氣力人工上升流對水體溫度的影響研究*

冷金英，黃豪彩，陳家旺，樊煒，葛晗，林杉，劉明洲，楊景，陳鷹

（浙江大學海洋學院，浙江杭州310058）

0 引言

自然上升流是一個關鍵的海洋物理過程［1-2］，它可以把海水下層的營養鹽帶到中上層，使上升流地區的海洋初級生產力達到大洋的6倍，魚類生產量達到大洋的75倍，使上升流地區成為世界上海洋生產力較高的區域［3-5］。海洋上升流是支持漁業生產的重要因素，能夠很好地改善海洋生態環境［6］，一方面可為浮游植物提供足夠的營養供其進行光合作用，從而產生出更多的有機物供魚類生長繁殖，世界主要漁場多數分布在上升流充沛的海域，如東海漁場、秘魯漁場等［7-8］；另一方面可以降低上層海水的溫度，緩解溫室效應，為浮游生物提供一個適宜生長的溫度范圍，對環境起到良性的作用［9-10］。但是在自然界中，自然上升流海域占世界海洋面積的比例很小。

人工上升流技術利用某種特殊裝置，將溫度較低且含有豐富營養鹽的深層海水提升至真光層，提高其作用海域的初級生產力。本研究的人工上升流采用注氣的方式，稱為氣力人工上升流［11］。目前人工上升流是國內外海洋科學研究的熱點與前沿，其研究重點為在工程上實現海域研究，但在如何監測和評價人工上升流的環境效應（如溫度場的監測）等方面的研究較少。目前日本在人工上升流方面處于世界領先水平，利用水泵抽水的方式提升營養鹽，稱為“拓海“裝備，其中的監測系統能夠監測溫度和鹽度曲線隨距離的變化。

為給以后的海試做準備，本研究首先在千島湖地區進行試驗研究，主要研究注氣式人工上升流的可行性，其中包括涌升管的設計、溫度的變化以及注氣量和液體提升量之間的關系。在千島湖湖試的基礎上，本研究利用試驗中的背景數值（如湖水溫度和密度隨深度的變化）建立VOF多相流模型對溫度場進行仿真。在仿真過程中忽略管壁的摩擦和管壁的熱傳遞，水體溫度場的仿真結果和試驗結果基本吻合。

1 試驗研究

1.1 試驗裝置

為驗證氣力人工上升流提升海水的可行性和效果，人工上升流項目組于2011年10月25日在浙江省淳安縣千島湖地區進行了為期3天的試驗研究。試驗所在方位為北緯29°33′51″，東經119°11′9″，試驗水域水深40 m，湖水靜止。雙體試驗船上有試驗所需的電源、起重機、甲板作業單元等，保證了試驗的順利進行和人員的人身安全。

試驗裝置如圖1所示，主要包括：試驗船（雙體船）、數據采集系統、空壓機、流體控制閥、壓力控制閥、氣體流量計、注氣管、起重機、注氣口、電磁流量計、溫度、壓力傳感器、配重塊和涌升管等。其中試驗所用涌升管管徑為0.4 m，管長28 m。

圖1 試驗裝置圖

空壓機產生的氣體依次經過氣體控制閥、壓力控制閥、氣體流量計、注氣管，通過噴嘴注入涌升管內；距管口8 m位置處安裝電磁流量計；注氣口位于電磁流量計上面0.5 m處；溫度傳感器共兩個，分別位于涌升管管口的內部和管底的外部；數據采集器用于實時采集、顯示和存儲溫度數據；計算機用于實時監測所測得的溫度數據。

試驗前，本研究對溫度傳感器和溫鹽深計（CTD）進行校準，然后進行設備組裝，組裝完成后進行數據采集，同時實時測量涌升管內溫度隨時間的變化，試驗現場圖如圖2所示。

圖2 試驗現場圖

1.2 溫度監測系統

該實驗采用溫度傳感器（如圖3（b）所示）測量湖水的溫度，溫度傳感器的探頭由負溫度系數熱敏電阻組成，如圖3（a）所示，其具有靈敏度高、體積小、質量輕、熱慣性小、壽命長、溫度特性波動小以及價格便宜等優點，可進行高靈敏度、高精度檢測。對于負溫度系數的熱敏電阻來說，其阻值與溫度之間的關系可表示為：

式中：RT—溫度T(K)時的電阻值；R0—熱力學溫度為T0時的電阻值，R0=272.8 kΩ；B—熱敏電阻的材料常數；T0—基準溫度，通常為298.15 K；T—測得的溫度［12］。

溫度傳感器測得的數據由傳輸電纜線傳送到自主研發的數據采集器（如圖3（c）所示）。數據采集器包含電源電路、處理傳感器信號的調理電路、控制數據采集器循環操作和進行A/D轉換的Flash存儲器、通信接口。LabVIEW是一種多功能的圖形化編程軟件，計算機通過LabVIEW軟件，可以在操作界面（如圖3（d）所示）內實現數據的實時采集、顯示和存儲，從而實現系統的原位、實時監測［13］。

圖3 溫度監測系統的硬件部分和軟件操作界面

1.3 試驗結果

試驗采用空壓機進行注氣，注氣過程中速度的調節方式采用手動，氣體速度隨時間變化不規則，注氣管的直徑為10 mm，注氣時的平均氣流量在300 L/min～400 L/min，氣體的輸入速度和水體上下層的溫度數據隨時間的變化情況如圖4所示，水體溫度和密度隨深度的變化如圖5所示。

從圖4可以看出，沒有注氣過程發生時，距湖水表層1 m處的上層溫度和距湖水表層29 m處下層溫度的變化都不大，溫度分別維持在22℃和16.8℃左右；

圖4 氣體輸入速度和測得的溫度數據隨時間的變化

隨著注氣過程的開始，上層溫度隨著下降，在50 s的時間內，溫度降低到16℃左右，并且低于涌升管底部溫度，說明涌升管底部以下溫度更低的湖水由于上升流效應被帶至上層，涌升管底部溫度保持不變；

隨著注氣過程的結束，在100 s時間內，上層溫度又慢慢回升到22℃左右，說明由于湖水密度差的原因，密度高的低溫湖水慢慢沉降，密度低的表層湖水仍在表層，底層溫度不變。

圖5 湖水溫度和密度隨深度的變化（由CTD測得）

從圖5中可以看出，在0～17 m的范圍內，湖水溫度變化不大，為22℃左右，湖水密度為997.8 kg/m3左右；17 m～30 m的范圍內湖水溫度逐漸降低，降至14℃左右，湖水密度逐漸升高，最高可達最低999.4 kg/m3。千島湖位于錢塘江上游新安江主流上，是中國北亞熱帶地區的大型深水水體，水溫具有明顯的分層現象。17 m處為溫躍層，湖水溫度和密度急劇變化。在以后進行的試驗中，研究人員可以控制稀釋后的深層海水保持在這個深度不變，這樣可以解決沉降問題，所以溫躍層的存在可以很好地指導以后的試驗。

2 溫度場仿真

2.1 Fluent計算模型

在計算過程中，水做不可壓縮處理。在上升流過程中，湖水的溫度和速度都隨時間變化，所以為非定常流動，湖水的雷諾數為：

式中:V—涌升管內水的運動速度，最小速度設為0.1 m/s；D—涌升管管徑，0.4 m；μ—運動粘度，湖水的運動粘度可取為10.09·10-6。

經計算得雷諾數為3 964，大于2 320，因此本研究采用湍流模型【14-15】。

2.2 計算幾何模型和邊界條件設置

計算模型中湖水所在豎直截面區域寬度為20 m，深度為30 m；涌升管長度為28 m，直徑0.4 m，涌升管口離水面的距離為1 m；本研究在離水面9 m處設置氣體產生裝置，氣體發生裝置長和寬分別為0.1 m，其中氣體發生裝置的上邊界是氣體的速度入口，其余邊界為wall；網格個數：125 608。在計算模擬過程中，會用到千島湖湖試測得的溫度和密度隨深度變化的背景數值如圖5所示。氣體入口處的溫度約為22℃，涌升管底部水的速度入口，湖水速度入口處的溫度約為16℃，湖水水面為出口，出口類型為壓力出口。涌升管管壁，氣體發生裝置的外壁和整個流體區域的外壁的邊界類型設為wall。由于涉及氣液兩相流，且氣泡在水中的運動過程是一個動態的過程，在計算時筆者選取非穩態的計算方法，在求解過程中采用VOF模型和PISO壓力-速度耦合格式，并保持所有變量的亞松弛因子設置為默認［16-19］。

2.3 溫度場數值仿真結果

本研究運用Fluent對長為28 m，直徑為0.4 m的涌升管內流體溫度場進行仿真，氣體輸入速度如圖4所示。仿真過程中，在離管口處設置溫度監測點，監測點位置的溫度仿真結果如圖6所示。

圖6 仿真過程中氣體速度和溫度隨時間的變化

從圖6中可以看出，試驗溫度和仿真溫度的趨勢基本上吻合，溫度開始下降的時間和下降的斜率吻合的很好，在溫度回升階段，仿真溫度回升后的最大溫度為20℃左右，試驗溫度為22℃左右。由于溫度仿真模型中沒有考慮大氣輻射等因素，而且湖水內部實際是有流動的，試驗區域是一個很大的開放區域等，溫度場仿真的結果會和實際測量的溫度數據有偏差，在以后的仿真中需繼續對模型進行修正，使仿真結果更加接近實驗數據。

3 結束語

研究結果表明，氣力人工上升流可明顯提升湖水，上升流過程中上層湖水的最低溫度要低于涌升管底部的底層溫度，說明上升流可將涌升管底端以下的湖水提升至上層，實現底部低溫湖水和上部高溫湖水的冷、熱交換，同時也可將水底豐富的營養鹽帶到表層，供浮游生物食用，從而提高湖水的初級生產力。溫度場仿真計算模型考慮千島湖真實的密度和溫度梯度，與實驗基本吻合，能夠很好地預測上升流對湖水溫度的影響。考慮海水中洋流等因素，從而可以用該模型預測氣力人工上升流對海水溫度場的影響。研究人員可以在以后的計算中改變涌升管管徑和長度等，從而指導涌升管的設計和注氣量的控制等，以期找到最佳的涌升管設計方案和最佳的注氣量，更好地指導注氣式人工上升流系統的設計。

（

）：

［1］唐啟升，蘇紀蘭.海洋生態系統動力學研究與海洋生物資源可持續利用［J］.地球科學進展，2001，16（1）：5-11.

［2］蘇紀蘭，唐啟升.我國海洋生態系統基礎研究-發展國際趨勢和國內需求［J］.地球科學進展，2005，20（2）：139-142.

［3］呂炳全，孫志國.海洋環境與地質［M］.上海：同濟大學出版社，1997.

［4］OUCHI K，OTSUKA K，OMURA H.Recent Advances of Ocean Nutrient Enhancer“TAKUMI”Project［C］//Proc.6th ISOPE Ocean Mining Symp.，2005：7-12.

［5］AURE J，STRAND O，ERGA S R，et al.Primary production enhancement by artificial upwelling in a western Norwegian fjord［J］.Marine Ecology-progress Series.，2007（352）：39-52.

［6］VAN G A，TAKESUE R K，GODDARD J，et al.Carbon and nutrient dynamics during coastal upwelling off cape blanco，oregon［J］.Deep Sea Research Part II：Topical Studies in Oceanography，2000，47（5）：975-1002.

［7］彭海鯤.注氣提升式人工上升流之實驗與理論［D］.臺北：臺灣大學海洋研究所，1999.

［8］LIANG N K，PENG H K.A study of air-lift artificial upwelling［J］.Ocean Engineering，2005，32（5）：731-745.

［9］黃邦欽，洪華生，林學舉.臺灣海峽微型浮游植物的生態研究［J］.海洋學報，2003，25（4）：70-79.

［10］IKEDA T，HAYASHI M，OTSUKA K.Assessment of environmental effect and fertilization at deep seawater discharged area［C］//Proc 12th ISOPE.，2002（12）：480-485.

［11］MCCLIMANS T A，HAND? A，FREDHEIM A，et al.Controlled artificial upwelling in a fjord to stimulate non-toxic algae［J］.Aquacultural Engineering，2010，42（3）：140-147.

［12］俞阿龍.基于RBF神經網絡的熱敏電阻溫度傳感器非線性補償方法［J］.儀器儀表學報，2007，28（5）：899-902.

［13］WEI Z，YING C，CAN J Y，et al.Design of low-power data logger of deep sea for long-term field observation［J］.China Ocean Engineering，2009，23（1）:133-144.

［14］朱紅鈞，林元華，謝龍漢.FLUENT流體分析及仿真實用教程［M］.北京：人民郵電出版社，2010.

［15］FAN W，CHEN J，PAN Y，et al.Experimental study on the performance of an air-lift pump for artificial upwelling［J］.China Ocean Engineering，2013(59)：47-57.

［16］韓占忠.FLUENT-流體工程仿真計算實例與分析［M］.北京：北京理工大學出版社，2009.

［17］LU L，PAN H，FAN W，et al.A preliminary study on efficiency of air-lift upwelling［J］.Advanced Materials Research，2012（422）：424-429.

［18］白燕，毛潔，樊煒，等.深海熱液速度場測量重建算法比較［J］.機電工程，2011，28（5）：526-531.