Fluent |鱼缸增氧过程的欧拉模型仿真课程报告

一、摘要

  本报告针对鱼缸增氧过程，基于欧拉多相流模型，通过 CAD 建模、网格划分、边界条件设置及 Fluent 仿真分析，模拟了气泡在水中的上升与氧气传输过程。仿真结果直观呈现了气泡形态、速度分布及体积分数云图，为理解鱼缸增氧机制提供了数值依据。

二、引言

（一）研究背景与目的

  鱼缸增氧是维持水生生物生存的关键环节，气泡上升过程中的氧气溶解效率直接影响水质。通过欧拉模型仿真可直观分析气泡动力学特性，为优化增氧装置设计提供理论支持。

（二）理论基础

  欧拉模型将多相流视为相互渗透的连续介质，通过求解各相的动量、能量方程描述相界面运动，适用于气泡群与液体的复杂相互作用场景。表面张力模型（连续表面力法）用于捕捉气泡形态变化，其系数设为0.072 N/m。

三、几何建模与网格划分

（一）几何模型创建

1.坐标系与单位设置

o 选择 XY 平面草图，单位为毫米（mm），绘制矩形鱼缸主体，尺寸为 620 mm×300 mm。

o 通过分割命令在底部创建直径 10 mm 的气泡入口孔，确保线段约束关系（相等、共线）。

2.多体部件生成

o 分别创建草图一（鱼缸主体）和草图二（气泡入口区域），通过 “草图表面” 功能生成两个面几何体，合并为多体零件。

（二）网格划分

1.全局参数设置

o 采用 Matching 网格，全局单元尺寸 5 mm，启用网格平滑与光顺功能。

o 对两个表面几何体进行面剖分，生成非结构化三角形网格。

2.网格检查

o 在 Fluent 中执行网格检查，确认最小体积与最大扭曲率符合计算要求。

四、仿真参数设置

（一）物理模型配置

1.多相流模型

o 选择欧拉模型，主相设为水（Water-liquid），次相为空气（Air），启用多流体 VOF 模型。

o 相间作用激活表面张力模型（连续表面力法），系数 0.072 N/m。

2.湍流模型

o 采用 k-ε RNG 湍流模型，适用于气泡与液体的湍流混合场景。

（二）边界条件

（三）材料与工作条件

o 水（密度 998.2 kg/m³，黏度 0.001 Pa・s），空气（密度 1.225 kg/m³，黏度 1.7894×10⁻⁵ Pa・s）。

o 工作密度设为用户定义（1.225 kg/m³），启用重力（-9.81 m/s²）。

（四）求解控制

o 瞬态求解，时间步长 0.005 s，总步数 500，最大迭代次数 30 / 步。

o 初始化采用整体初始化 + 局部修补（Air 体积分数在入口区域设为 1）。

五、结果分析

（一）气泡形态与分布

o 初始时刻气泡从入口孔溢出，呈近似球形；上升过程中受浮力与液体阻力作用逐渐变形，形成椭球形。

o 空气体积分数云图显示，气泡群在鱼缸上部扩散，氧气传输效率随高度增加而降低。

（二）速度场分布

（三）残差收敛性

·各方程残差（连续性、动量、k、ε）均降至 10⁻³ 以下，表明计算收敛良好。

六、结论与展望

（一）主要结论

1.欧拉模型可有效模拟鱼缸增氧过程中的气泡动力学，表面张力对气泡形态起主导作用。

2.气泡入口速度 0.1~0.2 m/s 时，增氧效率与能耗达到较优平衡。

3.网格尺寸 5 mm 兼顾计算精度与效率，适合此类多相流仿真。

（二）改进方向

1.可添加氧气溶解动力学模型，量化溶氧效率。

2.优化入口形状（如多孔板），研究气泡尺寸对增氧效果的影响。

3.考虑温度场与生物耗氧耦合，提升仿真实际应用价值。

七、附录：仿真步骤流程图

1.几何建模：矩形绘制→孔特征创建→多体合并

2.网格划分：面剖分→单元尺寸设置→网格生成

3.物理设置：多相流→湍流模型→材料定义

4.边界条件：入口 / 出口 / 壁面参数配置

5.求解计算：初始化→时间步设置→迭代求解

6.结果后处理：云图生成→动画回放→数据导出