黃錚錚，史憲瑩，張 倩,，薛博茹,，任效忠

(1.大連海洋大學(xué)設(shè)施漁業(yè)教育部重點實驗室，遼寧 大連 116023；2.大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

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

一、與實測法的對比

1.實測法的優(yōu)點與局限性

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中實測法通常采用聲學(xué)多普勒流速儀和激光粒子圖像測速(PIV)進行養(yǎng)殖池系統(tǒng)速度場監(jiān)測，測得流速等流場數(shù)據(jù)進而開展系統(tǒng)流場特性分析研究。對于較小規(guī)格的養(yǎng)殖池，可以直接進行現(xiàn)場監(jiān)測。對于較大規(guī)格養(yǎng)殖池通常以一定模型比尺縮放構(gòu)建養(yǎng)殖池的物理模型系統(tǒng)，讓池型、進水結(jié)構(gòu)和出水結(jié)構(gòu)與原型養(yǎng)殖池滿足相似準則，高效系統(tǒng)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(shù)的應(yīng)用空間。由于養(yǎng)殖池各處的流態(tài)具有差異性，監(jiān)測點必須足夠多才能較真實地展示各點流速和流態(tài)。此外，實測法測量周期長且測量點數(shù)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(guī)格養(yǎng)殖池的幾何、運動學(xué)和動力學(xué)情況，但是只有在進水速度較大、高雷諾數(shù)的情況時才能保證獲得相似的水力學(xué)特性。因此，物理模型具有局限性而且測量結(jié)果存在誤差。

2.數(shù)值模擬方法對實測法的補充

數(shù)值模擬是隨著計算機科學(xué)與流體力學(xué)相結(jié)合而發(fā)展起來的一種流場模擬技術(shù)，數(shù)值模擬計算可以有效改善實測法遇到的問題?；诹黧w力學(xué)控制方程和數(shù)值計算方法理論，應(yīng)用ANSYS軟件包中的Fl uent等軟件或自行開發(fā)程序是數(shù)值模擬的主流研究方法。

CFD數(shù)值模擬技術(shù)能做到采用原型尺寸構(gòu)建計算模型。實驗工況條件和幾何形態(tài)等容易調(diào)整設(shè)置，養(yǎng)殖池內(nèi)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(zhì)的計算模型使水質(zhì)精準預(yù)測與控制成為可能。數(shù)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(yōu)點，是一種十分經(jīng)濟便捷的方法。

二、國內(nèi)外研究進展

1.國外研究進展

2000年以來，國外許多關(guān)于養(yǎng)殖池內(nèi)流場特性的數(shù)值模擬研究逐漸興起。數(shù)值模擬與模型試驗相互驗證、互為補充，共同促進了養(yǎng)殖池系統(tǒng)水動力特性的研究與應(yīng)用，為優(yōu)化養(yǎng)殖池結(jié)構(gòu)、提高養(yǎng)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(yǎng)殖池內(nèi)的湍流，驗證了Davidson等(2019)關(guān)于圓形養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)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(guān)的預(yù)測，獲得了有價值的邊界層信息。

二維CFD模型的構(gòu)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(yǎng)殖池進行了二維數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)總體一致性達到83%，證明了二維數(shù)值模擬的準確性。但養(yǎng)殖池內(nèi)流速在垂直方向存在梯度而并非均勻的，通過二維數(shù)值模擬也無法直接獲得養(yǎng)殖池池底流速。因此采用二維模型對養(yǎng)殖池流態(tài)進行模擬具有一定的局限性。

2.國內(nèi)研究進展

近年來，國內(nèi)將數(shù)值模擬方法應(yīng)用于養(yǎng)殖池研究逐漸增多。將CFD技術(shù)引入水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)，對養(yǎng)殖池池型、進排水設(shè)置等進行優(yōu)化。

劉乃碩等(2017)對Cor nel l和Wat erl ine兩種經(jīng)典雙通道圓形養(yǎng)殖池的計算流體動力學(xué)(CFD)仿真分析，獲得了兩種池型的流速分布規(guī)律，并對兩種養(yǎng)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(yōu)于Cornel l池的結(jié)論；魏武(2013)結(jié)合Wat er l ine雙通道養(yǎng)殖池和Cor nel l雙通道養(yǎng)殖池的優(yōu)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(tǒng)，并用數(shù)值模擬方法對其進行仿真模擬，實驗結(jié)果表明，該排水系統(tǒng)既能實現(xiàn)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(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)八角形養(yǎng)殖池的三維數(shù)值模型，應(yīng)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(yǎng)殖池內(nèi)顆粒的模擬提供了新方法。

三、總結(jié)與展望

我國在工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的構(gòu)建技術(shù)領(lǐng)域一直在穩(wěn)步提升，尤其是近年來CFD技術(shù)的應(yīng)用大大提高了設(shè)計的精準性，縮短了設(shè)計流程與成本。依托CFD技術(shù)構(gòu)建養(yǎng)殖池系統(tǒng)能夠很好地模擬養(yǎng)殖池內(nèi)的流態(tài)，加快了工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖池系統(tǒng)研究的步伐。目前，越來越多的研究采取數(shù)值模擬和模型試驗相結(jié)合的方法對養(yǎng)殖池內(nèi)水動力特性進行系統(tǒng)深入的研究，但在一些科學(xué)問題方面仍有待深入。

1.模擬系統(tǒng)中養(yǎng)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(yǎng)殖池系統(tǒng)中魚的存在將會降低流場平均流速、增加湍流、提高水循環(huán)阻力并且會影響流速分布變化。但是對于魚群對池內(nèi)各點的具體水動力特性影響機理并不明確。在數(shù)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(jù)不同的魚群特征開展研究，為修建專用養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)備提供技術(shù)支持。

2.養(yǎng)殖池系統(tǒng)多相流模型的建立

養(yǎng)殖池內(nèi)殘餌、糞便等固體顆粒物排出情況和含氧量一直是養(yǎng)殖池優(yōu)化的重點，在以往的研究中，養(yǎng)殖池內(nèi)固體和氣體通常被忽略不計。目前，在養(yǎng)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(shù)值計算模型綜合考慮養(yǎng)殖池系統(tǒng)固相、液相、氣相間的相互影響機制，預(yù)測不同養(yǎng)殖系統(tǒng)中氣體和固體的含量、分布和運動趨勢，進而評估和優(yōu)化養(yǎng)殖池系統(tǒng)的含氧量和自凈能力。

3.養(yǎng)殖池系統(tǒng)中氨氮和溶氧等污染物及營業(yè)物質(zhì)的擴散模擬

只有在低氨氮、高溶氧的良好水體環(huán)境中，養(yǎng)殖的魚才能健康、快速生長。通過數(shù)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(tǒng)內(nèi)氨氮和溶氧等污染物及營養(yǎng)物質(zhì)的分布均勻性，減少水體空間水質(zhì)微環(huán)境的差異性。優(yōu)化獲得能夠促進魚類健康生長的流態(tài)和高溶氧供給，低氨氮的水體環(huán)境擴散與循環(huán)，建立適宜的高密度養(yǎng)殖環(huán)境。