人工上升流技术是借鉴自然上升流应运而生的开发利用海洋资源的新技术,它能将富有营养盐的深层海水提升到海洋表层,提高海洋表层的初级生产力,增加碳汇,改善海洋环境等。本文主要针对气力人工上升流技术进行数值模拟研究,研究不同参数对气力人工上升流提升流量的影响和深层水体的扩散范围。提升流量的增加和深层水体扩散范围的增大对提高海洋表面初级生产力,增加碳汇,改善海洋环境等具有重要的意义。在已有的气力人工上升流研究基础上,研究以下几个参数对于气力人工上升流提升流量的影响。一是研究注气喷头的类型,二是研究注气喷头的注气孔数,三是研究注气深度,四是研究涌升管管型。然后研究两个参数对深层水体扩散范围的影响,一是深层水体从管口喷出的速度,二是涌升管管型。针对以上研究任务,主要运用CFD数值模拟方法进行研究,工作流程如下。一是对课题组成员曾做过的千岛湖试验进行认真的学习分析,根据千岛湖试验的情况建立全尺度的涌升管几何模型和计算域几何模型,在商业软件STAR-CCM+中进行网格划分并运用VOF方法进行气力人工上升流的计算模拟。二是验证计算结果的正确、可靠性,第一步是网格独立性验证,分别用网格数为105万、121万、153万和189万四套网格计算不同注气量下的深层水体提升流量,最终选取网格数为153万的作为后续计算的网格;第二步是用CFD数值计算所得的深层水体流量去和试验数据作比较,试验数据和数值计算结果的趋势基本相符。三是利用验证后的CFD数值模型和网格分别计算不同注气喷头类型(十字注气喷头和圆环注气喷头),不同注气孔数(24孔和384孔)、不同注气深度(6.1m、9.6m、16.1m)、不同涌升管管型(顶部扩张管和顶部收缩管)情况下的深层水体提升流量。四是针对深层水体扩散范围的研究重新建立涌升管(等直径管、顶部扩张管、顶部收缩管)和计算域几何模型,在商业软件STAR-CCM+中进行网格划分并运用VOF方法计算深层水体的扩散范围。根据以上工作流程完成本文,得出如下结果。一是圆环注气喷头相较于十字注气喷头,能更多地提升深层水体。二是注气孔数为24孔时,提升的深层水体流量大于注气孔数为384孔时。三是随着注气深度的增加,深层水体的提升流量也增加。四是顶部扩张管的顶部直径为0.6m和0.8m时,与等直径(0.4m直径)管相比,能更多地提升深层水体,但是当顶部直径为1.0m时,其提升的深层水体流量反而低于等直径管;顶部收缩管(顶部直径分别为0.3m、0.2m、0.15m)提升的深层水体流量不如等直径管多。五是在等直径管和顶部扩张管情况下,喷出速度增大,扩散范围也随之增大。而在顶部收缩管情况下,随着喷出速度的增大,扩散范围基本不变。六是在相同喷出速度的情况下,扩散范围最大的是顶部扩张管,其次是等直径管,范围最小的是顶部收缩管。分析以上的结果,得出以下结论:在涌升管的注气设计中,如果从靠近涌升管管壁的地方注气效果会优于从涌升管中部注气;注气孔数的多少对应的是注气孔的大小,也就是气泡的大小,过小的气泡并不利于提升深层水体;注气深度大有利于提升深层水体,但是这会增加工程难度,在实际的气力人工上升流系统设计中可以根据不同的实地情况进行调整;适当地扩大注气喷头以上的涌升管管径不仅能增加深层水体的提升流量,对于深层水体的扩散也是很有益的。