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申请/专利权人：中国农业大学

摘要：本发明涉及循环水养殖技术领域，尤其涉及一种循环水养殖池曝气增氧的设计方法，包括：S1几何建模、网格划分、流体特性分析；S2模型选择；S3溶解氧传输模型；S4数值计算及数据处理。在养殖池中，流体是物质和氧气传递的主要载体，养殖池的水力特性直接影响气液传质过程，制约着曝气增氧效果。本发明从溶解氧增氧机理的角度考虑，利用计算流体力学的方法，采用数值模拟不同工况条件下循环水养殖池内流动和溶解氧分布规律，对曝气增氧方式进行分析，为指导养殖池曝气的优化设计提供一种新方法。

主权项：1.一种循环水养殖池曝气增氧的设计方法，包括以下步骤：S1测量养殖池的尺寸，以及养殖池中水体的高度、温度、进水口流速、进水口溶解氧浓度以及曝气参数，根据测量的数据建立几何模型，并搭建溶解氧监测系统图；所述几何模型采用Poly-Hexcore非结构网格划分方法；S2两相流模型采用欧拉-欧拉多相流模型，其中液相水为主相、连续相，气相空气相为次相，离散相，控制方程式如式1～式3所示：质量守恒方程式：动量守恒方程式：其中，t为时间，s；i为液相或者气相；ɑ为体积分数；u为流速，ms；ρ为密度，kgm3；τ为粘性应力张量，Pa；Fi为微元体内相间作用力，Nm3；g为重力加速度，ms2；所述相间作用力Fi考虑曳力、表面张力和升力，按照式3～式6进行计算；Fi＝F曳力+F张力+F升力式3； 其中，CD为曳力系数，Rer为相对雷诺数，ρl为水的密度1000kgm3，νl为液相速度，νg为气相速度，μl为水粘度，μl＝1×106m2s，db为气泡直径1.5mm，表面张力F张力设为常数0.071；两相流湍流模型采用标准的k-ε模型，湍流动能及耗散率方程按照式7～式9进行计算；k输送方程：ε输送方程： 其中，Gk为平均速度梯度所产生的湍动能，m2s2；Gb为浮力所产生的湍动能，m2s2；σk和σε分别是k和ε的普朗特准数，分别为1.0和1.3；μ为粘性系数；ρ为两相密度的算术平均值，kgm3；G1ε、G2ε、G3ε、Gμ为常数，分别为1.44，1.92，1.2，0.09；μt为湍流粘度，Pa.s；S3按照标量输运方程式10～式11研究气-液两相间溶解氧传质和扩散过程； S＝Sc，l+Si式11；其中，第一项为时间项，第二项为对流项，第三项为扩散项，第四项S为源项；所述源项指的是氧源项Sc,l和群体平衡模型源项Si；溶解氧传输模型如式12所示； 氧源项按照式13～式14进行计算； Ct与压力之间的关系如式15～式17所示； Vr＝|Vg-Vl|式17；其中，dCdt为液相中溶解氧浓度随时间的变化速率,mgL·s；A为接触面积,m2；V为液相主体容积，m3；D为氧气在液相中的扩散系数，m2s；Cs为水体中溶解氧饱和浓度7.5mgL；Ct为t时刻溶解氧的浓度,mgL；由于气液两相交界处的接触面积A难以测定，因此采用总传质系数KLɑ来代替DAVXf,h-1；ɑ为界面面积，m2；αG为气体体积分数；db为气泡直径,m；Vr为气液相对速度，由仿真计算所得,ms；Vg和Vl为气体和液体的速度，ms；C0为初始水体溶解氧浓度0mgL；S4数值计算及数据处理：将步骤S1中的几何模型导入到Fluent中，设置边界条件：欧拉-欧拉多相流模型，标准的k-ε模型，溶解氧传输模型，群体平衡模型，选择求解器、在满足预设残差值后仿真收敛，结束基准模型仿真；改变边界条件：曝气流量、气泡直径、曝气位置和进水口流速，进行多案例仿真，分析不同工况下溶解氧浓度随时间的变化，完成循环水养殖池曝气增氧的优化设计。

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