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工厂化水产养殖纯氧增氧锥优化设计与性能测试

作　者: 房燕
导　师: 曹广斌
学　校: 上海海洋大学
专　业: 机械工程
关键词: 工厂化水产养殖增氧锥数学建模仿真优化性能测试氧气利用率
分类号: S969
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

工厂化水产养殖是应用工业化方法进行鱼类养殖的一种高效生产模式，利用水循环技术、增氧技术、消毒技术、温度控制技术及氨、氮、盐类控制调节技术实现鱼类养殖过程的集成化、智能化控制的一种高效养殖方式，其特点在于养殖密度大、水资源利用率高、污染少，是水产养殖业未来发展的方向。增氧技术是工厂化水产养殖过程的关键技术之一。高效合理的增氧方式可有效增加工厂化养殖中各个设备的使用率，提高生产效率，降低成本。目前，国内工厂化水产养殖中的增氧设备以风机和充气石联用为主，其优点在于结构简单，技术精密度要求不高；其缺点在于设备安装所需空间较大，增氧效率不高。国外用于工厂化水产养殖的增氧设备以U型管、低水头增氧装置及增氧锥为主，它们的优点在于增氧效率高，能耗低，适用于不同工厂化水产养殖系统对鱼类氧气供给的要求。鉴于国内外增氧装备的结构特点、增氧方式和效果，设计了一种高效增氧装置——纯氧增氧锥。目前，增氧锥在我国水产养殖的增氧中应用还不十分广泛，其主要原因在于技术理论不成熟，现有设计模型适用性不强、准确度欠佳，只能通过改变氧锥尺寸参数的大量试验来推测增氧锥的增氧性能，工作量大、结果受试验条件影响较大，有一定局限性。基于以上现状，根据高效增氧锥的原理、结构，利用增氧锥的增氧特点，基于气液两相流体力学原理、曝气技术及气体传质理论，利用氧气的摩尔数守恒定律，创建了完整的流体动力学数学模型，并进行了仿真和优化设计。该数学模型可以在已知增氧锥进出口半径、增氧锥锥体高度、气泡初始半径以及气体、液体流量的情况下计算出反映增氧锥性能的氧气利用率、氧气摩尔数转移速率等数据，以及增氧锥中不同深度处的气含率、气泡尺寸、氧气的传质系数、溶氧值、水流速度等各项实时数据。运用有限微分算法与枚举法相结合的算法编写C语言程序对增氧锥的工作过程进行了数值模拟。该程序可模拟纯氧增氧锥不同时刻的参数变化实时数据。该模拟算法程序可自动报错，提出设计中变量的不合理值以及增氧锥运行中的可能存在问题。并可以计算得到不同范围变量取值下，纯氧增氧锥的最佳进、出口半径，进水、进气速度以及最佳增氧锥高度，从而得到最佳优化方案。为纯氧增氧锥设计了三个不同进气口安置位置结构方案，进气口分别布置在竖直管上距离锥顶0.045m处、水平直管中部距离弯管0.12m处以及增氧锥的顶部偏下0.05m处。利用Fluent软件中的Mixture模型和标准湍流模型对设计的进气口位置三个安置方案进行了数值模拟，得到了流场内部多相流的速度分布云图及速度矢量图，揭示了不同结构增氧锥气液接触起点处管内流体的流动状态。并总结了不同方案的高效增氧锥结构对增氧效果的影响。通过对增氧锥模拟数据的分析，得出氧气进气管布置在增氧锥锥顶竖直进水管的中下部最为合适。设计制造了不同进气口位置方案下的纯氧增氧锥物理模型。实验设备主要由水泵、增氧锥、水箱、氧气罐和溶氧检测系统组成。设计了由PLC、溶氧传感器和计算机组成的检测系统对增氧锥进行在线检测。通过对物理模型增氧效果的测试，得到了增氧实验验证，证实仿真结果与实验结果吻合。为纯氧增氧锥设计了可移动的配套装置，即在增氧锥底部安装可移动的轮轴，并设计了维修拆卸工具。此工具主要由气动系统、卡盘、行程可调滑轨以及轴托架组成。其中，研发的“环抱”式可调卡盘，可适应更多型号的轴径。把传统手动拆卸变为气动系统拆卸，加快了拆卸的速度、降低劳动力，提高了工作效率。由此而建立的增氧锥仿真优化设计技术为工厂化水产养殖增氧锥的设计奠定了基础，从而简化了设计过程、优选了设计参数、增加了增氧锥的效率。基于氧气的气泡流体动力学理论而建立的增氧锥优化设计方法是准确有效的，并得到一些增氧锥实际试验数据的验证。该设计方法为工厂化水产养殖系统的高效增氧锥设计奠定了基础。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
引言  11-12
1、工厂化水产养殖  12-21
  1.1 工厂化水产养殖概述  12-14
  1.2 工厂化水产养殖增氧技术  14-20
    1.2.1 增氧技术发展史  15
    1.2.2 国内外工厂化水产养殖系统中的增氧设备  15-18
    1.2.3 增氧技术的发展趋势  18-19
    1.2.4 探索中的增氧技术  19-20
  1.3 本文研究内容  20-21
2、纯氧增氧锥优化设计  21-38
  2.1 增氧锥研究背景概述  21-22
  2.2 增氧锥研究近况  22-23
  2.3 纯氧增氧锥数学模型建立  23-27
    2.3.1 纯氧增氧锥结构  24
    2.3.2 纯氧增氧锥工作原理  24-25
    2.3.3 纯氧增氧锥数学模型  25-27
  2.4 纯氧增氧锥仿真优化  27-37
    2.4.1 优化设计参数范围  28
    2.4.2 仿真优化计算  28-35
    2.4.3 优化结果  35
    2.4.4 优化结果验证  35-36
    2.4.5 增氧锥内氧气传质分析  36-37
  本章小结  37-38
3、纯氧增氧锥的 CFD 仿真  38-46
  3.1 CFD 仿真方法  38-41
  3.2 纯氧增氧锥 CFD 仿真  41
  3.3 增氧锥的结构设计  41-42
  3.4 物理模型及计算域  42
  3.5 计算模型及控制方程  42-44
  3.6 网格划分  44
  3.7 边界条件及参数设置  44
  3.8 CFD 仿真结果及分析  44-45
  本章小结  45-46
4、纯氧增氧锥性能测试  46-50
  4.1 实验设备与方法  46-47
  4.2 检测系统  47-49
  4.3 实验数据  49
  4.4 实验结果误差分析  49
  本章小结  49-50
5、纯氧增氧锥移动装置  50-58
  5.1 移动装置  50
  5.2 拆卸与保养  50-51
  5.3 拆卸工具  51-57
    5.3.1 纯氧增氧锥移动装置结构组成  51-52
    5.3.2 纯氧增氧锥移动装置工作原理  52-53
    5.3.3 零部件设计  53-55
      5.3.3.1 卡盘及卡盘架  53
      5.3.3.2 行程可调滑轨及锁紧装置  53
      5.3.3.3 气动系统设计及元件选配  53-55
    5.3.4 主要技术参数  55-56
    5.3.5 实验结论及使用效果  56-57
  本章小结  57-58
参考文献  58-61
致谢  61
攻读期间发表文章情况  61-62
附录  62

工厂化水产养殖纯氧增氧锥优化设计与性能测试

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