差熱式人工上升流的數值模擬

夏夢清，呂 明，潘華辰

(杭州電子科技大學機械工程學院，浙江 杭州 310018)

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差熱式人工上升流的數值模擬

夏夢清，呂 明，潘華辰

(杭州電子科技大學機械工程學院，浙江 杭州 310018)

本文通過數值模擬方法研究了一種新的人工上升流技術——差熱式人工上升流，通過對差熱式人工上升流的理論分析，利用經典計算流體力學軟件FlUENT建立合理的數值模型，模擬分析上升流的流場，并探討不同工況下差熱式人工上升流流場的變化規律，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之間的關系.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，有利于上升流的產生，不過隨著加熱功率的加大有利的效果會減弱.

人工上升流；差熱；計算流體力學

0 引 言

上升流能夠將深海中豐富的營養鹽帶至海洋表面，再經光合作用產生大量浮游生物，該海域就會成為適合魚類等海洋生物生存的環境[1]，透光層內海水營養成分的補充是改善海水魚類食物鏈的環境條件和海水野生魚類自然增產的關鍵，所以世界上主要漁場大多分布在上升流發生頻繁的海域[2].

近年來，全球近海生態環境惡化，漁業資源衰退[3].自然海洋上升流存在季節性和區域性的缺點[4-5]，人工上升流可以彌補自然上升流在時間和空間上的局限性，在改善海洋環境和增殖漁業資源等方面發揮重大作用.除此以外，上升流被發現能夠減少人為二氧化碳在大氣中的積聚[6].

在過去的幾十年里，世界各地都開始對人工上升流進行研究，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，以水泵吸水的方式來實現海底營養鹽的提升[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[9-12]提出利用波浪泵配合單向閥門用抽吸的方式來抽取深層海水形成上升流.波浪泵結構簡單、性能可靠、價格低廉、采用綠色可持續能源，但其流量有限，提升效率不高，無法滿足海洋生產對營養鹽提升的要求.

文獻[13]提出一種基于“鹽指現象”原理的人工上升流裝置.所謂“鹽指現象”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，而驅使鹽度較低的底層海水上升產生上升流.“鹽指”上升流裝置無需任何能量，只需在海洋中插一些豎管，并提供初始的管涌，因此節能環保.但該裝置可靠性低，不能保證在作業海域全時空形成上升流.

文獻[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.該技術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動，從而帶動周圍海水向上運動，形成上升流.文獻[15-16]將水下注氣人工上升流技術嘗試應用于芬蘭赫爾辛基市新港的破冰工程，文獻[17]研究了氣泡參數對上升流流量的影響，文獻[18]冷金英等人研究了氣力人工上升流對水體溫度的影響，文獻[19]對空氣提升泵的性能開展了實驗研究.

文獻[20]出了一種利用溫差來產生人工上升流的技術——差熱式人工上升流技術.該技術通過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，根據流體力學原理，流體內的溫度梯度會引起密度梯度，通常高溫流體密度低，低溫流體密度高，因此熱溫區的低密度海水將在因密度梯度而產生的浮升力作用下自然上升，產生上升流.

本文對不同工況下的差熱式人工上升流系統開展數值模擬研究.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之間的關系.通過這些工作的開展能為差熱式人工上升流技術未來的研究提供幫助.

1 數值模型方法

1.1 流體場控制方程

流場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為廣義擴散系數，Sφ為廣義源項[21].令φ=1便得到連續性方程，令φ={u，v，w，k，ω}便得到動量守恒方程和湍流模型方程，其符號含義可參見有關文獻.

1.2 幾何模型和計算網格

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的實驗水箱.其二為一個半徑為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.

因為幾何模型相對規則，所以采用結構網格劃分，而且結構網格生成速度快、質量好，計算時占用計算機資源少.本文采用專業的網格生成器軟件Gridgen對其進行網格劃分.

差熱式人工上升流涉及傳熱問題，在網格的處理上對模型的中心區域和近壁面區域進行了加密處理，如圖1所示.對熱源附近的區域進行加密，形成邊界層；產生上升流的主要區域集中在熱源及熱源上方軸線附近，該區域的流速、溫度變化梯度比較大，是本文研究的重點區域，所以該區域的網格相對設置較密，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，同樣進行加密處理.

對面網格進行劃分以后，在豎直方向上進行拉伸，進而得到整個計算域的體網格，總體網格數約為40萬，當提高到100萬左右時，計算結果并未發生明顯變化，可以認為40萬的網格符合計算要求，滿足網格無關性驗證的要求，如圖2所示.

圖1 中心區域和近壁面區域加密后的網格

圖2 整個計算域網格的劃分

1.3 數值模型和邊界條件

本文在模擬計算時，使用了商業CFD軟件ANSYS 14.0的組件FLUENT.差熱式人工上升流是自然對流現象，屬于低雷諾數的湍流流動，所以本文對上升流的數值模擬選用標準k-ε模型，采用壁面函數，該模型適用于自然對流的模擬，在實際工程中，標準k-ε模型的應用十分廣泛，模擬結果較為可靠.

數值模擬中材料使用液態水，利用Fluent中的piecewise-liner模塊自定義水的參數，包括水的密度、比熱容、導熱系數和粘度隨溫度變化的關系[22].水的參數隨溫度的變化情況如表1所示.

表1 水的參數隨溫度的變化

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

數值模擬的算法選擇SIMPLE，求解Pressure方程的離散格式為Standard.計算中時間步長為0.01，每一時間步迭代的最大步數為20.當計算收斂，速度場波動很小且形成回流時，認為形成了穩定的上升流，隨后在這基礎上計算出差熱式人工上升流的平均速度場.

2 模擬結果與討論

本節通過數值模擬分析了差熱式人工上升流的流場基本特性.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個特性參數的影響規律.

2.1 差熱式人工上升流流場

本文通過后處理軟件Tecplot可以觀察模擬結果，如圖3所示，差熱式人工上升流流場呈倒圓錐形，主要的流場區域在熱源正上方，并且在水面下方80 mm的高度出現渦流.相同的初始水溫的條件下，不同的加熱功率所產生的上升速度有明顯的差異，加熱功率越高，上升速度越快.比較模擬結果和文獻[23]所研究相同工況的實驗結果，差熱式人工上升流的流場云圖與實驗結果基本吻合，上升速度數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完全一致，說明模型在特性描述上是比較準確的.

2.2 上升流上升特征速度變化規律

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在不同高度的上升速度特性，以平均流場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所具有的Y方向速度來表征，簡稱之為“上升特征速度”，截面上的上升特征速度實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，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變緩，最后在接近水面附近區域又迅速降低.在所計算的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的范圍內出現.

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)工況差距額度相對最小.即在相同初始水溫、一定的加熱功率范圍內，隨著加熱功率的增大，同等高度的上升流上升特征速度會增大，并且增大的幅度會逐漸減小.

2.3 上升流有效橫截面面積變化規律

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)的區域總面積.在本文中，為了方便統計，規定正Y方向的速度大于0.01 m/s的區域為上升流有效區域.

根據模擬計算結果，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域迅速減小.在所考察的4種工況中，當距離熱源高度在350 mm以下時，上升流有效橫截面積隨著高度的增加而增大的速度加快.在接近水面區域的上升流有效橫截面積反而減小，主要因為其截面內大部分區域上升速度過小而不在統計速度區間的范圍內.因此在接近水面的區域(在本文模型條件下可視之為距離熱源高度高于350 mm到水面的這段區域)，上升流有效橫截面積與真實的上升流流束橫截面情況存在差異.在水表面上因為上升速度為零，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，隨著加熱功率的增大上升流有效橫截面積會有所增大，但是增大的幅度會逐漸減小.

2.4 上升流流量的變化規律

上升流流量是通過統計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

根據模擬計算結果，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域迅速減小.在所考察的3種工況中，當距離熱源高度在350 mm以下時，上升流流量隨著高度的增加而增大的速度加快.在接近水面的區域，由于計算所用的上升流有效橫截面積與真實情況存在差異，因此該區域所計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)工況差距額度相對最小.在一定的功率范圍內，隨著加熱功率的增大上升流流量會有所增大，但是增大的幅度會逐漸減小.總體而言，在相同初始水溫下，加熱功率的提高對于上升流的產生是有利的.

3)在設計工況條件下，最大上升流流量可以達到164.29 cm3/s.

3 結束語

本文通過數值模擬方法對差熱式人工上升流的一些主要特性開展了基礎性研究，研究結果發現：本文所建立的差熱式人工上升流數值模型與實驗結果相印證進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一致，均隨著高度的增加先增大后減??；在相同環境下，增加加熱功率能夠提高上升流上升速度、流量等，從而對于上升流的產生是有利的，不過隨著加熱功率的加大其有利的效果會逐漸減弱.在本文設計工況條件下，所獲得的最大上升流流量可以達到164.29 c m3/s.本文的研究結果進一步闡釋了差熱式人工上升流在開放環境下的流場特征，其人工上升流系統數值模型的建立方法為后續各種特殊環境下的差熱式人工上升流特性以及未來海洋環境下大型工程應用的數值模擬研究提供了基礎.下一步，本文將考慮在閉式環境下對差熱式人工上升流開展數值模擬研究，以考察在有限空間內上升流的流動與傳熱特性.

[1]WILLIAMSON N, KOMIYA A, MARUYAMA S, et al. Nutrient transport from an artificial upwelling of deep sea water[J]. Journal of Oceanography, 2009, 65(3):349-359.

[2]J.H. Ryther. Photosysthesis and fish production in the sea[J]. Science, 1969, 166：72-76 Ryther J H. Photosynthesis and fish production in the sea.[J]. Science, 1969, 166(3901):72-76.

[3]KIRKE B. Enhancing fish stocks with wave-powered artificial upwelling[J]. Ocean & Coastal Management, 2003, 46(9/10):901-915.

[4]POLOVINA J J, HOWELL E, KOBAYASHI D R, et al. The transition zone chlorophyll front, a dynamic global feature defining migration and forage habitat for marine resources[J]. Progress in Oceanography, 2001, 49(1/4):469-483.

[5]YU Z G, MI T Z, YAO Q Z, et al. Nutrients concentration and changes in decade-scale in the central Bohai Sea[J]. Acta Oceanologica Sinica, 2001, 20(1)：65-75.

[6]PAN Y, FAN W, HUANG T H,et al.Evaluation of the sinks and sources of atmospheric CO2by artificial upwelling[J]. Science of the Total Environment, 2015, 511:692-702.

[7]OUCHI K, MURPHY A J.Real sea experiment of ocean nutrient enhancer “TAKUMI” upwelling deep ocean water [J]. Oceans Proceedings, 2003:881-885.

[8]OUCHI K, NAKAHARA H.The deep ocean water upwelling machine using density current-Creation of fishing ground and absorption of CO2[J]. Oceans, 1999,2:1019-1024.

[9]ISAACS J D, CASTEL D, WICK G L. Utilization of the energy in ocean waves[J]. Ocean Engineering, 1976, 3(4):175-187.

[10]LIU C C K, JIN Q. Artificial upwelling in regular and random waves[J]. Ocean Engineering, 1995, 22(4):337-350.

[11]LIU C C K. Research on artificial upwelling and mixing at the University of Hawaii at Manoa[J]. IOA Newsletter, 1999, 10(4):1-8.

[12]WHITE A, BJ?RKMAN K, GRABOWSKI E, et al. An Open Ocean Trial of Controlled Upwelling Using Wave Pump Technology[J]. Journal of Atmospheric & Oceanic Technology, 2010, 27(2):385-396.

[13]TSUBAKI K, MARUYAMA S, KOMIYA A, et al. Continuous measurement of an artificial upwelling of deep sea water induced by the perpetual salt fountain[J]. Deep Sea Research Part I Oceanographic Research Papers, 2007, 54(1):75-84.

[14]LIANG N K, PENG H K. A study of air-lift artificial upwelling[J]. Ocean Engineering, 2005, 32(5/6):731-745.

[15]PAN H, ERANTI E. Applicability of Air Bubbler Lines for Ice Control in Harbours[J]. China Ocean Engineering, 2007, 21(2):215-224.

[16]PAN H, ERANTI E. Flow and heat transfer simulations for the design of the Helsinki Vuosaari harbour ice control system[J]. Cold Regions Science & Technology, 2009, 55(3):304-310.

[17]田曉慶,潘華辰,章慧,等.氣泡大小對涌升流流量影響的實驗研究[J].水動力學研究與進展(A輯),2014(05):586-591.

[18]冷金英,黃豪彩,陳家旺,等.氣力人工上升流對水體溫度的影響研究[J].機電工程,2014,31(4):442-445.

[19]FAN W, CHEN J, PAN Y, et al. Experimental study on the performance of an air-lift pump for artificial upwelling[J]. Ocean Engineering, 2013, 59(2):47-57.

[20]LV M, YAN X, NIE X，et al. Experimental studies of differential heating for artificial upwelling[J]. Computer Modelling and New Technologies，2014,18 (6):299-303.

[21]陶文栓.數值傳熱學[M].西安:西安交通大學出版社,2001:349-351.

[22]劉光啟，馬連湘，項曙光.化學化工物性數據手冊[M].北京:化學工業出版社,2013:3-23.

[23]閆旭.開式環境下差熱式人工上升流速度場及溫度場基礎特性研究[D].杭州:杭州電子科技大學,2015.

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

國家自然科學基金資助項目(51209062)；浙江省自然科學基金資助項目(LY16E090006)

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

P741

A

1001-9146(2016)06-0050-07