差热式人工上升流的数值模拟

夏梦清，吕 明，潘华辰

(杭州电子科技大学机械工程学院，浙江 杭州 310018)



差热式人工上升流的数值模拟

夏梦清，吕 明，潘华辰

(杭州电子科技大学机械工程学院，浙江 杭州 310018)

本文通过数值模拟方法研究了一种新的人工上升流技术——差热式人工上升流，通过对差热式人工上升流的理论分析，利用经典计算流体力学软件FlUENT建立合理的数值模型，模拟分析上升流的流场，并探讨不同工况下差热式人工上升流流场的变化规律，得到不同的加热功率与上升流上升速度、有效横截面积以及流量等特性参数之间的关系.增大加热功率能够提高上升流上升速度，增加有效横截面积和流量，有利于上升流的产生，不过随着加热功率的加大有利的效果会减弱.

人工上升流；差热；计算流体力学

0 引 言

上升流能够将深海中丰富的营养盐带至海洋表面，再经光合作用产生大量浮游生物，该海域就会成为适合鱼类等海洋生物生存的环境[1]，透光层内海水营养成分的补充是改善海水鱼类食物链的环境条件和海水野生鱼类自然增产的关键，所以世界上主要渔场大多分布在上升流发生频繁的海域[2].

近年来，全球近海生态环境恶化，渔业资源衰退[3].自然海洋上升流存在季节性和区域性的缺点[4-5]，人工上升流可以弥补自然上升流在时间和空间上的局限性，在改善海洋环境和增殖渔业资源等方面发挥重大作用.除此以外，上升流被发现能够减少人为二氧化碳在大气中的积聚[6].

在过去的几十年里，世界各地都开始对人工上升流进行研究，并取得了许多研究成果.日本研制出一种名为“拓海”的人工上升流装置，该装置采用浮在海上的大型海洋平台，以水泵吸水的方式来实现海底营养盐的提升[7-8]，耗资耗能巨大，效率低下，所形成的人工上升流效果并不理想.文献[9-12]提出利用波浪泵配合单向阀门用抽吸的方式来抽取深层海水形成上升流.波浪泵结构简单、性能可靠、价格低廉、采用绿色可持续能源，但其流量有限，提升效率不高，无法满足海洋生产对营养盐提升的要求.

文献[13]提出一种基于“盐指现象”原理的人工上升流装置.所谓“盐指现象”是指在许多热带和亚热带海域，表层海水的温度、盐度均高于底层海水，从而令一部分盐度较高的海水呈指状下沉，而驱使盐度较低的底层海水上升产生上升流.“盐指”上升流装置无需任何能量，只需在海洋中插一些竖管，并提供初始的管涌，因此节能环保.但该装置可靠性低，不能保证在作业海域全时空形成上升流.

文献[14]基于气力液体提升理论提出了水下注气式人工上升流技术.该技术将压缩空气打入海中形成气泡群，气泡在浮升力的作用下向上运动，从而带动周围海水向上运动，形成上升流.文献[15-16]将水下注气人工上升流技术尝试应用于芬兰赫尔辛基市新港的破冰工程，文献[17]研究了气泡参数对上升流流量的影响，文献[18]冷金英等人研究了气力人工上升流对水体温度的影响，文献[19]对空气提升泵的性能开展了实验研究.

文献[20]出了一种利用温差来产生人工上升流的技术——差热式人工上升流技术.该技术通过人工的方式加热较深处低温水层的海水，在低温水层形成局部热温区，根据流体力学原理，流体内的温度梯度会引起密度梯度，通常高温流体密度低，低温流体密度高，因此热温区的低密度海水将在因密度梯度而产生的浮升力作用下自然上升，产生上升流.

本文对不同工况下的差热式人工上升流系统开展数值模拟研究.研究在典型初始水温的条件下，加热功率和距热源高度与上升流上升速度、有效横截面积以及上升流流量等特性参数之间的关系.通过这些工作的开展能为差热式人工上升流技术未来的研究提供帮助.

1 数值模型方法

1.1 流体场控制方程

流场海水可看作粘性不可压缩流体，其控制方程的一般形式为：

(1)

式中，U为速度矢量，ρ为流体密度，φ为通用变量，Γφ为广义扩散系数，Sφ为广义源项[21].令φ=1便得到连续性方程，令φ={u，v，w，k，ω}便得到动量守恒方程和湍流模型方程，其符号含义可参见有关文献.

1.2 几何模型和计算网格

本文在水箱里研究不同工况下的差热式人工上升流.模型主体由两部分所组成，其一为700 mm×400 mm×500 mm的实验水箱.其二为一个半径为7 mm，高度为75 mm的圆柱形加热棒.圆形加热棒垂直竖立在水箱底面的中心位置.

因为几何模型相对规则，所以采用结构网格划分，而且结构网格生成速度快、质量好，计算时占用计算机资源少.本文采用专业的网格生成器软件Gridgen对其进行网格划分.

差热式人工上升流涉及传热问题，在网格的处理上对模型的中心区域和近壁面区域进行了加密处理，如图1所示.对热源附近的区域进行加密，形成边界层；产生上升流的主要区域集中在热源及热源上方轴线附近，该区域的流速、温度变化梯度比较大，是本文研究的重点区域，所以该区域的网格相对设置较密，向外逐渐稀疏.此外，水箱壁面处的速度梯度较大，存在壁面效应，同样进行加密处理.

对面网格进行划分以后，在竖直方向上进行拉伸，进而得到整个计算域的体网格，总体网格数约为40万，当提高到100万左右时，计算结果并未发生明显变化，可以认为40万的网格符合计算要求，满足网格无关性验证的要求，如图2所示.

图1 中心区域和近壁面区域加密后的网格

图2 整个计算域网格的划分

1.3 数值模型和边界条件

本文在模拟计算时，使用了商业CFD软件ANSYS 14.0的组件FLUENT.差热式人工上升流是自然对流现象，属于低雷诺数的湍流流动，所以本文对上升流的数值模拟选用标准k-ε模型，采用壁面函数，该模型适用于自然对流的模拟，在实际工程中，标准k-ε模型的应用十分广泛，模拟结果较为可靠.

数值模拟中材料使用液态水，利用Fluent中的piecewise-liner模块自定义水的参数，包括水的密度、比热容、导热系数和粘度随温度变化的关系[22].水的参数随温度的变化情况如表1所示.

表1 水的参数随温度的变化

水箱四周表面和底面设为固壁，热条件为固定温度即环境温度，本文环境水温设为20 ℃；热源的侧表面设为固壁，热条件为固定热通量，其值根据加热功率而定；热源上表面设为固壁，绝热条件；水体的上表面设为光滑的墙面，热条件为固定温度，即环境水温.

数值模拟的算法选择SIMPLE，求解Pressure方程的离散格式为Standard.计算中时间步长为0.01，每一时间步迭代的最大步数为20.当计算收敛，速度场波动很小且形成回流时，认为形成了稳定的上升流，随后在这基础上计算出差热式人工上升流的平均速度场.

2 模拟结果与讨论

本节通过数值模拟分析了差热式人工上升流的流场基本特性.主要考察了在相同的初始温度下(20 ℃)条件下，不同的热源加热功率(即100 W，200 W，300 W，400 W)对上升流的上升特征速度、上升流有效横截面积及上升流流量3个特性参数的影响规律.

2.1 差热式人工上升流流场

本文通过后处理软件Tecplot可以观察模拟结果，如图3所示，差热式人工上升流流场呈倒圆锥形，主要的流场区域在热源正上方，并且在水面下方80 mm的高度出现涡流.相同的初始水温的条件下，不同的加热功率所产生的上升速度有明显的差异，加热功率越高，上升速度越快.比较模拟结果和文献[23]所研究相同工况的实验结果，差热式人工上升流的流场云图与实验结果基本吻合，上升速度数值上虽然整体略为偏小，但上升特征速度随高度变化的趋势完全一致，说明模型在特性描述上是比较准确的.

2.2 上升流上升特征速度变化规律

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.为了分析上升流流场在不同高度的上升速度特性，以平均流场中上升流流束在不同高度截面上位于热源中心轴线上的点所具有的Y方向速度来表征，简称之为“上升特征速度”，截面上的上升特征速度实际上代表了该截面所具有的最大上升速度.

图3 初始水温为20 ℃时，不同加热功率下，上升流竖直截面Y方向速度云图和矢量图

图4 不同加热功率条件下，上升特征速度随高度变化曲线

由图4可知：

1)在相同初始水温和加热功率的条件下，上升流上升特征速度随着距离热源高度的增加先增大后减小并在一定高度范围下降趋势变缓，最后在接近水面附近区域又迅速降低.在所计算的4种工况下，上升特征速度的最大值都在距离热源高50～100 mm的范围内出现.

2)在相同初始水温和相同高度的条件下，加热功率高的上升流上升特征速度明显要高于加热功率低的工况.其中加热功率(100 W)工况的上升流上升特征速度与加热功率(200 W)工况差距额度最大，加热功率(400 W)工况的上升流上升特征速度与加热功率(300 W)工况差距额度相对最小.即在相同初始水温、一定的加热功率范围内，随着加热功率的增大，同等高度的上升流上升特征速度会增大，并且增大的幅度会逐渐减小.

2.3 上升流有效横截面面积变化规律

图5 不同加热功率条件下，上升流有效横截面积随高度变化曲线

上升流有效横截面面积是指水平截面上具有正Y方向速度(即上升速度)的区域总面积.在本文中，为了方便统计，规定正Y方向的速度大于0.01 m/s的区域为上升流有效区域.

根据模拟计算结果，在20 ℃的初始水温以及4种不同加热功率条件下，上升流有效横截面面积随高度的变化曲线如图5所示.

由图5可知：

1)在相同初始水温和加热功率的条件下，上升流有效横截面积随着距离热源高度的增加而增大，最后在快接触水面的区域迅速减小.在所考察的4种工况中，当距离热源高度在350 mm以下时，上升流有效横截面积随着高度的增加而增大的速度加快.在接近水面区域的上升流有效横截面积反而减小，主要因为其截面内大部分区域上升速度过小而不在统计速度区间的范围内.因此在接近水面的区域(在本文模型条件下可视之为距离热源高度高于350 mm到水面的这段区域)，上升流有效横截面积与真实的上升流流束横截面情况存在差异.在水表面上因为上升速度为零，因此该处的有效横截面积为零.

2)在相同初始水温和相同高度的条件下，加热功率越高的上升流有效横截面积总体要高于加热功率低的工况.其中加热功率(100 W)工况的有效横截面积与加热功率(200 W)工况差距额度最大，加热功率(400 W)工况的上升流有效横截面积与加热功率(300 W)工况差距额度相对最小，以距离热源高度350 mm为例，加热功率(100 W)横截面积为64.7 cm2、加热功率(200 W)横截面积为77.8 cm2、加热功率(300 W)横截面积为82.9 cm2、加热功率(400 W)横截面积为85.7 cm2，在一定的加热功率范围内，随着加热功率的增大上升流有效横截面积会有所增大，但是增大的幅度会逐渐减小.

2.4 上升流流量的变化规律

上升流流量是通过统计上升流有效面域的流量而获得的.即：

(2)

图6 不同加热功率条件下，上升流流量随高度变化曲线

根据模拟计算结果，在20 ℃的初始水温以及4种不同加热功率条件下，上升流流量随高度的变化曲线如图6所示.

由图6可知上升流流量与上升流有效横截面积随高度的变化趋势是一致的.

1)在相同初始水温和加热功率的条件下，上升流流量随着距离热源高度的增加而增大，最后在快接触水面的区域迅速减小.在所考察的3种工况中，当距离热源高度在350 mm以下时，上升流流量随着高度的增加而增大的速度加快.在接近水面的区域，由于计算所用的上升流有效横截面积与真实情况存在差异，因此该区域所计算得到的上升流流量只能作为参考.

2)在相同初始水温和相同高度的条件下，对于上升流流量，加热功率越高的上升流流量总体要高于加热功率低的工况.其中加热功率(100 W)工况的有效横截面积与加热功率(200 W)工况差距额度最大，加热功率(400 W)工况的上升流有效横截面积与加热功率(300 W)工况差距额度相对最小.在一定的功率范围内，随着加热功率的增大上升流流量会有所增大，但是增大的幅度会逐渐减小.总体而言，在相同初始水温下，加热功率的提高对于上升流的产生是有利的.

3)在设计工况条件下，最大上升流流量可以达到164.29 cm3/s.

3 结束语

本文通过数值模拟方法对差热式人工上升流的一些主要特性开展了基础性研究，研究结果发现：本文所建立的差热式人工上升流数值模型与实验结果相印证进一步表明了其紊流特性.整体上，上升流的上升特征速度随着距离热源高度的增加先增大后减小；上升流流束的有效横截面积与上升流流量随高度的变化趋势一致，均随着高度的增加先增大后减小；在相同环境下，增加加热功率能够提高上升流上升速度、流量等，从而对于上升流的产生是有利的，不过随着加热功率的加大其有利的效果会逐渐减弱.在本文设计工况条件下，所获得的最大上升流流量可以达到164.29 c m3/s.本文的研究结果进一步阐释了差热式人工上升流在开放环境下的流场特征，其人工上升流系统数值模型的建立方法为后续各种特殊环境下的差热式人工上升流特性以及未来海洋环境下大型工程应用的数值模拟研究提供了基础.下一步，本文将考虑在闭式环境下对差热式人工上升流开展数值模拟研究，以考察在有限空间内上升流的流动与传热特性.

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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

国家自然科学基金资助项目(51209062)；浙江省自然科学基金资助项目(LY16E090006)

夏梦清(1993-)，男，安徽亳州人，硕士研究生，机械工程.通信作者：吕明副教授，E-mail：lvmingcn@163.com.

P741

A

1001-9146(2016)06-0050-07