循环水养殖中鱼类数值建模及应用

本书系统介绍了鱼类在循环水养殖系统中的数值建模方法、机理及其应用。全书以计算流体力学（CFD）技术为核心，结合鱼类运动学理论，详细阐述了二维和三维仿生鱼的数值建模过程，探索了鱼类游动的水动力特性及其对养殖池流场的影响。书中不仅分析了单条鱼及鱼群在不同排列方式、摆尾频率下的流场相互作用，还深入研究了鱼类运动对养殖池集排污性能的影响，为优化循环水养殖系统的设计和运行提供了理论依据和技术支持。

本书旨在为循环水养殖系统的性能优化、鱼类游动机理研究及仿生机器鱼设计提供理论支持，可供水产养殖工程、流体力学、仿生机器人等领域的科研人员、工程师及高校师生参考。

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 3

1.2 国内外循环水养殖系统发展进展 7

1.3 国内外鱼类推进机理研究进展 8

1.3.1 鱼类推进模式分类 8

1.3.2 鱼类推进机理 10

1.3.3 鱼群推进机理研究进展 15

1.4 鱼类运动对流场特性的研究方法 16

1.4.1 鱼类运动研究的实测法 17

1.4.2 鱼类运动研究的数值法 18

1.5 养殖池内流场与鱼类耦合作用的研究进展 21

1.5.1 流场对鱼类的影响研究 21

1.5.2 鱼类运动对流场的影响研究 23

1.6 研究内容及技术路线 25

1.6.1 研究内容 25

1.6.2 技术路线 27

第2章 二维仿生鱼数值建模及水动力特性研究 31

2.1 计算流体力学理论基础 33

2.1.1 二维控制方程 33

2.1.2 二维湍流模型 34

2.1.3 二维网格设置 37

2.1.4 二维用户自定义函数（UDF） 37

2.1.5 二维鱼体运动方程 38

2.1.6 水动力学参数 40

2.1.7 二维鱼体数值模拟 42

2.1.8 小结 43

2.2 二维鱼体数值模型建立 44

2.2.1 二维鱼体建模 44

2.2.2 网格建立与验证 45

2.2.3 研究工况设置 48

2.2.4 二维数值模型验证 51

2.2.5 小结 52

2.3 单条仿生鱼自主游动研究 53

2.3.1 鱼类推进机理分析 53

2.3.2 来流速度对鱼体自主游动的影响 55

2.3.3 摆尾频率对鱼体自主游动的影响 58

2.3.4 小结 60

2.4 鱼群自主游动 60

2.4.1 双鱼并列模式自主游动研究 61

2.4.2 双鱼串列模式自主游动研究 71

2.4.3 三条鱼交叉模式自主游动研究 83

2.4.4 四条鱼菱形排列自主游动研究 94

2.4.5 小结 100

2.5 二维仿生鱼研究结论与展望 101

2.5.1 结论 101

2.5.2 展望 102

第3章 三维仿生鱼数值模拟建模及对池内流场影响研究 103

3.1 三维仿生鱼建模理论基础 105

3.1.1 三维流体力学控制方程 105

3.1.2 三维湍流模型 105

3.1.3 三维仿生鱼运动机理与方法 106

3.1.4 三维水动力参数 108

3.1.5 动网格技术 109

3.1.6 UDF宏文件 110

3.1.7 数值模拟边界条件设置及流程 112

3.1.8 小结 113

3.2 三维仿生鱼数值模型建立 113

3.2.1 养殖池模型 113

3.2.2 三维仿生鱼运动模型 114

3.2.3 三维网格划分 117

3.2.4 网格无关性验证 119

3.2.5 三维仿生鱼运动模型验证 119

3.2.6 小结 121

3.3 三维仿生鱼运动数值模拟分析 122

3.3.1 二维平面内仿生鱼运动 122

3.3.2 三维空间仿生鱼运动 124

3.3.3 鱼类运动对养殖池内速度的影响 127

3.3.4 鱼类运动对养殖池内流场均匀性的影响 131

3.3.5 能量有效利用率 133

3.3.6 小结 134

3.4 不同摆尾频率三维鱼群运动对养殖池内流场影响 136

3.4.1 摆尾频率模型建立 136

3.4.2 网格划分 137

3.4.3 鱼群运动对养殖池内流场影响的数值研究 139

3.4.4 小结 152

3.5 三维仿生鱼研究结论与展望 153

3.5.1 总结 153

3.5.2 展望 154

第4章 三维鱼群摆尾运动数值模型的构建及应用研究 157

4.1 三维流固耦合多相流数值模型理论 159

4.1.1 CFD基本理论 159

4.1.2 动网格技术 161

4.1.3 鱼类摆尾运动模型 162

4.1.4 离散相模型 164

4.1.5 数值模拟步骤 165

4.1.6 流场评价指标 166

4.1.7 小结 168

4.2 三维流固耦合多相流数值模型建立 168

4.2.1 建立三维鱼群摆尾运动模型 168

4.2.2 网格划分 173

4.2.3 边界条件设置 174

4.2.4 数值模拟流程 174

4.2.5 建立DPM模型 176

4.2.6 模型验证 177

4.2.7 小结 186

4.3 三维鱼群运动对养殖池流场的影响 187

4.3.1 不同鱼群数量对养殖池流场特征的影响 187

4.3.2 不同鱼群摆尾频率对养殖池流场的影响 195

4.3.3 小结 202

4.4 三维鱼群运动对养殖池集排污性能的影响 204

4.4.1 不同鱼群数量对养殖池集排污性能的影响 205

4.4.2 不同鱼群摆尾频率对养殖池集排污性能的影响 209

4.4.3 小结 213

4.5 三维鱼群摆尾运动研究结论与展望 214

4.5.1 结论 214

4.5.2 展望 215

参考文献 217