㊀㊀C ∗1εεk G k -C 2ερε2k㊂(7)式中:ρ为流体的密度(kg /m 3);μt 为涡团黏性系数;μeff 为有效黏性系数;G k 为平均速度梯度引起的湍流动能(m 2/s 2);G b 为浮力产生的湍流动能(m 2/s 2);Y M 为可压缩湍流中波动膨胀引起的总耗散率;αk ㊁αε分别为k 和ε有效普朗特数的倒数㊂1.2㊀模型验证物理模型试验在方形圆弧角养殖池模型中进行,养殖池模型如图1所示,其中养殖池边长为1m,圆弧角半径为0.25m,池底部中心位置设置一个单排水口,排水口内径为0.02m,池内水深20cm㊂进水系统为单管射流方式,进水管直径为0.02m,布置在养殖池直边中间位置,且垂直紧贴养殖池边壁,进水系统沿切向入流(射流方向与养殖池壁成0ʎ夹角)㊂进水管自上而下均匀开18个进水孔(进水孔距池壁0.01m),进水孔直径为0.004m,进水系统平均流速为1m /s,循环次数为100次/d㊂图1㊀物理模型试验系统Fig.1㊀Physical model test system在养殖池模型内放置直径为7cm 的球体,开启进水系统运行养殖池系统㊂当水流稳定后,牵引球体以过排水口圆心的垂线为轴心做匀速圆周运动㊂池内流场稳定后使用声学多普勒流速仪(ADV)测量各监测点x ㊁y ㊁z 3个方向的流速分量,并计算该监测点的流速值㊂每个监测点取其在一段时间内的平均值作为该点的流速㊂由于养殖池池形横截面为中心对称图形,因此,本验证试验在048大连海洋大学学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第38卷半面水池取监测点,取点位置如图2所示㊂从图3可见,数值模拟计算结果与物理模型试验结果吻合较好,主要监测位置数值模拟结果与物理模型试验结果比较接近㊂养殖池中心速度的试验结果略高于数值模拟结果,主要是由于试验中球体模型存在偏移,养殖池中心涡流偏移较大导致㊂绝大多数监测点的计算流速值与试验测量值的相对误差在10%以内,仅个别监测点的相对误差较大,但平均相对误差在可接受范围之内㊂此结果证明了本研究中建立的数值模型的正确性,计算精度基本满足要求,可用于养殖池流场特性的研究㊂图2㊀监测点分布Fig.2㊀Distribution of measurement point图3㊀物理模型试验和数值计算结果监测点流速对比Fig.3㊀Comparison of flow velocity at measurementpoints between physical experiment and numer-ical calculation results1.3㊀数值模型建立本研究中,数值模型采用与物理试验模型相同的方形圆弧角养殖池设置参数(详见 1.2节 )㊂养殖鱼模型简化为由椭圆球体鱼身和三角形鱼尾组成,使用SolidWorks 软件对养殖鱼鱼体进行建模,养殖鱼模型体长为12.0cm,体宽为2.6cm㊂将建立好的养殖鱼模型导入Ansys 软件Workbench 模块,养殖鱼运动轨迹所在的子域设置为旋转区域,其余区域设置为静止区域(图4)㊂本模型网格采用四面体网格划分技术,对进水管㊁鱼体的表面进行网格加密处理,为实现养殖鱼模型的运动,将有鱼存在的网格区域划分为动网格区域,其余网格设置为静网格区域(图5)㊂网格的关联值设置为0,网格单元尺寸取8.2mm,网格生成后的总数量为3392986㊂选取网格质量关键参数倾斜度(skewness)对本模型进行网格质量检查㊂倾斜度取值为0~1,越接近0,表明网格单元质量越好;倾斜度小于0.25时,表明网格单元质量优秀;倾斜度大于0.90时,表明网格单元质量较差㊂从图6可见,本研究中建立的网格倾斜度值绝大部分为0~0.25,较少部分网格倾斜度值为0.35~0.45,极少部分网格倾斜度值为0.55~0.75,几乎无倾斜度在0.75以上的网格单元,可以判定建立的数值计算模型网格质量良好㊂图4㊀养殖池及养殖鱼模型Fig.4㊀Aquaculture tank model and cultured fish model图5㊀网格划分Fig.5㊀Griddivision图6㊀模型网格质量检验Fig.6㊀Quality control of model grids1.4㊀网格无关性验证本试验中,对放养4尾鱼的计算工况进行了网148第5期史宪莹,等:养殖鱼对养殖池内水动力影响的数值模拟格无关性验证,即划分4种不同密度的网格,分别为低密度网格(网格数1757013,记为L)㊁中等密度网格(2501144,记为M1)㊁中等密度网格(3392986,记为M2)和高密度网格(3642502,记为H)㊂分别采用4种密度网格进行模拟计算,将养殖池内整体平均速度作为计算结果㊂从表1可见,工况L㊁M1密度网格下计算的平均速度与工况M2㊁H密度网格下计算的结果相比偏大,为保证计算结果的准确性,应采用小网格方案(即工况M2㊁H)进行计算,而工况M2与工况H计算结果的误差仅为1.5%,均在数值模拟计算的可接受精度误差范围内,因此,本研究中采用小网格方案中网格数量较少的工况M2进行模拟计算㊂表1㊀不同网格数量的计算结果对比Tab.1㊀Comparison of calculation results with different number of mesh网格工况mesh case网格数量number of mesh节点数number of nodes平均速度/(m㊃s-1)average velocityH36425026358800.0587M233929865931450.0578M125011444176550.0655L17570133099870.0722 1.5㊀边界条件设置计算前根据试验需要对模型进行边界条件设置㊂1)区域设置㊂将鱼群运动轨迹所在区域设置为运动网格区,养殖池其余区域设置为静网格区㊂2)进水方式设置㊂进水方式设置为速度入口,进水流速恒为1m/s,循环次数为100次/d㊂3)排水方式设置㊂排水方式设置为压力出口,压力值为标准大气压㊂4)鱼游泳速度㊂设置鱼泳动速度为0.05m/s,鱼的最适水流速度为0.5~2.0倍体长的流速,预设速度符合本尺寸鱼最适流速㊂5)鱼表面固体边界条件设置为 moving wall ㊂2㊀数值模拟工况设置本研究中共设置6组不同养殖鱼群分布工况和1组空载对照组工况㊂其中,空载对照组养殖池水体总体积为0.19m3,工况B~F组在距离养殖池中心垂线的水平距离为0.25m位置放置养殖鱼模型,单个鱼的体积为46cm3;工况G则在养殖池中心半径0.25m圆形区域均匀放置养殖鱼模型,单个鱼体积为2cm3,其余工况条件设置见表2,养殖鱼模型分布位置示意图见图7㊂养殖池内养殖鱼的放养密度计算公式为ρ=m f/V w㊂(8)式中:ρ为放养密度(kg/m3);m f为放养鱼的总质量(kg);V w为池中水的总体积(m3)㊂需要说明的是,工况E与F,采用相同个体体积的养殖鱼模型,且养殖鱼的数量分别是4尾和12尾,沿水深方向分布空间位置相同,探究养殖鱼放养密度对养殖池流场特性的影响;工况E与G 采用相同放养密度和分布位置,但养殖鱼的个体体积大小不同,工况E中养殖鱼个体体积更大,探究相同放养密度条件下,养殖鱼个体体积变化对养图7㊀鱼群分布位置Fig.7㊀Distribution of fish schools248大连海洋大学学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第38卷表2㊀7种养殖鱼群分布工况条件设置Tab.2㊀Setting of distribution case of seven farmed fishschools分布工况distribution case 鱼总数量/ind.total number of fish鱼总体积/cm 3total volume of fish鱼分布位置及数量distribution position and quantity of fish上层中层下层A (空载)B 4184 4C 41844D4184 4E 4184121F12552444G87184292929殖池流场特性的影响;工况B㊁C㊁D 采用相同个体体积㊁相同数量的养殖鱼模型,但养殖鱼的空间分布点不同,探究相同个体体积和放养密度条件下,养殖鱼空间分布对养殖池特性的影响㊂3㊀结果与分析运用ANSYS 软件包中Fluent 的前处理模块,构建三维数值计算模型,采用RNG k-ε湍流模型模拟循环水养殖池内的流场㊂提取空载和有鱼两种工况的整体平均流速,得出各工况运行稳定后的整体平均流速和距池底距离分别为0.05㊁0.10㊁0.15m 3个水平截面的面平均速度㊂从表3可见:与空载养殖池的流场速度相比,有鱼工况下养殖池内的流场速度均出现不同程度的下降,其中工况G 条件下,养殖鱼对养殖池流场的影响最为明显,整体流速下降30%以上;其次是工况F,整体降幅在20%以上;其余工况下,整体流速降幅大体相似㊂由距池底0.10m 水平截面的速度分布云图可以看出,与空载养殖池相比,加入养殖鱼模型的养殖池内低流速区域明显增多(图8)㊂但由于养殖鱼的放养密度㊁个体体积大小及空间分布的差别,各工况下养殖池内流场变化情况存在较大差异㊂3.1㊀养殖鱼放养密度对养殖池流场特性的影响从表3和图8可见:养殖鱼放养密度对养殖池流场产生了较为明显的影响,工况E 条件下,由于4尾鱼逆流游泳的影响,养殖池内整体平均流速为0.0609m /s,与空载养殖池条件下的平均流速相比下降了11.22%,且养殖池内低流速区明显增多(图8(e));工况F 条件下,受到12尾鱼逆流游泳的影响,养殖池内整体平均流速为0.0527m /s,与空载养殖池条件下的平均流速相比下降了23.16%,且养殖池中的低流速区面积继续增加(图8(f))㊂从图9也可见,随着养殖鱼放养密度的增加,工况F (图9(f))条件下养殖池中的流线比工况E (图9(e))条件下的流线更加稠密杂乱,且养殖池内旋流状态较差,从而导致养殖池内的整体平均流速产生更大幅度的下降㊂3.2㊀养殖鱼个体大小对养殖池流场特性的影响工况E 与G 采用相同放养密度(4.5kg /m 3)和初始水动力条件,单尾养殖鱼的个体体积大小与空间分布位置不同㊂从表3可见,两种工况下养殖图8㊀不同鱼群分布工况下养殖池内流场速度分布云图(距池底0.10m 水平截面)Fig.8㊀Contour maps of velocity magnitudes at a horizontal section under different fish distribution cases (0.10metersfrom the bottom of the aquaculture tank )348第5期史宪莹,等:养殖鱼对养殖池内水动力影响的数值模拟表3㊀不同鱼群分布工况下池内流速对比Tab.3㊀Comparison of velocity in the aquaculture tank under different fish distribution cases分布工况distribution case平均流速average velocity /(m㊃s -1)流速下降比例decrease percent of flow rate /%整体Y =0.05平面Y =0.10平面Y =0.15平面整体Y =0.05平面Y =0.10平面Y =0.15平面A(空载)0.06860.06910.06590.0729B 0.06110.05960.05100.058710.9313.7022.5519.47C 0.06050.05900.05540.055911.8114.6215.9323.32D0.06110.05910.05620.058810.9314.4714.7219.34E 0.06090.06330.05460.060111.228.3917.1517.56F0.05270.04580.04020.049023.1633.6638.9532.83G0.04650.03960.02680.039232.2242.6959.3346.23图9㊀不同鱼群分布工况下池内流线图对比Fig.9㊀Comparison of streamline diagrams in the aquaculture tank under different fish distribution cases池的整体平均流速有较大的差异,工况G 条件下养殖池内整体平均流速较空载养殖池时下降了32.22%,比工况E 条件下的整体平均流速下降了23.64%㊂从图8(g)可见,由于小体积鱼群在养殖池内的空间分布,使养殖池中心位置产生面积占比较高的低流速区,且存在一个环形流速几乎为零的死水区域㊂从图9(g)可见,受空间分布更广的小体积鱼群的影响,养殖池中心出现了分布形状不规则的反方向流线,这对养殖池中心外围区域的流场流态有较大影响,使得养殖池内靠近池中心的局部区域流线杂乱交错,水体混合能力较差㊂3.3㊀养殖鱼空间位置对养殖池流场特性的影响在B㊁C㊁D 3种工况中,养殖池内的初始水动力条件㊁养殖鱼的数量(放养密度)相同,养殖鱼的空间分布位置不同㊂从表3和图8(b)~(d)可以看出:养殖鱼对其所在位置的平面流场的平均流速和养殖池内的湍流强度有较大影响;当养殖鱼位于养殖池中层(工况B)时,养殖鱼所在平面的平均速度下降幅度为22.55%,下降幅度高于养殖鱼位于上层(工况C)和下层(工况D),当养殖鱼在下层(工况D)时,平均流速下降的幅度最小㊂从图9(b)~(d)也可以看出,养殖鱼位于养殖池中层(工况B)时,养殖池内出现的反向流线最多,养殖鱼在上层时次之,养殖鱼在下层时最少㊂养殖池内水体的平均流速下降变化规律与湍流强度变化规律相协调,池内水体平均流速越小,池内出现的反向流线就越多㊂在不同进水速度下,对比养殖鱼分布在养殖池上层㊁中层和下层3种工况时养殖池内水体平均速度和湍流强度(图10)可以看出,随着进水速度的增加,3种工况下养殖池内的平均速度和湍流强度呈现逐渐增加的趋势,但进水速度对养殖池内平均速度和湍流强度的影响范围不同㊂养殖池内的平均速度在进水速度为1.0~2.0m /s 时出现明显差异,养殖鱼在下层时养殖池内平均速度最大,养殖鱼在上层时池内的平均速度最小,养殖鱼在中层时介于两者之间;而3种工况下养殖池内的湍流强度在进水速度为1.5~2.0m /s 时出现明显差异,养殖鱼在上层时养殖池内湍流强度最大,养殖鱼在下448大连海洋大学学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第38卷层时养殖池内湍流强度最小,养殖鱼在中层时介于两者之间㊂可见,进水流速度越大,养殖鱼的空间位置分布对养殖池内流场特性的影响就越明显㊂图10㊀不同射流速度下3种工况的平均速度和湍流强度Fig.10㊀Average velocity and turbulent intensity ofthree cases at different jet velocities4㊀讨论4.1㊀养殖过程中放养密度的调整建议在工厂化循环水养殖系统中,为提高产量,养殖池内养殖鱼的放养密度较大,但过大的放养密度会对养殖池内流场产生一定的影响,如何确保不同养殖鱼类㊁不同养殖密度条件下养殖池内存在适宜的流场,是工厂化养殖能否成功的一个关键条件㊂本研究中发现,在水深方向分布位置相同㊁养殖鱼个体体积相同和鱼群放养密度不同的工况(工况E 与F)下,放养密度变化对养殖池流场特性的影响较为明显,放养密度越大,养殖池内整体平均速度下降越明显,这与Plew 等[14]的研究结果一致㊂这是由于在鱼群逆流游动影响下,养殖池中心区域出现了与养殖池内水体旋转方向相反的流线,这种反向流水体与养殖池内正向流动的水体发生摩擦和碰撞,造成正向流水体发生较大的能量损失,从而导致养殖池内中心区域附近出现较大面积的低流速区域,且这种现象随着养殖池内养殖鱼放养密度的增大而增大㊂本研究中还发现,在放养密度相同㊁养殖鱼类个体大小不同的条件(工况E 养殖鱼数量少于工况G,但养殖鱼个体体积却大于工况G)下,养殖鱼个体体积小㊁数量多时,养殖鱼的逆流游泳运动对养殖池流场影响范围更大,养殖池内流速下降更为明显㊂这是由于鱼群个体数量多,分布更加分散,养殖鱼与水体碰撞使养殖池内水体能量损失更大,池中心区域的流场直接受到鱼运动的影响,导致中心区域水体混合加剧[12],养殖池中心附近区域流速大幅下降㊂因此,在工厂化循环水养殖过程中,要根据养殖池内养殖鱼的放养密度㊁养殖鱼的个体大小㊁鱼群分布对养殖池流场特性的影响,调整养殖池的进水速度,维持适于养殖鱼类的流速条件,创造有利于养殖鱼类的生存和健康生长的养殖环境㊂4.2㊀养殖环境条件和养殖鱼习性对养殖池流场特性的影响本研究中,在放养密度和养殖鱼个体体积相同的条件下,分析了养殖鱼分别位于养殖池中层㊁上层和下层时对养殖池流场特性的影响,结果发现,鱼群分布在养殖池上层位置时,对池内流速和湍流的影响明显大于鱼群分布在中层和下层位置㊂这是由于当鱼群分布在养殖池上层和中层时,受鱼群的逆流游动影响,养殖池中心水域会形成一个低压区,并沿养殖池中心线产生强烈的垂直流,导致养殖池中心附近水体出现局部逆向流[24]㊂当逆向流出现在养殖池上层和中层时,会对养殖池下层水体产生影响,打破了下层原有的稳定流场,造成养殖池整体流速降低;而鱼群分布在养殖池下层时,逆向流主要对下层水体产生影响,在养殖池下层水体形成一个新的稳定流场,而对养殖池上层和中层的影响较小㊂在养殖池中,鱼群一般趋向于高溶解氧㊁低氨氮含量的水域,同时也会受到光照㊁摄食等因素的影响,使鱼群在养殖池中的空间分布不均匀㊂由于养殖鱼具有对较高流速或较低流速及不同水体混合区域的偏好[25],养殖池内流场速度的变化会影响养殖鱼的空间分布位置㊂因此,在工厂化循环水养殖过程中,应根据养殖鱼的习性㊁光照条件和鱼类摄食等因素导致的鱼群空间分布变化,调整养殖池内的水动力条件,减少鱼群空间分布变化对养殖池548第5期史宪莹,等:养殖鱼对养殖池内水动力影响的数值模拟流场特性的影响㊂5 结论1)在养殖池初始水动力条件㊁养殖鱼分布位置和个体体积大小相同时,放养密度越大对养殖池内水动力影响越大,表现为养殖池内平均流速下降,水体均匀性降低,导致养殖池局部出现低流速死水区㊂2)在初始水动力条件和放养密度相同时,由于数量多(个体体积小)的鱼群在养殖池内的分布更加分散,养殖鱼逆流游动产生的阻流作用增大,养殖池内整体平均流速下降明显㊂3)养殖鱼空间位置的改变会导致养殖池内流场特性的改变㊂当养殖鱼位于养殖池中层水体时,池内平均流速下降幅度最大,湍流强度变化最大,出现反向流线也最多;当养殖鱼位于下层时,对池内平均流速和湍流强度的影响最小㊂综上可知,养殖鱼的放养密度㊁鱼群数量和空间位置分布的变化都会对养殖池中流场的特性产生明显影响,在工厂化循环水养殖过程中,应根据养殖池内养殖鱼的放养密度㊁个体体积和空间分布变化情况等调整养殖池内水动力条件,以维持池内适于养殖鱼类的流场特性㊂参考文献:[1]㊀檀晨曦.循环水养殖模式下养殖密度和投喂频率对花鳗鲡生长性能㊁体组成㊁消化酶活性和血清生化指标的影响[D].上海:上海海洋大学,2016.㊀㊀㊀TAN C X.Effects of stocking density and feeding frequency on growth,body composition,digestive enzyme and blood biochemical of Anguilla marmorata in recirculating aquaculture system[D].Shanghai:Shanghai Ocean University,2016.(in Chinese) [2]㊀顾川川,张宇雷.国内外工厂化养殖鱼池流态研究进展概述[J].渔业现代化,2013,40(6):10-14,29.㊀㊀㊀GU C C,ZHANG Y L.Overview of research on tank flow pattern in industrial aquaculture systems[J].Fishery Modernization, 2013,40(6):10-14,29.(in Chinese)[3]㊀陈飞,潘昀,桂福坤.跑道式虾池管式射流驱动装置研究[J].浙江海洋学院学报(自然科学版),2017,36(3)207-211.㊀㊀㊀CHEN 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鱼类叉状尾鳍效率转捩点水动力性能研究
鱼类叉状尾鳍效率转捩点水动力性能研究熊仲营, 刘越尧(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院, 江苏 镇江, 212100)摘 要: 鲔科鱼类具有较高的游动速度和游动效率, 因此成为了仿生机器鱼的理想生物原型。
为了研究鲔科鱼类叉状尾鳍效率转捩点的水动力特征, 针对推力和功耗的源项进行重点分析。
尾鳍模型采用了相同的表面面积、展弦比和叉长。
为了统一尾鳍形状的尺度, 采用扫掠角用于表征不同的叉状尾鳍平面结构。
研究发现鲔科鱼类尾鳍扫掠角的增加弱化了尾鳍的有效面积, 导致了尾鳍摆动时推动流体向下游运动而受到的反作用力降低, 因此尾鳍的推进能力也会随之衰退。
另外, 扫掠角的增加也引起了前缘涡强度的增加和前缘涡的发展, 从而造成了更大的涡增推力。
然而, 过分增加扫掠角尽管存在功耗下降的优势, 但也引起推力和水动力效率的下降, 特别是对于高斯特劳哈尔数的情况。
通过对推力的源项进行分析发现扫掠角对附加质量力和涡增推力存在相反的作用机制。
关键词: 仿生机器鱼; 叉状尾鳍; 水动力性能; 涡中图分类号: U674.94 文献标识码: A 文章编号: 2096-3920(2024)01-0114-10DOI: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0066Hydrodynamic Performance of Efficiency Transition Point ofForked Caudal FinsXIONG Zhongying, LIU Yueyao(School of Naval Architecture & Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212100, China)Abstract: Thunniform fish has high swimming speed and swimming efficiency and thus becomes the ideal biological prototype of bionic robotic fish. In order to study the hydrodynamic characteristics of the efficiency transition point of the forked caudal fins of thunniform fish, the source terms influencing thrust and power consumption were mainly analyzed. The caudal fin model used the same surface area, aspect ratio, and fork length. To unify the metrics about the fin shape, the sweep angle was used to represent the structure for the forked caudal fins in this paper. It is found that the increase in the sweep angle attenuates the available area of the caudal fin of the thunniform fish, resulting in a lower reaction force to push the fluid downstream when the caudal fin swings. As a result, the thrust of the caudal fin decreases. Additionally, the rise in the sweep angle also triggers the enhancement of the strength and the development of the leading-edge vortex, thereby inducing greater vortex-augmented thrusts. However, an excessive increase in the sweep angle may trigger a decline in the thrust and efficiency, especially for a high Strouhal number, along with a decrease in power consumption. It is found that the sweep angle has an opposite action on the added mass force and vortex-augmented thrust by analyzing the source term of thrust.Keywords: biomimetic robotic fish; forked caudal fin; hydrodynamic performance; vortex收稿日期: 2023-05-22; 修回日期: 2023-06-22.基金项目: 江苏省高层次创新创业人才引进计划(JSSCBS20211001); 江苏科技大学科研启动基金项目(1012932009).作者简介: 熊仲营(1985-), 男, 博士, 硕士生导师, 研究方向为流动控制、仿生设计及多目标优化设计等.第 32 卷第 1 期水下无人系统学报Vol.32 N o.1 2024 年 2 月JOURNAL OF UNMANNED UNDERSEA SYSTEMS Feb. 2024[引用格式] 熊仲营, 刘越尧. 鱼类叉状尾鳍效率转捩点水动力性能研究[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(1): 114-123.0 引言在逃避捕猎者、追捕猎物和迁移的自然选择压力下, 鱼类已经演化出优秀的水下机动性能[1],其中鲔科为身体/尾鳍(body and caudal fin, BCF)游动模式鱼类, 具有较高的游动速度和游动效率, 因此成为了仿生水下机器鱼的理想生物原型。
水动力学条件对鱼类生长影响的试验研究
水动力学条件对鱼类生长影响的试验研究
本试验研究旨在探讨水动力学条件对鱼类生长的影响，重点探讨
水流速度、水力摩擦系数和湍流强度等水动力学因素对萤绿灯鱼（Gymnocorymbus ternetzi）生长的影响。
该研究采用随机化实验进行，测定方法和观测指标均严格按照流体力学理论的基本原理实施。
实验结果表明，随着水流速度的增加，萤绿灯鱼体重显著增加，同时
水力摩擦系数和湍流强度也是萤绿灯鱼体重增长的重要因素；此外，
在水流较低的条件下，萤绿灯鱼具有更多的生长优势，并且水流强度
和湍流强度越小，对其体长和体重增长的影响也就越明显。
综上所述，有效控制水动力学条件是促进萤绿灯鱼充分健康生长的关键因素。
鱼游推进的水动力学研究综述
鱼游推进的水动力学研究综述
刘卉;邵雪明;潘定一;赵良明
【期刊名称】《舰船科学技术》
【年(卷),期】2011(000)0z1
【摘要】自然界中的鱼类游动时有着高速、高效和低噪等优点,人类一直以来试图通过对其游动机理的探索,获得借鉴并为自己所用.近一个世纪以来,在鱼游方面的研究已取得丰硕的成果.特别是近20年来,随着计算流体力学以及流动显示技术的发展,鱼游推进重新成为研究热点.本文首先介绍了鱼类游动的分类,并在此基础之上分别对鱼形体波动、尾鳍拍动以及复杂流场下鱼游推进的相关研究工作进行了介绍和归纳.
【总页数】4页(P18-21)
【作者】刘卉;邵雪明;潘定一;赵良明
【作者单位】中国舰船研究院,北京100192;浙江大学力学系流体工程研究所,浙江杭州310027;浙江大学力学系流体工程研究所,浙江杭州310027;中国舰船研究院,北京100192
【正文语种】中文
【中图分类】U661.3
【相关文献】
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水动力学条件对鱼类生长影响的试验研究刘 稳1,诸葛亦斯2,欧阳丽1,余 伟1,刘德富1(1.三峡大学土木水电学院,湖北宜昌 443002;2.武汉大学水利水电学院,湖北武汉 430072)摘要:以鲫鱼为研究对象,将其放入流速渐变环形水槽的不同水动力分区中进行实验,研究水动力学条件对鱼类生长的影响。
通过对水槽流场的三维数值模拟,得到其中与鲫鱼生长相联系的水动力学细部特征,将模拟结果与实测流场数据比较分析,结果可靠。
细部特征采用流速、流速梯度和动能梯度3个水动力学特征量进行量化分析,并结合鲫鱼相对日增长率,得到鱼类生长与水动力学特征量之间的定量关系。
流速对鲫鱼有一个短期的胁迫作用,0.20m /s 流速比较适宜鲫鱼的生长;鲫鱼的体重相对日增长率随着水流动能梯度增大而下降,两者呈现负相关性,0.009J /(kg ·m )为鲫鱼生长所需动能梯度的一个阈值。
通过量化鱼类生长对水动力学条件的需求,可为生态水利规划提供定量化的依据。
关 键 词:生态水力学;水动力学;三维数值模拟;鱼类生长中图分类号:Q178.1 文献标识码:A 文章编号:1001-6791(2009)06-0812-06收稿日期:2008-12-10基金项目:国家自然科学基金资助项目(50639070)作者简介:刘 稳(1985-),男,湖南长沙人,硕士研究生,主要研究方向为生态水工。
E -mail :liu wen290@gmail .com 通信作者:刘德富,E -mail :dfliu @ctgu .edu .cn河流是各类水生生物的栖息地,是鱼类、无脊椎动物等动物的生存繁殖和水生植物生长的基础。
水利枢纽的拦蓄作用和引调水工程对水资源的重新配置,使河流水动力学条件发生巨大变化,对鱼类等水生生物的生长与繁殖产生很大的影响[1]。
鱼类生命周期中部分或者全部生命阶段依靠某种特定的水动力学条件,如四大家鱼产卵的发生和水位的涨落有明显的相关性,趋流性的鱼类要靠流速的存在和大小来判断游泳路线甚至洄游的路线[2]。
寻找适宜鱼类生长的水动力学条件是当前生态水力学研究的重要课题,为探索水动力学条件对鱼类生长的影响,修建了流速渐变环形生态水槽,并在水槽内选取鲤科鱼类鲫鱼为代表进行模型试验研究。
在获得鱼类活动区域内所有点的水动力学要素非常困难的情况下[3],本文运用数学模型对该流场进行模拟。
水生生物总是与水动力学细部特征相联系[4],为了能从模型中获取到生物学上有意义的信息,模型采用足够小的网格对小空间尺度进行了模拟。
通过选用流速、流速梯度、动能梯度3个水动力学特征量量化鱼类生长的水动力学条件来定量研究其与鱼类生长的关系[5-6]。
1 环形渐变水槽设计及其水流状态模拟1.1 水槽设计原理设计流速渐变环形水槽长16m ,宽度3m ,模型最大水深为2m ,如图1所示。
进口处由潜水泵控制流量。
基于水力学连续方程Q =Av ,由于潜水泵功率固定,在水槽模型中形成了水流循环系统,且单位时间内向前方推动的水体体积相同,即流量Q 为常数。
由于沿水流前进方向过水段面的宽度B 发生均匀变化,且整个水槽模型水深控制在60cm ,潜水泵形成的水力坡降十分小,可忽略不计,水深h 为常数。
过水断面面积A =Bh 沿水流前进方向变大的同时,过水断面平均流速v =Q /A 在不断变小。
模型中间部分通过改变截面来改变断第20卷第6期2009年11月 水科学进展ADVANCE S IN WATER SCIE NCE Vol .20,No .6 Nov .,2009 DOI :10.14042/j .cn ki .32.1309.2009.06.001面流速,水流流速范围为0.1～1.2m /s。
图1 水槽平面图与流速分区Fig .1Planar graph and velocity subzones of channel1.2 水槽水流状态的实测及物理空间分区实验中使用挪威Nortek AS 公司1999年推出的声学多普勒三维点式流速仪测定水体流速[7],测量精度为测量值的(0.5±0.1)%(cm /s )。
沿水流方向每隔0.9m 布置一个测量段面,并且在每个横断面上均布3～5条垂线进行测量,将所有测出的流速点运用自然零点法插值,绘制出流速分布云图。
根据水槽模型流速分布的具体情况,用直径为2cm 的网栅将水槽沿水流方向分为6个小区间,分区情况如图1所示,各区间流速沿水流方向总体在下降,标号依次为0区～5区,各区的平均流速分别为1.00、0.73、0.60、0.31、0.39、0.20m /s 。
实验选用的鲫鱼为底栖鱼类,主要受到底部流速胁迫的影响,所以本文侧重研究鲫鱼所生活的水槽底部水动力学情况。
距水槽底部0.2m 深度范围的实测流速分布云图如图2所示。
图2 水槽底部实测流速云图Fig .2Cloud chart of the measured bottom velocity1.3 水槽水流三维数值模型模拟水槽水流三维数值模型采用不可压缩流体、浅水、Boussinnesq 假定下的Navier -Stokes 控制方程[8]。
距水槽底部0.2m 深度范围的模拟流速分布矢量图如图3所示。
经过比较,水槽流速的模拟值和实测值非常接近,整个流场的流态也非常相似。
数值模拟能较好的模拟流速渐变环形水槽的真实流态。
流速按照水力学方程v =Q /A ,水槽4区的流速应比3区的平均流速小,但从实测结果与模拟结果都可以得到水槽4区的平均流速比3区的大,由于水槽边界的急剧变化致使水槽转弯处水流内部各质点的流速、压强发生改变,即水流内部结构发生急剧调整,从而使4区流速增大。
同时可以看到水槽边界急剧变化处之后水槽的流速分布随着断面面积的增大越来越趋向于均匀,如图3所示。
813 第6期刘稳,等:水动力学条件对鱼类生长影响的试验研究图3 水槽流场模拟流速分布矢量图Fig .3Contour of the simulated bottom velocit y2 鱼类生长研究的实验方法选用鲫鱼为实验鱼种,为了保证生物实验的统计意义,并尽量减小实验误差,选用大小、体重基本一致,且有活力比较健康的鲫鱼作为实验对象。
实验要求有适宜的温度、光照、溶解氧、食饵等。
最基本的要求是要有适宜的水源,包括合适的水化学成分和水温。
本实验采用自来水作为水源,并加入少量硫代硫酸钠去除自来水中的氯和氨。
在试验水槽中加有过滤净化装置,每周将水槽中的水全部更换1次,其中每2d 更换水槽1/3的水。
使用氧气泵保证水槽中有充足的溶解氧。
为了预防疾病传染,采用稀释的高锰酸钾溶液,浸浴试验鱼。
实验开始前先将试验鱼驯养一个星期,使其适应水槽环境。
在1区到5区流速区间中,每个区间都放置75尾大小比较接近的鲫鱼,由于试验鱼数量有限,在0区只放置10尾。
鲫鱼的平均体重为52g ,区间最大养殖密度为2.4kg /m 2,可以不考虑密度对生长差异的影响[9]。
每天定时在9:00和16:00投放鱼食,每天投放鱼食量为鱼体重的5%左右。
从实验开始的第3d 、第10d 、第20d 、第30d 每次从1区到5区流速区间各取12尾鲫鱼进行称重,且在第30d 对0区的10尾鲫鱼也进行称重。
试验从2008年8月2日起,至2008年9月3日结束,历时30d 。
表1 试验各流速区的水流特征量与鲫鱼体重相对日增长率Table 1Flow characteristics variables and relative growth rates of each velocity subzone区间相对日增长率/d -1平均流速/(m ·s -1)流速梯度/s -1动能梯度/(J ·kg -1m -1)0区0.010541.000.2500.2571区0.011610.730.3050.1882区0.011260.600.0560.0244区0.013610.390.0260.0133区0.012260.310.0340.0103 水动力学条件对鱼类生长的影响3.1 水力学特征量鱼类生命周期中部分甚或全部生命阶段依靠某种特定的水动力学条件[10-12],根据各特征量描述对象的不同,可以将表征河流水力学条件的特征量分为4种类型[13],第1类是描述水流运动的量,如流速等;第2类是描述河道形态的量,如水深、湿周等;第3类是工程水力学中常用的量纲一量,如弗劳德数(Fr )、雷诺数(Re )等;第4类是通过流体力学的相关方程导出的,用来描述水流复杂状况的特征量,主要包括Cro wder 和Diplas 提出的用来描述水流复杂程度的4个特征量[14]。
流速梯度用以描述流场的散乱程度,其数学表达式是(v 1-v 2)/Δs ,单位为s -1。
动能梯度表示2个近距离空间点之间由于流速不同产生的动能梯度,该值越大说明流态越紊乱,其含义为单位距离单位质量空间动能梯度,物理意义正比于作用在生物体上的迎面阻力,度量从一个位置到另一个位置耗费的能量。
其数学表达式是 v (v 1-v 2)/Δs ,单位为J /(kg ·m ),一般情况下实测值在0～0.2J /(kg ·m )。
814水科学进展第20卷由于数值模拟能较好的模拟流速渐变环形水槽的真实流态,且通过数值模拟得到各试验区大量的流速数据,从而方便进行定量研究细部水动力学条件。
通过读取各流速区间的所有网格节点处的模拟流速值与相应的坐标值,计算得到整个流速区间的平均流速值,同时求出各流速区间中每以0.3m 为间隔的距底部0.2m 区域的各过水断面平均流速,进而求出各断面之间的流速梯度与动能梯度,从而求出所研究流速区的平均流速梯度与动能梯度,求得的各区间的水流特征量值如表1所示。
表1中鲫鱼相对日增长率为实验30d 后所测得的值,其中相对日增长率为实验区的鲫鱼体重平均相对增长率除以实验天数。
3.2 流速对鱼类生长影响分析有关文献[15]指出0.6m /s 为鲫鱼的喜好流速上限,从图4可以看出在实验开始后的前10d 内,受水流流速的影响,在大于鲫鱼喜好流速上限的流速区间中鲫鱼的体重相对日增长率呈现一个先下降(负增长)后上升的趋势;在小于鲫鱼喜好流速上限的流速区间中鲫鱼的体重相对日增长率呈现一个先上升后下降的趋势;在实验开始10d 后各流速区鲫鱼的体重相对日增长率开始趋于一个稳定状态;到30d 后各流速区鲫鱼的体重相对日增长率基本保持一个稳定值。
说明在一个短的时期内,当鲫鱼生活在小于其喜好流速上限的流速环境时,流速对鲫鱼的生长起到一个促进作用;而当鲫鱼生活在大于其喜好流速上限的流速环境时,流速对鲫鱼的生长起到一个阻碍作用。
不同流速区间鲫鱼的体重相对日增长率存在差异,但经过一段时期后鲫鱼开始慢慢适应其生长的水流环境,其体重相对日增长率保持一个相对稳定值。