方形圆弧角养殖池进水结构对流场影响的试验研究

2020-10-13任效忠王江竹张倩叶章颖宛立王国峰

大连海洋大学学报 2020年5期

任效忠，王江竹，张倩，叶章颖，宛立，王国峰

(1.大连海洋大学海洋科技与环境学院，辽宁大连 116023； 2.设施渔业教育部重点实验室，辽宁大连 116023； 3.大连海洋大学海洋与土木工程学院，辽宁大连 116023； 4.浙江大学农业农村部设施农业装备与信息化重点实验室，浙江杭州 310058； 5.沈阳工程学院，辽宁沈阳 110136)

中国虽是世界第一水产养殖大国，水产养殖产量占世界总量的70%左右，但也存在生产方式落后、效率低下、养殖环境污染、水域生态破坏、病害频发等一系列亟待解决的问题[1-3]。在资源环境制约的背景下，工厂化循环水养殖模式日益受到重视，成为中国未来水产养殖业的主要发展方向之一。由于工厂化循环水养殖是一种高度依赖设施、高密度的生产方式，养殖动物整个生命周期都在养殖池单元中生长，鱼类需要可以感知的流场环境来维持游泳平衡。此外，养殖池中残饵和粪便等固体废弃物极易沉积，常导致水质恶化，危害养殖动物健康和生长[4]。因此，构建适宜的养殖流场环境、快速去除污染物、维持良好养殖水质是循环水养殖的核心问题。对养殖池内水流速度分布规律的研究不仅关系到养殖池的高效利用，也是池底固体废弃物运动机制的基础，而养殖池内颗粒物运动规律及集排污性能与养殖池内的流场特性有直接关系[5]。

在养殖池流场特性相关研究中，Davidson等[6]研究了池底出水口流量和进水口结构对10 m3和150 m3两种不同尺寸的康奈尔(Cornell)双排水养殖池自净、水体混合和水流速度的影响，指出进水管射流方向和底部排放量，可以用于调节整个圆形养殖池的水体旋转速度；Benoit[7]建立了用于预测池内切向速度和径向速度的模型，发现影响径向和切向速度的最重要参数是进水管的类型、角度和总体流量；Oca等[8]采用ADV流速仪对矩形虾池不同进水、出水方式下流速场进行测量，发现将进水方式由垂直改成水平，可有效减少旋涡产生，避免污染物沉积；李琦等[9]通过试验研究了不同循环水量下对虾养殖水质调控的效果，表明提高循环水量可对改善水质调控效果起到积极作用。

圆形池和矩形池是工厂化循环水养殖关注较多的养殖池池型。圆形池具有水体混合均匀、自清洁能力较好的优点，但土地利用率和易管理程度不如矩形池；矩形池内死水区较多，易造成污染物沉积。为改善两种养殖池的弊端，方形圆弧角养殖池逐渐兴起并在工厂化养殖中得到应用。方形圆弧角养殖池在空间利用和水流形态方面兼顾了圆形池和矩形池的优点，用1/4圆弧代替方形直角的结构优化既保证了养殖池面积利用率，又保证了养殖池较优的流场特性[10]。目前，有关方形圆弧角养殖池流场的研究较少，养殖池系统任一参数的改变都将直接影响到养殖池内水动力特性，进而影响到集排污性能。因此，对方形圆弧角养殖池流场进行深入系统研究，优化系统流场特性，增强养殖池自净能力，对保证养殖池系统稳定运行十分必要。

本研究中采用物理模型试验的方法，首先对单通道底部排污的方形圆弧角养殖池不同进水位置开展比选研究，在优选进水位置基础上开展水体日循环次数、进水管入射角度对流场的影响研究，旨在为工厂化循环水方形圆弧角养殖池进水结构的设计提供科学依据和优选设计参数。

1 材料与方法

1.1 试验模型

循环水养殖池系统由模型水池、排水管、捷勤漩涡式自吸电泵(750 W)、阀门、搏声涡轮流量计(0.4～8.0 m3/h)、进水管等组成，流场试验测量系统由Vectrino声学多普勒点式流速仪、支架及测量位置控制系统等组成(图1-A)。

模型水池的内壁净长×宽×高尺寸为100 cm×100 cm×60 cm，方形圆弧角水池通过在模型水池四角粘贴半径为20 cm的圆弧板改造，池底无坡度，池中心设有2 cm的排水口，排水管与进水管均为PVC材质，进水管内径为20 mm，下端封口。各试验工况均采用水深范围内均匀开孔，进水管孔径为4 mm，孔中心距池壁约3 cm，试验水深为20 cm。

利用Vectrino声学多普勒点式流速仪对试验设计位置的流速进行测量。用ADV流速仪传感器测量探头下方5 cm处流场的3个流速分量[11]。

1.2 方法

1.2.1 测量设置启动水泵后系统内水流开始循环，由于进水管射流及水泵抽吸的共同作用，池内水体做旋转运动并在池中心形成明显的漩涡，漩涡形成约40 min后池内水体基本运行稳定，可视为养殖池内达到了相对稳定的流场。试验时将ADV流速仪固定在水池上方螺旋升降杆的测架上(图1-A)，此装置可调节流速仪的架设高度实现调节探头的入水深度，通过摇杆、丝杠系统控制定位水平方向测量位置，通过该三维测架系统可以将流速仪定位在测量的相应位置，测得相应测点的水流速度。

池内速度测量点设置方式如图1-B所示，试验采用“米”字形布点，每个水平测点设置沿垂向测量底层和上层两个点位。底层测点距离池底5 cm，上层测点距离水面5 cm，每个监测平面有32个测点，底层和上层共64个测点。每个测点由流速仪自带软件VectrinoPlus记录1 min内的连续流速数据，平面速度分量(x、y方向)数据经滤波处理后取其平均值记为此点的流场流速。为了减小流速仪探针移动对流场测量的影响，在每个测点放置探针后1～2 min待流场稳定后再测量。由于流速仪放置在漩涡处会影响周围水体运动状态，且漩涡较深时流速仪探针不能完全浸入水中，故中心点不做测量(图2)。

1.2.2 评价参数通过池内平均流速(vavg)来比较各工况之间的流场差异。试验中每个工况均分为底层和上层两个平面，考虑从养殖池中心到监测点的距离来计算加权速度[12]，计算出养殖池各平面的平均速度(v)后，再对两个平面的平均速度取平均值，记为工况总平均速度(vavg)。计算公式为

(1)

其中：vi为采用ADV流速仪测得的每个测量点的速度(m/s)；ri为测量点相对于养殖池中心的距离(cm)。

1.2.3 进水位置对池内流场的影响试验试验设置8组进水位置，分为单管进水和双管进水两大类进水方式。单管进水选取了2个位置(图3-A、B)： (1)单管弧壁，单进水管位于圆弧角中心；(2)单管直壁，单进水管位于直边壁中心。双管进水选取6个位置(图3-C～H)：(1)对弧双管，双进水管位于相对的两个圆弧角中间位置；(2)对直双管，双进水管位于相对的两个直边壁中间位置；(3)直隔弧双管，双进水管其中一个位于直边壁中间位置，而另一个进水管位于与其相对的圆弧角中间位置；(4)临弧双管，双进水管位于相邻的两个圆弧角中间位置； (5)临直双管，双进水管位于相邻的两个直边壁中间位置；(6)直临弧双管，双进水管位于相邻的直边壁和圆弧角中间位置。其中，对弧双管、对直双管和直隔弧双管属于间隔式进水，临弧双管、临直双管、直临弧双管属于相邻式进水。

其他试验参数：射流角度为0°，进水流量为0.83 m3/h，每个工况进水管总开孔数为18个。对于进水管位于边壁时，射流角度为0°是指进水孔射流平行于边壁。进水管位于弧壁中心时，0°则是指进水孔射流平行于圆弧角的切线方向。

1.2.4 水体日循环次数对池内流场的影响试验水体日循环次数是工厂化循环水养殖中一个重要的参数，与设计系统的水体处理设施和养殖的能耗成本密切相关，可根据养殖池水体体积计算对应所需的进水流量：

Q=(n·V)/24。

(2)

其中：Q为进水流量(m3/h)；n为日循环次数；V为水体体积(m3)。

试验设置4个组，分别为水体日循环60次(Q=0.5 m3/h)、80次(Q=0.667 m3/h)、100次(Q=0.833 m3/h)、120次(Q=1 m3/h)。单进水管沿水深方向每管均匀开18个孔，双进水管沿水深方向每管均匀开9个孔，入射角度均为0°。

1.2.5 进水管入射角度对池内流场的影响试验养殖池进水口的设计和入流方向是决定池中速度分布的主要参数，这在圆形养殖池中已得到了广泛的研究及证实[13-16]。本试验中进水管入射角度设置从0°到90°，以10°为间隔。总进水流量为0.83 m3/h。

2 结果与分析

2.1 不同进水结构位置工况下水体流速的比较

进水流量保持恒定时，不同进水位置工况养殖池内平均流速如表1所示，其中，单管弧壁和对弧双管两种进水位置可以获得较高的池内平均速度，其他进水位置工况池内平均速度总体相差不大。

表1 不同进水位置下养殖池内平均速度Tab.1 Average velocity in the tank at different water inlet positions

试验由ADV得到每个监测点的速度后，利用MATLAB软件的GRIDDATA函数散乱点插值构建流场平面速度分布云图，插值计算生成的云图使流场数据更加直观，利于对比分析各工况的速度分布情况。流场云图只保留了实测区域内部分，实测点到池壁区域因外插数据不准确且无法体现边界层，故舍去这部分区域。因无中心区域监测速度，插值时将中心区域设为nan，代表此处无实测数据。速度分布云图中流速大小采用颜色标尺显示(图4)。

从图4可见：各进水位置下，池中高流速区主要集中分布于池壁及池中心附近，低流速区大部分位于1/2池径周围及弧角位置；单管弧壁工况时，平面内低流速分布区较少，四周弧角位置无明显低流速存在的情况(图4-A)；单管直壁进水时，与进水口射流方向相反的圆弧角周围形成了低流速区，易对池内排污产生不利影响(图4-B)；双管间隔式进水时，池内流场速度呈现较为对称分布的状态，四周弧角位置无明显低流速区出现(图4-C、D、E)，尤其以对弧双管进水时流场整体均匀性好、低流速区少(图4-C)；双管相邻式进水时，两进水管所在一侧形成了相对低流速区，与两进水管位置相对的一侧则出现较高流速，池内速度分布不均匀(图4-F、G、H)，两进水管中一个进水管位于直壁中心时，也出现了进水口射流反方向(后方)圆弧角区域流速较低的情况(图4-G、H)。由于养殖鱼类有喜好流速和趋流性的特性，养殖系统中流速分布不均会使养殖池水体利用率大大降低，进而影响养殖效益[17]。

2.2 不同进水管入射角度和水体日循环次数下水体流速的变化

以进水结构位置最优的单管弧壁和对弧双管为研究对象，入射角度对池内流场的影响结果如图5-A所示。从图5-A可见：进水管入射角度对流场具有较大影响，当入射角度为0°～50°时，池内平均流速随着入射角度的增加总体呈现升高的趋势，增长趋势较为明显；当入射角度为50°～90°时，随着入射角度的增加池内平均流速呈现降低的趋势，且下降幅度较大；当入射角度为50°时，池内平均流速达到峰值，单管弧壁和对弧双管进水方式在入射角度为50°时池内平均流速较0°时分别提升了约15%和20%。

在同种射流结构条件下，增加水循环量有助于提高池内水体的旋转速度，增强集污效果。以进水结构位置最优的单管弧壁和对弧双管为研究对象，从图5-B可见，池内平均流速与水体日循环次数之间呈非线性增长关系，单管弧壁和对弧双管进水方式在日循环120次时池内平均流速较日循环60次时分别提升了约59%和51%。

2.3 两种工况下池内各监测点的水体流速

在单管弧壁、对弧双管工况下，距池底15 cm的平面上，取进水管连线的过池中心垂线断面上的8个监测点流速进行流场分析，结果如图6所示，4组不同循环次数下轴向监测流速趋势基本一致，在较高的水体日循环次数下，从池壁到池中心流场速度总体呈现先减小后增大的趋势，速度从池壁到1/2池径为递减区间，而从1/2池径到池中心为递增区间，两侧速度基本对称。Oca等[15]研究也表明，在较高的进水流量下速度朝向池中心的增量更高。

3 讨论

3.1 进水位置对池内流场的影响

降低系统进水与池壁激烈撞击产生的能量消耗，保持进水驱动的对称布置及进水能量输入的均衡分布，是从根本上优化系统流场特性的有效方式。本研究表明，选用合理的进水结构布设方式可以明显优化养殖池系统流场进而满足养殖需求。当进水管位于弧壁时池内水体平均流速要高于进水管在直壁，原因是从养殖池弧壁位置入水直接实现了水流的顺畅转向，减小了与池壁冲击形成的能量损失。养殖池进水结构直壁或弧壁进水管数相同时，双管间隔式进水池内水体平均流速要高于双管相邻式进水，这是因为双管间隔式进水较好地实现了维持池内水循环的能量均衡输入与接力驱动，两管位置均匀分布使水体较充分混合的同时减小了进水管间的相互扰动，双管间隔式进水有效规避了双管相邻式进水时的能量输入不均衡。在进水流量、进水管总开孔数及孔径保持一致时，单管进水较双管进水时池内水体平均流速更高，这可能与进水口冲击力及能量更为集中有关。通过比较发现，双管间隔式进水及单管进水均可以获得较高的池内水体平均流速，尤以单管弧壁和对弧双管最佳。

3.2 水体日循环次数对池内流场的影响

本研究表明，循环次数越高，池内水体平均流速越大，两者呈非线性增长关系(图5-B)。这是由于养殖水体日循环次数增加，单位时间输入养殖池系统的总能量增加，而与养殖池体摩擦冲击消耗能量占输入养殖池系统的总能量比率减小，进而养殖池水体维持了更高的整体流速[18]。根据下式可以看出，水体质点运动时受到的阻力f与水体质点运动速度v的平方成正比，即：

f=C·ρ·A·v2/2。

(3)

其中：C为阻力系数；ρ为水的密度(kg/m3)；A为有效接触面积(m2)。

水体质点运动速率越大，水体质点相互间的摩擦效应增强，受到的阻力就越大。因此，水体日循环次数从60次提升至120次时，池内水体平均流速呈非线性增长而非倍增关系。

不同水体日循环次数下，轴向流场速度从池壁到池中心呈现先减小后增大的趋势(图6)，这是由于水体日循环次数提高，养殖池中心附近的水流速度会随着底部排水流速的增加而增加，而排水速度越大中心漩涡就越明显，漩涡周围流场的速度也就越大[6]。此外，进水入流沿池壁附近进入系统，因而池壁附近也保持了较高的流场速度。这种径向速度大小随径向距离变化的趋势很容易在池底形成一种径向流体附带作用，对于携带沉积在池底的固体污染物至排污口是有利因素[4]。

3.3 进水管入射角度对池内流场的影响

本研究表明：以单管弧壁和对弧双管进水时，入射角度在0～90°范围内，随进水角度的增加池内水体平均流速呈先升高后降低的趋势，当进水管入射角度为50°时池内水体平均流速达到最高；而当入射角度为0°时，入射水流方向与弧壁相切，先经弧壁反射、折射后顺畅转向进入直壁区间，水流方向才与水体运动切线方向一致，此过程中会损失部分能量；当入射角度从0°逐渐增加到50°时，入射水流方向逐渐与弧壁偏离而与水体运动切线方向趋于一致，反射、折射的能量损失减小，剩余能量用于克服黏滞性水体质点间相对运动的摩擦阻力，从而维持水体运动，因此，池内水体平均流速也随之增大；当入射角度大于50°时，入射角度便会与水体运动切线方向出现夹角，切向流速方向上的水流冲击力减弱，导致切向流速变小，入流水体逐渐转向带动中心区域流体旋转，整个流场的混合性趋于减弱。而对于直壁处的进水管而言，在0°～90°的射流范围内，入射角度为0°时可以使方形圆弧角养殖池获得最高池内水体平均流速[19]。Jayanti[20]、Patwardhan等[21]、Zughbi等[22]等认为，入射角度在一定范围内进水口接触墙壁之前射流的路线或距离越远，则水流冲击力越大，水体的切向速度就越高。