[发明专利]一种深海网箱高密度养殖鱼群的数值模拟方法

说明书

本发明公开了一种深海网箱高密度养殖鱼群的数值模拟方法，该方法采用刚体鱼模型对养殖鱼群进行模拟，刚体鱼包括鱼身和鱼尾部分，在鱼身和鱼尾分别施加拖曳力和升力，模拟高密度鱼群对网箱周围流场和变形的影响。采用k‑ωSST湍流模型模拟网箱及高密度养殖鱼群周围的流场，采用非线性结构有限元模型计算网箱的结构变形，最终实现了高密度养殖鱼群对网箱周围流场和变形影响的数值模拟。采用本方法可以计算得到不同的养殖鱼群分布方式、养殖密度、游动速度和加速度条件下网箱周围流场和结构变形。该模型解决了深海网箱内部高密度养殖鱼群的数值模拟的问题，可以很好地用于实际网箱的动力响应分析，为深海网箱的结构设计提供支撑。

技术领域

本发明属于海洋工程和水产养殖工程技术领域，特别涉及到一种波流作用下网箱养殖设施内部高密度养殖鱼群对水流影响的三维数值模拟方法。

背景技术

随着海洋养殖从近岸走向深水的过程中，大型网箱是未来海洋养殖的发展趋势。利用网箱进行水产养殖是一种高密度、集约化的水产养殖方式，网箱内部高密度的养殖鱼群的活动将对网箱周围的流场产生显著的影响，势必也将影响到网箱的荷载以及结构变形；利用数值模拟的方法研究鱼群对于网箱周围流场及其所受荷载的影响机制是建立网箱养殖设施结构动力响应分析的精细化模型关键。

目前，国内外关于波流作用下网箱动力响应的数值模拟研究，并没有考虑高密度养殖鱼群对网箱内部流场及其变形的影响，这将影响到网箱内部流场和结构变形的准确计算。传统的关于鱼的游动的数值模型，是采用计算流体动力学的方法对鱼的游动进行模拟，但是这一类方法在进行高密度养殖鱼群的模拟时，需要大量的细致的网格，会严重影响计算效率，使得计算无法进行。因此，提出一种行之有效的高密度养殖鱼群的数值模拟方法是十分必要的，对于深水网箱的设计具有重要意义。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种波流作用下养殖网箱内部高密度鱼群的数值模拟技术。

本发明的技术方案：

一种深海网箱高密度养殖鱼群的数值模拟方法，步骤如下：

通过流场模型计算获得网衣周围的流场和压力场，然后对网衣表面的压力进行积分获得网衣受到的水动力荷载，进一步通过网衣的非线性有限元模型计算得到网衣的应力和变形；具体方法如下：

A、流场计算模型

将网衣简化成一系列的圆柱结构，模拟网箱对周围流场的影响；采用有限体积法求解网箱周围流场的控制方程，计算获得网箱周围的流场；

B、网衣结构有限元模型

波流作用下柔性网衣将产生大变形，采用大变形非线性结构模型建立网衣的有限元模型，计算网衣的应力、应变和位移；网衣简化成一系列杆单元和与之相连的球形铰单元；杆单元和与之相连的球形铰单元之间无相对平动位移，可产生相对转动；

C、高密度养殖鱼群的模拟

采用刚体鱼模型对网箱中的养殖鱼群进行模拟，分析高密度养殖鱼群对网箱周围流场及其变形的影响；刚体鱼模型包括两部分：鱼身和鱼尾，忽略鱼鳍和尾鳍；鱼身部分受到水流产生的拖曳力(阻力)，而鱼尾部分产生推进力。

本发明的有益效果：

(1)本发明采用刚体鱼模型对高密度养殖鱼群进行模拟，分别在鱼身和鱼尾施加拖曳力和推进力，可以对高密度养殖鱼群进行模拟，高效地实现养殖鱼群对网箱周围流场和变形影响的数值模拟，为深海网箱的设计奠定重要基础。

(2)本发明提出的刚体鱼模拟，可以很好地模拟养殖鱼群的分布方式、游动速度和加速度等参数对网箱流场和变形的影响，具有很好的实用性。