方形圓弧角養殖池射流間距對流場特性的影響

季 川，李 健，陳 釗，戰文斌

(1 中國海洋大學水產學院，山東 青島，266003；2 中國水產科學院黃海水產研究所，山東 青島，266071)

工廠化循環水養殖是現代漁業的重要發展方向，是一種結合生物技術、工程技術以及控制儀表等方法為一體的健康養殖模式[1]。當前，工廠化循環水養殖因其飼養密度高、投喂量大等原因，使得較多的養殖生物糞便、殘飼沉積池底，對養殖池內部的生態環境造成較大污染[2]。及時清除殘飼、糞便，維持良好的養殖系統內水質條件成了當前急需解決的首要問題[3-4]。養殖池作為循環水養殖系統的重要組成部分，通過對養殖池內的水動力特性進行研究，可以為工廠化循環水養殖池優化設計提供有力的技術保障[5-7]。進水結構參數的設計對養殖池內的流場特性影響較大[8-9]，部分研究人員運用計算流體力學(CFD)方法，通過調節進水結構(射流位置、射流方向、射流孔面積、噴嘴形狀等方面)改善了養殖內部的水力混合特性，優化了水動力條件，進一步證明了CFD技術應用于養殖池水動力模擬方面的可行性[10-13]。

隨著數值模擬技術不斷步入成熟階段，其作用也日益凸顯[14]，CFD計算流體力學技術已經廣泛應用于集排污、流場特性、生物濾器等領域[15-16]。相比于物理模型試驗，CFD技術不僅能夠較易地改變養殖池結構參數，優化養殖池系統[17]，而且可以更加細致地反映出養殖池內的流場分布狀況，此項技術的運用在提高養殖技術水平、降低成本、提高效率方面意義重大。目前，工廠化循環水養殖池有多種形式，主要有圓形養殖池、矩形養殖池、八角形養殖池以及方形圓弧角養殖池等，而方形圓弧角養殖池以其較高的空間利用率和產出率，池內的流場特征符合集污、排污性能要求，成為當前使用較多的池型種類[18]。

選取方形圓弧角養殖池作為研究對象，探討不同射流間距對流場特性的影響，為養殖池進水結構的優化提供一定的參考依據。

1 材料與方法

1.1 模型的建立

以弧邊對側雙管道出流的養殖池作為研究對象，為了更加方便地與物理模型實體做相關參數的對比，數值模型參數基于現有循環水養殖池1∶6等比例縮小，并在此基礎上進行部分參數優化，各項設計參數如下：

模型長寬比1∶1分別為 1.2 m×1.2 m，深度0.6 m(徑深比為3∶1)[19-20]，圓弧角半徑與池體寬度之比為0.25，池底中心處有一排污口，排污口內徑為0.04 m，入水管直徑為0.02 m。進水系統為雙管射流系統，分別設置在養殖池對角處弧邊的中間位置，垂直并緊貼養殖池邊壁，射流角度為30°(射流角度為進水管道中心處距離最短的弧面上的一點的切線與射流方向線的夾角)進水系統的射流速度設定為0.3 m/s。規定hz為養殖池內水面的高度(從養殖池直壁的最底部開始計算，此時記為hz=0 m)。根據出水口的間距不同分為7組(間距長度記為L)L=0、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06 m(規定L為水深0.4 m時且最下方出水口位置緊貼池壁底部時各個出水口之間的距離)。

1.2 數值求解方法

基于ANSYS19.0平臺進行仿真模擬，采用穩態壓力基作為求解器，速度耦合方式為無壓力修正的SIMPLIC[23]，湍動能采用一階迎風離散格式進行計算。RNGk-ε湍流模型因其具有適用性廣泛、計算精度合理，能夠更好地處理應變率高及流線彎曲程度大的流動的優點[24-25]，故本研究采用該模型，模型各項參數保持默認(圖1)。表1給出數值計算模型的初始邊界條件。

圖1 養殖池模型及入射流間距示意圖

表1 初始邊界條件

1.3 網格劃分

網格質量對數值模擬結果的準確程度有較大影響[21-22]。本研究以Meshing網格軟件對模型進行網格劃分，在進水管以及射流入口處和排水口處進行網格加密。為了方便數據交換，統一采用四面體網格劃分方法對模型進行劃分，總計得到133 842節點數以及 712 493網格數，網格細化后(網格節點數為298 960，網格數為1 617 558)計算結果無明顯變化。圖2為射流間距L=0.06 m、截取水面高度hz=0 m(即養殖池底部)的流場分布云圖。

圖2 網格數分別為712 493(A)和1 617 558(B)的速度分布云圖

1.4 水動力學特征量

水動力學特征量可以用來描述流場特性，以下為本研究所用到的特征量，計算公式如下：

Q=SV

(1)

式中：Q為每秒從管口流出的液體的體積，m3/s；S為射流口的橫截面積,m2；V為射流速度，m/s。

Fi=ρQ(Vin-Vavg)

(2)

式中：Fi為入口沖擊力[26]，N；ρ為海水的密度,kg/m3；Q為進水流量,m3/s ；Vin為進水速度,m/s；Vavg為養殖池內的平均速度,m/s。

Ct=2Q(Vin-Vavg)/(A×Vavg2)

(3)

式中：Ct為養殖池內的阻力系數[27]；A為濕周 (池底和側壁的表面積之和) ，m2。

U50=V50/Vavg×100

(4)

式中：U50為養殖池中循環速度較低的50%面積的平均值V50(m/s)與整個養殖池的平均速度Vavg(m/s)的比值[28]。

ηe=km1Vavg2/m2Vin2

(5)

式中：ηe為能量有效利用系數[29]；m1為養殖池水體循環總質量(kg)，m2為射流口提供的水體總質量(kg)，k為常數是根據池型結構設定的可變參數。本研究數值模擬假設m1=m2，方形圓弧角養殖池k=90。

2 結果

2.1 數值模型的驗證

數值模型的驗證模型為單通道方形圓弧角養殖池，該驗證模型的各項參數與數值模擬模型各項參數相同。利用聲學多普勒流速儀(ADV)監測在入射流間距L=0.06 m，距離池底高度hz= 0.20 m所在橫截面與過池中心且與射流方向平行的一條直線上每隔0.1 m測量流速共計13個測量點，物理模型實體圖如圖3所示。

圖3 物理模型實體圖

物理模型試驗對每個測量點持續測量1 min，每0.01 s讀數一次，每個測量點共測量6 000次后取平均值。數值模擬試驗設置同一位置監測點在監測流場達到穩定狀態后取監測速度的平均值。

圖4給出數值模擬計算與物理模型試驗對應監測點的速度對比圖。

圖4 模擬數據與測量數據對比圖

由圖4可以看出，模擬數據與測量數據整體變化趨勢相同且吻合性較好，兩組數據的均方根誤差相差8.785 1%，相對誤差較小，故該模型設計合理且精度滿足要求，可以用于圓弧角養殖池的數值模擬的研究。

2.2 入射流間距對養殖池水動力特征量的影響

養殖池不同深度處水動力特征量參數統計圖如圖5所示。

圖5 不同養殖池深度處水動力特征量參數統計圖

隨著射流間距從0～0.05 m逐步增大，養殖池內的能量有效利用系數也逐步增大，每增加0.01 m能量有效利用系數以0 m處的0.736為基準分別提高了7.23%、0.65%、2.64%、5.46%、1.81%，在射流口間距0.05 m處時達到最大值0.875 1。當射流間距繼續增大至0.06 m時，能量有效利用系數降為0.865 7，降低了0.75%。同樣，速度分布均勻系數DU50從間距0～0.06 m也是先增大后減小，在射流間距為0.05 m時出現了最大值0.684 6。速度均勻系數表示的是養殖池內水流速度的均勻程度，通過圖上數據可以看出，在射流間距為0.04 m、0.05 m、0.06 m時養殖池內的流速較為均勻。養殖池阻力系數與能量有效利用系數以及速度分布均勻系數趨勢相反，養殖池的阻力系數從間距0～0.05 m呈現緩慢的單調遞減趨勢，而后于0.06 m處時稍有升高，在射流間距0.05 m時最低。

2.3 入射流間距對養殖池流速大小的影響

養殖池的流場分布特征對養殖池內(尤其是養殖池底部)固體顆粒物(殘飼、糞便等)遷移有著重要的影響。良好的養殖池流場不僅要求有著較高的養殖池平均流速，且養殖池底流速越高，低流速區速度值越大，速度分布均勻性越好，就能夠使養殖池更好地發揮其自凈作用。由表2可以看出，當入射流間距在0 m、0.01 m時，此時射流口都聚集在水體下部，池內擁有較高的底層速度(V1)，但同時因其養殖池阻力系數較大，故這兩種入射流間距下的養殖池平均流速Vavg以及循環速度較低的50%面積的平均速度V50都比較小。與這兩種射流間距結果相反，當入射流間距在0.04～0.06 m時，由于射流口在養殖池內上下分布間距較大，入射流與池底的摩擦阻力以及射流間的撞擊損耗相對較小，養殖池的整體流速較高，池內流速分布也比較均勻。而當射流間距位于中間部分，即間距0.02 m、0.03 m時雖然射流位置靠近水池底部，但此時入射流之間距離仍然較近，射流對養殖池底部流速的升高值低于射流間碰撞帶來的流速降低值，故在這兩種射流間距下出現了底層平均流速最低的情況，且這兩種布置方式下的養殖池平均速度以及循環速度較低的50%面積的速度也都處于較低水平。結合圖4結論可以初步得出：在入射流間距0.04 m、0.05 m、0.06 m時能夠獲得較好的養殖池流場分布狀態以及較高的養殖池排污效率。

表2 養殖池系統(不同入射流間距)流速統計表

2.4 入射流間距對養殖池流場分布的影響

為了找出射流間距在0.04 m、0.05 m、0.06 m時的最佳方案，通過其速度云圖進行進一步分析。不同入射流間距在0.04 m、0.05 m、0.06 m時的速度分布云圖如圖6所示，從左至右分別表示的是養殖池從底部到表層的流場圖。從圖6可以看出，當L=0.04 m時，由于此時的射流位置偏下，養殖池的底部流場(hz=0 m，hz=0.1 m)的循環速度較高，速度變化梯度較為明顯，此時污物在底部的向心趨勢更加顯著，而在L=0.05，L=0.06時，底部流場的低流速區域加大，流速降低，并且隨著射流間距的加大，這種變化趨勢更加明顯。養殖池的中部流場(hz=0.2 m)在L=0.05 m處時流場分布最佳，不僅在養殖池中心處低流速區域更小，且在養殖池四周弧壁處也不存在明顯的低流速區，這就避免了養殖池內的污物在弧壁處聚集沉淀。中上層流場(hz=0.3 m)則是隨著入射流間距的增加不僅在射流速度方面出現了較大的增長，且低流速區無論是在面積上還是在分布上都有利于中上層的固體顆粒物向中心聚集，因此在中層流場中L=0.06 m是優選布置，但是當hz=0.4 m時，入射流間距在0.05 m處流場的分布狀況最優，原因是當射流間距在0.06 m時，最上部分的射流口較為接近水面，最上方的射流射出后并沒有完全做功于養殖池內的水體，表層水的較大波動損耗了射流的一部分能量，使得其表層流場的低流速區反而增大。通過3種不同射流間距的速度分布云圖我們可以發現，L=0.04 m時的下層流場分布較為合理，有利于污物的集中與排出，L=0.05 m則是中層流場，L=0.06是中上層流場更為符合要求。養殖池的集排污效率不僅受養殖池內的整體流速影響，底流流場的分布對其影響更加顯著，但與間距0.05 m相比，當間距在0.04 m時的養殖池整體流速較低，且速度分布的均勻程度也較差。所以，結合不同深度不同射流間距的速度云圖的分析可以得出，在L=0.05 m處時不僅可以獲得較好的養殖池底部流場，且養殖池內的整體水流循環分布都更加合理，有利于提高養殖池的自凈能力。

圖6 不同入射流間距在養殖池內不同深度處的速度分布云圖

3 討論

3.1 養殖系統內能量分布情況

養殖池內的能量是由入射流提供，進入系統的能量主要用于克服養殖池系統內的阻力損耗和流體質點間的相對運動、碰撞造成的能量損失，從而維持養殖池內流體的運動[32]。養殖池的阻力消耗包括摩擦消耗(養殖池側壁和底壁)，池壁的撞擊消耗兩部分。

3.2 射流間距對流場對流場特性影響分析

當入射流間距較小時(間距在0～0.03 m),射流口聚集于養殖池的底部，射流射出后，大量的入射流與池底發生碰撞、摩擦，造成了較大的阻力損耗。此外，由于射流口距離較近，射流射出后互相撞擊，也消耗了一部分系統能量。雖然在此射流間距下有著較大的底層速度，但根據Despers等人[33]的研究表明，過大的底層速度容易導致強烈的中心旋渦的產生，易破壞池底二次流的形態，從而導致顆粒物重新懸浮，不利于污物向池底處匯聚。射流間距在此范圍時呈現整體流速較低，中上層流速較低，速度上下層分布差異較大的狀態，養殖池的能量有效利用系數較低，不符合高效、低碳排污的要求[34]。

當射流間距在0.04～0.06 m時，此時射流間距較大，射流對養殖池內水流的推動作用上下分布比較均勻，受養殖池池底的摩擦力的影響也較小，養殖池內的整體流速較高，根據湛含輝[35]在二次流現象中得出的結果顯示，養殖池內的水流推力接近理論牛頓公式(F=ma)，質量較小的顆粒物因其所受離心力較小，因此與離心力方向相反的水流推力對顆粒物的搬移起到決定性的作用，故養殖池整體流速較高時，水流推動作用也會隨之增大，對顆粒物的搬移效果也就越好。當射流間距處0.04～0.06 m時，向心推力較大，有利于池內污物的聚集。在入射流間距為0.05 m時，養殖池內的流場分布情況最佳，在與射流相反方向的相鄰圓弧角不易出現低流速區及小旋渦區。養殖池整體流場分布更加均勻，速度向心變化梯度更大，低流速區向排污中心聚集，有利于固體殘餌、糞便向中心處聚集。因此，在此射流區間內，射流間距0.05 m是優選參數。

4 結論

模型驗證結果顯示，數值模擬結果與試驗結果吻合度較高，證明了該實驗數值模型的合理性以及精確性，可用于方形圓弧角養殖池的水動力特性研究。本研究選取7組入射流間距進行流場特性研究，結果顯示：當進水流量及射流速度恒定，入射流間距在0～0.03 m時，養殖池阻力消耗較大，循環速度較低。當入射流間距在0.04～0.06 m區間時，養殖池系統的阻力較小，池內的平均流速較高，并在射流間距為0.05 m時，養殖池的集排污效果最好，各項水動力條件最符合循環水工廠化養殖池系統的構建和養殖生物的綜合需求。故在雙管射流模式下，射流位置位于圓弧角，且射流角度為30° 時的方形圓弧角養殖選擇射流間距為0.05 m是兼具效率和成本的方案。本研究成果有利于養殖池水動力驅動系統的設計與優化，對工廠化養殖池節能減排有著重要的意義。由于本研究中未考慮不同養殖池的大小、不同材料池壁和池底的粗糙程度、殘留糞便、飼料顆粒物的大小以及養殖生物對池內的流場的影響，故在上述不同條件下養殖池的流場特性和聚污效果仍需進一步的研究。

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