基于PIV 技術(shù)的圓形循環(huán)水養(yǎng)殖池流場

朱 放，胡佳俊，孔劍橋，桂福坤，潘訓(xùn)然，馮德軍※

（1. 浙江海洋大學(xué)船舶與海運學(xué)院，舟山 316022；2. 浙江海洋大學(xué)國家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心，舟山 316022；3. 浙江海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，舟山 316022）

0 引 言

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)（Recirculating Aquaculture System，RAS）是目前世界水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)水平高且養(yǎng)殖環(huán)境可控的先進水產(chǎn)養(yǎng)殖模式。目前，在部分歐美發(fā)達國家已經(jīng)建立起一套比較成熟的工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖體系，由于中國起步較晚，這種先進的水產(chǎn)養(yǎng)殖模式還未在中國得到廣泛應(yīng)用[1-2]。隨著工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)的提升，工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖將會在中國占據(jù)越來越多的市場份額，是中國水產(chǎn)養(yǎng)殖的發(fā)展趨勢[3-4]。工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖的密度高，飼料投放量大，在養(yǎng)殖過程中極易產(chǎn)生殘餌糞便等污物，如果不及時處理將會嚴重影響?zhàn)B殖對象的生長[5-7]。在實際的養(yǎng)殖生產(chǎn)中，一般通過設(shè)置進出水方式來調(diào)節(jié)池內(nèi)流場情況從而達到高效集污的目的，因此，研究養(yǎng)殖池內(nèi)的流場水動力特性對于提高養(yǎng)殖池的集排污能力具有重要的意義。

養(yǎng)殖池內(nèi)流場與養(yǎng)殖池內(nèi)固體顆粒物的運動匯集有密切的關(guān)系，是養(yǎng)殖池自清洗能力的主要驅(qū)動力來源[8-9]。Plew 等[10]的研究表明池壁、池底的流速與養(yǎng)殖池的污物排出能力呈正相關(guān)。Oca 等[11]分析了影響池內(nèi)流場的設(shè)計參數(shù)，并建立了評估速度分布的模型。上述研究表明養(yǎng)殖池水動力特性對循環(huán)水養(yǎng)殖排污具有重要意義。Liu 等[12]建立了八角形循環(huán)水養(yǎng)殖水池的三維數(shù)值模型，應(yīng)用顆粒軌道模型（Discrete Phase Model，DPM）方法得到顆粒運動軌跡，研究了養(yǎng)殖池凈化效能。數(shù)值模擬技術(shù)逐步應(yīng)用于循環(huán)養(yǎng)殖池流場特征，集排污等方面的研究，Papá?ek 等[13]和Gorle 等[14]利用計算流體力學(xué)研究了顆粒在養(yǎng)殖池內(nèi)顆粒運動情況，研究表明進水管設(shè)置角度與養(yǎng)殖池自清洗能力密切相關(guān)。薛博茹等[15-16]研究了進徑比對方形圓切角養(yǎng)殖池內(nèi)流場特性的影響，結(jié)果表明進徑比在0.02～0.04 區(qū)間養(yǎng)殖池內(nèi)水動力系數(shù)最優(yōu)。胡佳俊等[17]的數(shù)值模擬研究結(jié)果表明進水管布設(shè)角度為0°和45°，分別在布設(shè)距離為d=3/8r和d=0 時取得最優(yōu)的流場效果。相較與數(shù)值模擬研究，試驗測量研究相對較少。趙樂等[18]通過試驗研究了進水管貼近池壁設(shè)置下的進水管設(shè)置角度和流量對方形圓弧角養(yǎng)殖池的污物匯集特性和流場特性的影響，結(jié)果表明進水管設(shè)置角度為40°時養(yǎng)殖池內(nèi)的污物匯集和水動力特性最優(yōu)。任效忠等[19]通過試驗研究了進水管貼近池壁設(shè)置下的進水管數(shù)量、相對位置、設(shè)置角度和流量對方形圓弧角養(yǎng)殖池流場特性的影響，結(jié)果表明進水管設(shè)置角度為50°時養(yǎng)殖池流速最高。Oca 等[11]利用聲學(xué)多普勒流速儀（Acoustic Doppler Velocimetry，ADV）測量了不同進出水方式下養(yǎng)殖池內(nèi)流場，發(fā)現(xiàn)將進水方式由垂直改成水平可以產(chǎn)生更佳的流場效果。上述研究中均通過ADV 流速儀布點測量養(yǎng)殖池內(nèi)流場分布，但是該測量方式是一種介入式測量方法，測量中需要將測量探頭放入水體，會對測量點附近的流場產(chǎn)生干擾，尤其是在小尺度模型試驗中極可能會影響結(jié)果的準確性。此外，該測量方式只能進行單點測量，測量效率低。因此，本研究采用PIV 技術(shù)測量了養(yǎng)殖池內(nèi)底層的流場，PIV 試驗中撒入池中的示蹤粒子跟隨水流一起運動，激光照射試驗平面的示蹤粒子位置即為監(jiān)測點位置。PIV 技術(shù)可以在同一時刻記錄整個平面的流場信息，提供豐富的流動空間結(jié)構(gòu)。因此，通過PIV 技術(shù)測量養(yǎng)殖池內(nèi)的流場，可以更全面地了解養(yǎng)殖池內(nèi)整體流場的分布特性。

此前研究中作者已經(jīng)詳細分析了雙管貼壁（d=0）進水模式下進水管設(shè)置角度對養(yǎng)殖池水動力特性的影響，結(jié)果表明進水管設(shè)置角度為40°～45°時養(yǎng)殖池水動力特性最優(yōu)[20]。實際生產(chǎn)中并非都是將進水管貼壁放置，本文將在上述研究的基礎(chǔ)上研究進水管設(shè)置距離與其對應(yīng)的進水管設(shè)置角度對養(yǎng)殖池水動力特性的影響，探究最優(yōu)進水管設(shè)置距離和最優(yōu)進水管設(shè)置角度之間的關(guān)系，從而確定最佳進水管設(shè)置方式。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

實際生產(chǎn)中圓形養(yǎng)殖池的直徑變化范圍較大，從1米至幾十米[21-22]，目前文獻中報道的圓形養(yǎng)殖池最大直徑已達40 m[23]。本研究采用作者已發(fā)表的文章中的圓形養(yǎng)殖池試驗裝置開展研究[20]。試驗共設(shè)計3 組進水管設(shè)置距離：d=0、1/4r、1/2r（d為進水管與池壁的最近距離，0、12.3、24.5 cm；r為養(yǎng)殖池半徑，49 cm）；8 組進水管設(shè)置角度：α=0°、10°、20°、30°、40°、45°、50°、60°，共24 組試驗工況。養(yǎng)殖池內(nèi)污物運動匯集與底層流場密切相關(guān)[10]，因此本研究主要分析養(yǎng)殖池底層流場特性，測量每個試驗工況下距養(yǎng)殖池底1 cm 水層的流場。PIV 系統(tǒng)中，圖像采集為5 120×3 800 像素，相鄰兩幀圖像的時間間隔為0.125 s。試驗開始前安裝調(diào)試好試驗設(shè)備，然后開啟水泵，依據(jù)流量計調(diào)節(jié)試驗所需進水流量，調(diào)節(jié)激光高度，等待約30 min 養(yǎng)殖池內(nèi)水體平穩(wěn)后開啟激光器，操作PIV 系統(tǒng)開始采集圖像，采集完成后進行下一組試驗。

1.2 數(shù)據(jù)處理

流場分布特性測量試驗數(shù)據(jù)處理方法如下：首先利用MATLAB 將PIV 軟件測量得到的各點流速數(shù)據(jù)繪制成流場圖，定性分析進水管設(shè)置方式對養(yǎng)殖池內(nèi)流場分布特性的影響。為了進一步定量描述和比較不同工況下養(yǎng)殖池內(nèi)水動力特性，本研究通過養(yǎng)殖池內(nèi)平均流速vavg（養(yǎng)殖池內(nèi)各測量點流速的平均值，m/s）和速度分布均勻系數(shù)U[21]這2 個水動力學(xué)特征量對流場進行具體分析：

式中U為養(yǎng)殖池內(nèi)流速分布均勻系數(shù)，越接近100 代表水流速度分布越均勻。v50為各監(jiān)測點速度前50%速度較低的平均值，m/s；vi為監(jiān)測點的速度，m/s；ri為監(jiān)測點距池心的距離，m。v是由vi和ri計算得出的平均加權(quán)速度，m/s；

2 結(jié)果與分析

2.1 進水管設(shè)置方式對流場分布的影響

不同進水管設(shè)置方式下養(yǎng)殖池內(nèi)流場分布如圖1 所示。圖中最外層的黑色圓代表養(yǎng)殖池邊壁，由于水體對激光有削弱作用，遠離激光一側(cè)的邊壁附近激光強度較弱，不能清晰地顯現(xiàn)出該部分的示蹤粒子即不能準確測量到邊壁附近的流場。因此，本研究中不深入分析距池壁4 cm 范圍內(nèi)（圖中黑色圓內(nèi)側(cè)的白色區(qū)域）的流場及水動力特性。另外，試驗過程由于角度調(diào)節(jié)裝置的遮擋產(chǎn)生了部分測量盲區(qū)（流場圖左右兩側(cè)深藍色區(qū)域），該部分區(qū)域內(nèi)的流場也不做深入分析。

通過圖1 可以非常清晰地觀察到進水管設(shè)置方式會明顯影響?zhàn)B殖池內(nèi)流場的分布。進水管設(shè)置角度α=0°～45°時，養(yǎng)殖池內(nèi)均可以形成高速環(huán)形水流，隨進水管設(shè)置距離的增加，進水口與池壁之間的距離逐漸增大，進水口高速水流與池壁的碰撞消耗逐漸減弱，高速環(huán)形水流面積隨進水管設(shè)置距離的增加先增大后減小，排水口附近高速區(qū)域面積隨進水管設(shè)置距離增加逐漸增大，高速環(huán)流位置隨進水管設(shè)置距離增加逐漸向養(yǎng)殖池中心移動；進水管設(shè)置角度α=45°～60°時，進水管設(shè)置距離d=0時無法在養(yǎng)殖池內(nèi)形成高速環(huán)流，隨進水管設(shè)置距離增加高速區(qū)向養(yǎng)殖池中心移動逐漸又形成了高速環(huán)流，進水管設(shè)置距離增加至d=1/2r時，高速環(huán)流與排水口附近高速區(qū)重疊，排水口附近高速區(qū)域面積隨進水管設(shè)置距離的增加逐漸增大。

進水管設(shè)置距離d=0 和1/4r時，高速環(huán)流面積隨進水管設(shè)置角度的增大先增大后減小，高速環(huán)流區(qū)域逐漸向養(yǎng)殖池中心移動。進水管設(shè)置距離d=1/2r時，高速環(huán)流面積隨進水管設(shè)置角度的增大逐漸減小，高速環(huán)流區(qū)域逐漸向養(yǎng)殖池中心移動。

2.2 進水管設(shè)置方式對水動力特征量的影響

PIV 系統(tǒng)利用示蹤粒子的運動間接測量養(yǎng)殖池內(nèi)的流場，根據(jù)每個示蹤粒子的運動信息可以對養(yǎng)殖池內(nèi)水動力特性進行定量分析[24]。根據(jù)PIV 測量得到各試驗工況下的平均流速，結(jié)果如圖2a 所示。當進水管設(shè)置距離d=0 時，平均流速均隨進水管設(shè)置角度的增大先增大后減小，α=45°左右達到最大，此時養(yǎng)殖池內(nèi)的平均流速最大，有利于污物的起動以及匯集排出；進水管設(shè)置距離d=1/4r時，進水管設(shè)置角度α=0°～40°時，平均流速均處于較大水平且變化不明顯，α=30°時流場平均流速略大于其他角度；進水管設(shè)置角度α=40°～60°，流場平均流速逐漸降低；進水管設(shè)置距離d=1/2r時，平均流速隨進水管設(shè)置角度增大逐漸減小，在α=0°時取得最大值。此外，3 種進水管設(shè)置距離工況中，d=1/4r時各角度工況下的平均流速均高于其余進水管設(shè)置距離下的工況。

根據(jù)公式（1）計算得到各試驗工況下速度分布均勻系數(shù)U如圖2b 所示。速度分布均勻系數(shù)表示養(yǎng)殖池內(nèi)速度梯度差，速度分布均勻系數(shù)越高表示養(yǎng)殖池內(nèi)流場均勻性越好，養(yǎng)殖池內(nèi)溶解氧的分布以及養(yǎng)殖對象的分布越均勻，越有利于養(yǎng)殖對象生長。不同進水管設(shè)置距離下流場均勻系數(shù)隨進水管設(shè)置角度變化趨勢各不相同。進水管設(shè)置距離d=0 時，速度分布均勻系數(shù)隨進水管設(shè)置角度增大而整體增大，在α=60°時取得最大值，但是此時養(yǎng)殖池內(nèi)的平均流速已經(jīng)非常小，不利于污物的匯集排出；進水管設(shè)置距離d=1/4r時，均勻系數(shù)隨進水管設(shè)置角度增大而先增大后減小，在α=40°時取得最大值，此時養(yǎng)殖池內(nèi)的平均流速處于較高水平；進水管設(shè)置距離d=1/2r時，均勻系數(shù)整體趨勢隨進水管設(shè)置角度增大逐漸減小，在α=0°時取得最大值，此時養(yǎng)殖池內(nèi)的平均流速處于較優(yōu)水平。

綜合分析圖2 并根據(jù)平均流速越大流場均勻系數(shù)越大越有利于養(yǎng)殖池內(nèi)的污物匯集排出的原則，可以得到如下較優(yōu)的養(yǎng)殖池進水管設(shè)置方式：當d=0 時，建議進水管角度α設(shè)置在45°附近；當d=1/4r時，建議進水管角度α設(shè)置在30°至40°附近；d=1/2r時，建議進水管角度α設(shè)置在0°附近；上述3 種進水方式中以d=1/4r,α為30°～40°附近時為最優(yōu)。趙樂等[18]和任效忠等[19]通過物理模型試驗研究了雙管貼壁進水模式下進水管設(shè)置角度對方形圓弧角養(yǎng)殖池內(nèi)水動力特性的影響，結(jié)果表明進水管設(shè)置角度分別為40°和50°時，養(yǎng)殖池內(nèi)水動力特性最優(yōu)，這與本文進水管設(shè)置距離d=0 時最優(yōu)進水管設(shè)置角度相似。然而，相較與傳統(tǒng)的介入式多次單點流速測量技術(shù)，本研究中采用的非浸入式PIV 流速平面測量技術(shù)可以直接同時測量并直觀地顯示測量平面的整體流場分布特性，具有不干擾原有流場，同步性高，效率高以及準確度高等優(yōu)點。此外，從圖3 還可以看出，3 種設(shè)置距離下的各水動力特征量并不是在相同的角度取得最優(yōu)值，如d=1/4r時，平均流速和流場均勻系數(shù)分別在α=40°和30°時取得最優(yōu)值。這有可能是因試驗?zāi)Ｐ统叽巛^小而引起的試驗誤差，也有可能是因未考慮養(yǎng)殖池邊壁附近以及角度調(diào)節(jié)裝置下方附近的流場而引起的試驗誤差。目前，還沒有相關(guān)的研究可以對比，這也是接下來需要重點研究探索的內(nèi)容。

3 結(jié) 論

本研究將PIV 流速測量技術(shù)應(yīng)用到養(yǎng)殖池內(nèi)流場的測量，擴展了養(yǎng)殖池水動力特性的研究方法，有效地提升了研究結(jié)果的精度和準確度。研究結(jié)果表明進水管設(shè)置方式明顯影響?zhàn)B殖池的水動力特性；進水管設(shè)置距離d=0 時，進水管設(shè)置角度為45°附近時養(yǎng)殖池內(nèi)水動力特性最優(yōu)；進水管設(shè)置距離d=1/4r時，進水管設(shè)置角度為30°～40°附近時養(yǎng)殖池內(nèi)水動力特性最優(yōu)；進水管設(shè)置距離d=1/2r時，進水管設(shè)置角度為0°附近時養(yǎng)殖池內(nèi)水動力特性最優(yōu)；綜合比較所有工況下養(yǎng)殖池的水動力特性，進水管設(shè)置距離d=1/4r，進水管設(shè)置角度為30°～40°時養(yǎng)殖池內(nèi)水動力特性最優(yōu)。由于本研究是物理模型試驗研究，對實際養(yǎng)殖池進行了一定比例的縮放，最優(yōu)進水管設(shè)置方式可能與大型養(yǎng)殖池有細微差別，下一步將研究進水管設(shè)置方式對大型養(yǎng)殖池的水動力特性影響，更加科學(xué)地指導(dǎo)生產(chǎn)實踐。