CFD技術在循環水養殖系統構建中的研究現狀與展望

黃錚錚，史憲瑩，張 倩,，薛博茹,，任效忠

(1.大連海洋大學設施漁業教育部重點實驗室，遼寧 大連 116023；2.大連海洋大學海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116023)

目前，養殖池水動力特性的研究主要采用模型試驗和基于CFD技術的數值模擬方法。2010年以前的研究以模型試驗為主導技術手段，2010年以來的研究進入模型試驗和數值模擬共同發展、互為補充的研究階段。

一、與實測法的對比

1.實測法的優點與局限性

循環水養殖系統中實測法通常采用聲學多普勒流速儀和激光粒子圖像測速(PIV)進行養殖池系統速度場監測，測得流速等流場數據進而開展系統流場特性分析研究。對于較小規格的養殖池，可以直接進行現場監測。對于較大規格養殖池通常以一定模型比尺縮放構建養殖池的物理模型系統，讓池型、進水結構和出水結構與原型養殖池滿足相似準則，高效系統地開展實驗室物理模型試驗研究。

實測法具有較大的局限性限制了該技術的應用空間。由于養殖池各處的流態具有差異性，監測點必須足夠多才能較真實地展示各點流速和流態。此外，實測法測量周期長且測量點數有限，水體還會受到測量儀器的擾動與外界信號干擾，獲取的流場信息不夠豐富。此外，物理模型雖然可以模擬較大規格養殖池的幾何、運動學和動力學情況，但是只有在進水速度較大、高雷諾數的情況時才能保證獲得相似的水力學特性。因此，物理模型具有局限性而且測量結果存在誤差。

2.數值模擬方法對實測法的補充

數值模擬是隨著計算機科學與流體力學相結合而發展起來的一種流場模擬技術，數值模擬計算可以有效改善實測法遇到的問題。基于流體力學控制方程和數值計算方法理論，應用ANSYS軟件包中的Fl uent等軟件或自行開發程序是數值模擬的主流研究方法。

CFD數值模擬技術能做到采用原型尺寸構建計算模型。實驗工況條件和幾何形態等容易調整設置，養殖池內的各點流體速度、壓力等均可獲取，可以得到流場特性分析的大量信息。此外，模擬水中懸浮和溶解物質的計算模型使水質精準預測與控制成為可能。數值模擬方法在操作實施上還有成本低、周期短、不需要大型試驗場地等優點，是一種十分經濟便捷的方法。

二、國內外研究進展

1.國外研究進展

2000年以來，國外許多關于養殖池內流場特性的數值模擬研究逐漸興起。數值模擬與模型試驗相互驗證、互為補充，共同促進了養殖池系統水動力特性的研究與應用，為優化養殖池結構、提高養殖池自凈能力提供了理論支持。Leil a Behr oozi等(2020)使用軸對稱CFD模型成功地模擬了不含魚的1.5、5、9.15和10米圓形養殖池內的湍流，驗證了Davidson等(2019)關于圓形養殖池系統內水的切向速度大致與入口流量成正比、與給定幾何體的分流比無關的預測，獲得了有價值的邊界層信息。

二維CFD模型的構建比三維模型更加簡單，具有靈活和成本低的特點。Rodrigo A.Labat ut a等(2015)采用CFD方法對混合跑道式養殖池進行了二維數值模擬，模擬結果與現場數據總體一致性達到83%，證明了二維數值模擬的準確性。但養殖池內流速在垂直方向存在梯度而并非均勻的，通過二維數值模擬也無法直接獲得養殖池池底流速。因此采用二維模型對養殖池流態進行模擬具有一定的局限性。

2.國內研究進展

近年來，國內將數值模擬方法應用于養殖池研究逐漸增多。將CFD技術引入水產養殖行業，對養殖池池型、進排水設置等進行優化。

劉乃碩等(2017)對Cor nel l和Wat erl ine兩種經典雙通道圓形養殖池的計算流體動力學(CFD)仿真分析，獲得了兩種池型的流速分布規律，并對兩種養殖池進行自清潔能力評價，得出在池底出水分流比小于10%時，Wat er l ine池池底自清潔能力、池子整體流場均勻性均優于Cornel l池的結論；魏武(2013)結合Wat er l ine雙通道養殖池和Cor nel l雙通道養殖池的優點，提出了出水口由底流排污管、池中心排水管、邊流排水管組成的三通道排水系統，并用數值模擬方法對其進行仿真模擬，實驗結果表明，該排水系統既能實現池底固體顆粒物的有效排出，又有利于池中水體充分混合。

柳瑤等(2017)建立了循環水養殖系統八角形養殖池的三維數值模型，應用DPM法獲得了顆粒的運動軌跡并模擬了顆粒物的去除率，模擬值與實測值的去除率平均相對誤差為11%，該研究為模擬養殖池內顆粒的模擬提供了新方法。

三、總結與展望

我國在工廠化循環水養殖系統的構建技術領域一直在穩步提升，尤其是近年來CFD技術的應用大大提高了設計的精準性，縮短了設計流程與成本。依托CFD技術構建養殖池系統能夠很好地模擬養殖池內的流態，加快了工廠化循環水養殖池系統研究的步伐。目前，越來越多的研究采取數值模擬和模型試驗相結合的方法對養殖池內水動力特性進行系統深入的研究，但在一些科學問題方面仍有待深入。

1.模擬系統中養殖魚類對水動力特性的影響

物理模型與實際工程測量研究表明，養殖池系統中魚的存在將會降低流場平均流速、增加湍流、提高水循環阻力并且會影響流速分布變化。但是對于魚群對池內各點的具體水動力特性影響機理并不明確。在數值模擬中增加魚群游泳行為特征將是嘗試解決這一問題的方法。同時，這種模型還可以模擬不同種類魚群與流場的相互影響，依據不同的魚群特征開展研究，為修建專用養殖系統設備提供技術支持。

2.養殖池系統多相流模型的建立

養殖池內殘餌、糞便等固體顆粒物排出情況和含氧量一直是養殖池優化的重點，在以往的研究中，養殖池內固體和氣體通常被忽略不計。目前，在養殖池水動力特性的研究中建立固液氣三相三維模型的研究成果還非常少，建立固液氣三相三維數值計算模型綜合考慮養殖池系統固相、液相、氣相間的相互影響機制，預測不同養殖系統中氣體和固體的含量、分布和運動趨勢，進而評估和優化養殖池系統的含氧量和自凈能力。

3.養殖池系統中氨氮和溶氧等污染物及營業物質的擴散模擬

只有在低氨氮、高溶氧的良好水體環境中，養殖的魚才能健康、快速生長。通過數值模擬方法模擬水體中氨氮和溶氧的擴散與累積，尋求提高系統內氨氮和溶氧等污染物及營養物質的分布均勻性，減少水體空間水質微環境的差異性。優化獲得能夠促進魚類健康生長的流態和高溶氧供給，低氨氮的水體環境擴散與循環，建立適宜的高密度養殖環境。