薛博茹，任效忠，胡藝萱，畢春偉

（1.設(shè)施漁業(yè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（大連海洋大學(xué)），遼寧大連 116023；2.海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連理工大學(xué)，遼寧大連 116024）

工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖將傳統(tǒng)漁業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)與現(xiàn)代工業(yè)化大生產(chǎn)模式相結(jié)合，依靠技術(shù)手段及現(xiàn)代管理模式已突破水產(chǎn)養(yǎng)殖的地域環(huán)境限制，提升生產(chǎn)自動化、信息化水平的同時兼顧魚類福利需求，并使養(yǎng)殖產(chǎn)品更符合公眾對水產(chǎn)品質(zhì)量安全的要求[1-2]。工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖符合提供優(yōu)質(zhì)蛋白高效供給和拓展我國糧食安全的目標(biāo)，與“藍(lán)色糧倉”國家漁業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略相契合，是我國環(huán)境友好型水產(chǎn)養(yǎng)殖的重要轉(zhuǎn)型方向之一[3-4]。在工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式中，大型化養(yǎng)殖池型結(jié)構(gòu)備受現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的青睞，其可明顯降低單位魚產(chǎn)量的養(yǎng)殖投入成本與勞動力成本[5-6]，有利于促進(jìn)工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益的提升。但大型化養(yǎng)殖池對池型結(jié)構(gòu)及進(jìn)、出水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求更高，不合理設(shè)計(jì)帶來的生產(chǎn)困擾更大。

國內(nèi)外學(xué)者已有研究表明[7-8]：養(yǎng)殖池內(nèi)流場條件不佳會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的水力混合性、增加死區(qū)容積，導(dǎo)致飼料分散，對沉淀顆粒物的匯集與沖洗等廢物管理也造成不利影響。此外，還會致使養(yǎng)殖水質(zhì)下降，對養(yǎng)殖生物健康和疾病易感性、微生物生長、疾病擴(kuò)散等亦有較大影響。循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)水管射流輸入池內(nèi)的水體能量是循環(huán)水養(yǎng)殖的動力源與池內(nèi)水體流場的直接驅(qū)動力，池內(nèi)水動力學(xué)特征量是流場特性的評價指標(biāo)，其中流速是最基本也是最重要最直觀的水動力參數(shù)。不同的進(jìn)水結(jié)構(gòu)將營造出不同的流場特性，養(yǎng)殖池系統(tǒng)的集排污性能也體現(xiàn)出與之相應(yīng)的差別。因此，優(yōu)化養(yǎng)殖池系統(tǒng)的流場條件是改善集排污性能的重要前提，而池底的流速大小和流場分布規(guī)律直接關(guān)系到能否為沉降于池底的固體顆粒物提供有效驅(qū)動力，并最終影響?zhàn)B殖池系統(tǒng)的集排污性能。進(jìn)水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)直接影響池內(nèi)流場條件，而養(yǎng)殖池池底的流場形態(tài)又與池內(nèi)水動力條件密切相關(guān)，它們之間相互聯(lián)系又最終影響系統(tǒng)的集排污性能。薛博茹等[9-10]研究已發(fā)現(xiàn)，調(diào)整進(jìn)徑比參數(shù)C/B 可顯著改善池內(nèi)的流場條件，其中進(jìn)徑比參數(shù)C/B 設(shè)置在0.02～0.04 區(qū)間，有利于池內(nèi)均勻穩(wěn)定流場的形成，是矩形圓弧角養(yǎng)殖池的最佳進(jìn)水管布設(shè)區(qū)間。

因此，本研究從優(yōu)選進(jìn)徑比參數(shù)區(qū)間改善養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)（尤其是池底）的流場條件為切入點(diǎn)探索進(jìn)徑比參數(shù)對系統(tǒng)集排污的影響。采用RNG k-ε 湍流模型與DPM 模型相結(jié)合的方式建立固-液兩相流動數(shù)值計(jì)算模型，分析進(jìn)徑比對沉降式固體顆粒物的匯聚規(guī)律和排出效率的影響，為改善循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的集排污性能提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）基于質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程等流體動力學(xué)三個基本方程，建立數(shù)值模型進(jìn)行模擬仿真計(jì)算[11]。本研究針對養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)流體動力特性，假定流體有粘性但不可壓縮，不涉及能量方程求解。連續(xù)性方程和動量方程表示如下：

連續(xù)性方程：

動量方程：

式中：ρ 為流體密度，kg·m-3；U 為笛卡爾坐標(biāo)系中的矢量速度場，m·s-1；ui、uj為速度分量（i,j=1,2,3）；p 為壓力，N·m-2；τ 為剪應(yīng)力，N·m-2；g 為重力加速度，m·s-2；F 為外力，N；Δ為笛卡爾坐標(biāo)系中的梯度或算子。

1.1 湍流模型

流體流動模型選用RNG k-ε 湍流模型，RNG k-ε 湍流模型基于湍流動能k 方程和湍流耗散率ε 方程，通過修正湍動粘度考慮了平均流動中的旋轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)流動情況。與采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε 湍流模型相比，RNG k-ε 湍流模型在處理應(yīng)變率高以及流線彎曲程度較大的流動方面有優(yōu)勢，因而它可更精準(zhǔn)的模擬以旋轉(zhuǎn)和沉降為主的養(yǎng)殖池內(nèi)流場的流動[12-13]。

采用RNG k-ε 湍流模型建立流體數(shù)值模型，湍流動能k 方程和湍流耗散率ε 方程的表達(dá)式如下：

湍流動能k 方程：

湍流耗散率ε 方程：

式中：μ 為流體動力粘度，N·s·m-2；μt為湍流粘度，N·s·m-2；αk=αε=1.39 分別為k 和ε 的反向有效普朗特?cái)?shù)；Gk為平均速度引起的湍動能k 的產(chǎn)生項(xiàng)。

式中：C1ε=1.42，C2ε=1.68，Cμ=0.084 5（C1ε、C2ε、Cμ均為根據(jù)經(jīng)驗(yàn)所得常數(shù)）。

1.2 離散相（DPM）模型

本文的固-液兩相流問題，主要研究養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)水動力條件對沉降式固體顆粒物的影響。本文建立固-液兩相流數(shù)值模型，將流體視作連續(xù)介質(zhì)，固體顆粒相作為離散相來處理。養(yǎng)殖池系統(tǒng)水體是主體，固體顆粒物占比總體較小，顆粒物的體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)小于10%。且固體顆粒沿自身軌跡運(yùn)動，適合采用拉格朗日法進(jìn)行建模計(jì)算。因此，本研究選用DPM 模型進(jìn)行固體顆粒物的數(shù)值計(jì)算分析，用以獲取更精準(zhǔn)的顆粒物運(yùn)動軌跡與統(tǒng)計(jì)排出效率[14-15]。

FLUENT 軟件使用積分拉式坐標(biāo)系下的微分方程對離散相顆粒軌跡進(jìn)行求解。固體顆粒受力的微分方程為（以X 方向?yàn)槔15]如下：

式中：u 為連續(xù)相的速度，m·s-1；up為顆粒速度，m·s-1；ρ 為流體密度，kg·m-3；ρp為顆粒密度，kg·m-3；FD（u-up）為單位質(zhì)量顆粒受到的曳力，N；gx（ρp-ρ ）/ρp為單位質(zhì)量粒子受到的重力，N；FX表示其他各個作用力在X 方向的分力，N。

式中：dp為顆粒直徑，m；μ 為流體動力粘度，N·s·m-2；CD為曳力系數(shù)；Re 為相對雷諾數(shù)（顆粒雷諾數(shù)）。

2 矩形圓弧角養(yǎng)殖池?cái)?shù)值模型

2.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

本文采用Geometry 軟件構(gòu)建矩形圓弧角養(yǎng)殖池三維幾何模型，導(dǎo)入Mesh 軟件并采用多區(qū)域網(wǎng)格劃分（Muitizone）方式進(jìn)行計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分。養(yǎng)殖池模型結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置如圖1 所示，其中長寬比L/B=1:1，相對弧寬比R/B=0.25，徑深比B/H=5:1。模型主體結(jié)構(gòu)尺度參照工廠生產(chǎn)實(shí)踐中的養(yǎng)殖池進(jìn)行約為1:8 的比尺縮放，本文對部分參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化與簡化處理，養(yǎng)殖池高與水深設(shè)為同一高度。進(jìn)水管置于養(yǎng)殖池直壁中間位置（依據(jù)進(jìn)徑比參數(shù)設(shè)置，調(diào)整其中心與池側(cè)壁的水平距離），進(jìn)水管與養(yǎng)殖池同高設(shè)為200 mm、直徑為20 mm，出水口置于池底中心位置（直徑Dout=0.02 m）。計(jì)算工況流量恒為0.470 m3·h-1，射流速度V=1 m·s-1，進(jìn)水管結(jié)構(gòu)在水深范圍內(nèi)均勻開12 孔。

圖1 矩形圓弧角養(yǎng)殖池模型圖（mm）Fig.1 The schematic diagram of the rectangular arc angle model tank（mm）

Muitizone 多區(qū)網(wǎng)格劃分可依據(jù)設(shè)定自行判斷網(wǎng)格劃分區(qū)域，主體區(qū)域生成純六面體網(wǎng)格單元，而幾何體較復(fù)雜區(qū)域采用更好適應(yīng)邊界的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格單元。本文采用固-液兩相流模型進(jìn)行數(shù)值模擬，選擇Muitizone 對養(yǎng)殖池內(nèi)流場進(jìn)行網(wǎng)格劃分兼顧提高計(jì)算效率與節(jié)約計(jì)算資源的需求，系統(tǒng)網(wǎng)格劃分如圖2（A）。本研究重點(diǎn)分析矩形圓弧角養(yǎng)殖池內(nèi)的流場特性對系統(tǒng)集排污機(jī)制的影響，通過對比相同工況條件下同一監(jiān)測時間點(diǎn)固體顆粒物累計(jì)排出率來評估網(wǎng)格尺度對排污計(jì)算精度的影響，以獲取用于數(shù)值計(jì)算的合理網(wǎng)格數(shù)量。在3 種網(wǎng)格單元數(shù)下，系統(tǒng)在各個監(jiān)測時間點(diǎn)的固體顆粒物累計(jì)排出率如圖3-7（B），其中，mesh-C 網(wǎng)格與其他兩種網(wǎng)格存在較大差異，固體顆粒物累計(jì)排出率的模擬預(yù)測值低于mesh-A 和mesh-B 網(wǎng)格的模擬預(yù)測結(jié)果，而mesh-A 和mesh-B 網(wǎng)格模擬趨勢與數(shù)值呈現(xiàn)出高度一致性。此外，在同樣計(jì)算精度下，mesh-B 網(wǎng)格單元數(shù)小于mesh-A 網(wǎng)格單元數(shù)，因而mesh-B 網(wǎng)格即網(wǎng)格數(shù)量約為560 000可用于矩形圓弧角養(yǎng)殖池內(nèi)固體顆粒物匯集規(guī)律與累計(jì)排出效率的計(jì)算分析，同時保持了相對合理可接受的計(jì)算時間要求。

圖2 網(wǎng)格劃分與網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證（mesh-A,B 和C 分別為248 141,5 59 214,1 080 455）Fig.2 Mesh generation and mesh independence verification（mesh-A,B and C is 248 141,5 59 214,and 1 080 455 respectively）

2.2 數(shù)值求解方法

研究基于CFD 仿真軟件FLUENT 16.0 平臺和戴爾服務(wù)器開展數(shù)值模擬計(jì)算，F(xiàn)LUENT 中離散相模型（DPM）將流體視為連續(xù)相、固體顆粒視為離散相。本研究對液相模型求解選擇穩(wěn)態(tài)（Steady）控制方式；向池內(nèi)添加固體顆粒物后即固-液兩相流模式，對連續(xù)相模型（液相模型）求解仍然選取穩(wěn)態(tài)（Steady）控制方式，針對固相模型考慮固-液雙向耦合（Interaction with Continuous Phase），并開啟非定常粒子追蹤（unsteady particle tracking）方式，以利于真實(shí)模擬固體顆粒物沉降規(guī)律和運(yùn)行軌跡。連續(xù)相和離散相均采用壓力隱式求解方法，壓力速度耦合方式選用SIMPLE 算法，壓力、動量基于二階迎風(fēng)離散格式（second order upwind）求解，湍流動能、湍動能耗散率基于一階迎風(fēng)離散格式（first order upwind）求解。程序計(jì)算參數(shù)設(shè)置中，設(shè)定壓力的亞松弛因子采用0.3，動量的亞松弛因子采用0.7，湍動能和湍流耗散率的亞松弛因子為0.8，其他項(xiàng)保持程序常規(guī)設(shè)置。

2.3 邊界條件

本研究設(shè)置初始邊界條件包括進(jìn)、出口邊界，交界面處理和壁面邊界等，如表1 所示。同時對數(shù)值模型計(jì)算假設(shè)如下：①不考慮溫度的影響；②內(nèi)不考慮養(yǎng)殖生物，外不考慮其他因素影響；③假設(shè)流體有粘性但不可壓縮；④不考慮顆粒物運(yùn)動的質(zhì)量損失，即假設(shè)顆粒間不存在碰撞的質(zhì)量損失，不存在顆粒物的分解現(xiàn)象；⑤考慮了薩夫曼升力和壓力梯度力。

表1 初始邊界條件設(shè)定Tab.1 Initial boundary conditions

3 結(jié)果

3.1 模型驗(yàn)證

本研究通過建立與數(shù)值模型主體尺寸相同的物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D4（A）所示，驗(yàn)證所構(gòu)建固-液兩相流模型的合理性與有效性。物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)水結(jié)構(gòu)為對弧雙管，每管均勻開9 孔合計(jì)雙管共18 孔，流量設(shè)為恒定Q=0.814 m3·h-1。試驗(yàn)以常興鲆鰈魚類2#沉性飼料代替固體污染物顆粒，常興鲆鰈魚類2#沉性飼料為類圓柱形固體小顆粒，其粒徑為2.5±0.2 mm，粒徑厚度為1:1.0±0.1 mm；飼料撒入水中可快速沉降池底，且實(shí)驗(yàn)過程無松散分解現(xiàn)象。物理模型試驗(yàn)中待養(yǎng)殖池內(nèi)流場循環(huán)穩(wěn)定運(yùn)行后（約20 min），向池內(nèi)均勻撒入20 g 飼料并開始計(jì)時，每10 s 拍攝1 張照片監(jiān)測固體顆粒物分布，拍攝持續(xù)3 min 并記錄3 min 內(nèi)各時刻固體顆粒物累計(jì)排出情況。典型試驗(yàn)拍攝照片如圖3（A）所示，使用Matlab 軟件進(jìn)行照片后處理及圖像分析，識別出拍攝圖片中的顆粒物總像素面積并依據(jù)公式（7）計(jì)算出各時刻固體顆粒物的累計(jì)排出率，且每個工況進(jìn)行3 次重復(fù)試驗(yàn)并取平均值。數(shù)值模擬通過檢測池內(nèi)平均流速和殘差曲線，在池內(nèi)流場達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行后向養(yǎng)殖池系統(tǒng)注入與物理模型試驗(yàn)同參數(shù)同數(shù)量的固體顆粒物。數(shù)值模擬過程中可直接監(jiān)測出水口處顆粒物排出個數(shù)，通過顆粒物排出個數(shù)與注入個數(shù)之比計(jì)算出固體顆粒物的累計(jì)排出率。數(shù)值模擬中固體顆粒物的屬性參照物理試驗(yàn)中常興鲆鰈魚類2#沉性飼料設(shè)置。顆粒注入方式：在養(yǎng)殖池水面（hz=0.2 m）以池心為圓心，以0.45 m 為半徑的圓形區(qū)域內(nèi)均勻撒布固體顆粒（如圖3（B）），固體顆粒具體參數(shù)設(shè)置如表1（經(jīng)換算與計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)，20 g 常興鲆鰈魚類2#沉性飼料約有900 個顆粒，數(shù)值計(jì)算注入900 個固體顆粒）。

圖3 固體顆粒物撒布圖Fig.3 Distribution chart of solid particles

式中：S 為監(jiān)測20 g 顆粒物撒布后總像素面積，m2；St為監(jiān)測各時刻池內(nèi)剩余顆粒物像素面積，m2。

圖4（B）給出數(shù)值模擬結(jié)果與物理模型試驗(yàn)結(jié)果對比圖，圖中顯示數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的固體顆粒物累計(jì)排出率趨勢吻合良好，且各個監(jiān)測時刻的累計(jì)排出率的誤差均在4%以內(nèi)。模型驗(yàn)證結(jié)果充分證明本文建立的固-液兩相流數(shù)值模型充分反映了系統(tǒng)流場內(nèi)固體顆粒物的運(yùn)行特性與排污性能，建立的數(shù)值模型合理、計(jì)算精度高，可應(yīng)用于模擬系統(tǒng)內(nèi)固體顆粒物的沉降規(guī)律與排出效率的分析研究，為分析系統(tǒng)的流場特性與集排污性能的關(guān)系和改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一個有效的解決方法。

圖4 物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约皵?shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較圖Fig.4 Physical test model and comparison of numerical simulation results with experimental results

3.2 各進(jìn)徑比參數(shù)下顆粒累計(jì)排出率隨時間變化

薛博茹等[9]已通過調(diào)整進(jìn)水管布設(shè)位置與養(yǎng)殖池側(cè)壁之間的水平距離，優(yōu)選出進(jìn)徑比參數(shù)C/B 位于0.02～0.04 區(qū)間有利于矩形圓弧角養(yǎng)殖池系統(tǒng)獲得最佳水動力條件，實(shí)現(xiàn)了有效改善池內(nèi)與池底流場形態(tài)的目標(biāo)。而進(jìn)徑比參數(shù)C/B＜0.02 或C/B＞0.05 均不利于養(yǎng)殖池底部二次流場的形成，且會破壞均勻穩(wěn)定的流場形態(tài)，進(jìn)而給養(yǎng)殖池系統(tǒng)的集排污性能帶來不利影響。尤其是當(dāng)進(jìn)徑比過大（即C/B＞0.13），進(jìn)水系統(tǒng)射出的高速水體，受到射流口和中心出水口的共同影響，趨于做向心繞流運(yùn)動，帶動養(yǎng)殖池中間區(qū)域流體高速運(yùn)轉(zhuǎn)而忽略養(yǎng)殖池邊壁尤其是4 個圓弧角區(qū)域。現(xiàn)依據(jù)進(jìn)徑比對單通道矩形圓弧角養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)流場特性的影響，選取較有代表性的4 種進(jìn)徑比參數(shù)（C/B=0.01,0.03,0.09 和0.14），分析進(jìn)徑比對沉降式固體顆粒物排出效率的影響。

圖5（A）給出4 種進(jìn)徑比參數(shù)工況下，沉降式固體顆粒物前180 s 的累計(jì)排出率，可見150 s 后池內(nèi)固體顆粒物累計(jì)排出率趨于穩(wěn)定，進(jìn)徑比參數(shù)對養(yǎng)殖池內(nèi)固體顆粒物的排出效率影響顯著，其中進(jìn)徑比參數(shù)C/B=0.03 時，固體顆粒物的累計(jì)排出率最高。為進(jìn)一步對比說明進(jìn)徑比參數(shù)對養(yǎng)殖池內(nèi)流速和排污性能的影響，以進(jìn)徑比參數(shù)C/B=0.01 時的池內(nèi)平均流速和固體顆粒物累計(jì)排出率（180 s）為基準(zhǔn)，對4 種進(jìn)徑比參數(shù)下的池內(nèi)平均流速和累計(jì)排出率（180 s）進(jìn)行歸一化處理，歸一化結(jié)果如圖5（B），可見養(yǎng)殖池內(nèi)的固體顆粒物排出效率與養(yǎng)殖池系統(tǒng)的平均流速密切相關(guān)。其中，Vavg-0.01定義為進(jìn)徑比參數(shù)C/B=0.01 時的池內(nèi)平均流速，Vavg-a定義為其他某一進(jìn)徑比參數(shù)下養(yǎng)殖池內(nèi)的平均流速；Vavg-0.01定義為第180 s 時刻進(jìn)徑比參數(shù)C/B=0.01 時的固體顆粒物累計(jì)排出率，Vavg-a定義為第180 s 時刻其他某一進(jìn)徑比參數(shù)下固體顆粒物累計(jì)排出率。進(jìn)徑比參數(shù)C/B=0.03 時的池內(nèi)平均流速比進(jìn)徑比參數(shù)C/B=0.01 的池內(nèi)平均流速提高約15%，而第180 s 時刻固體顆粒物的累計(jì)排出率提高約52%。流速是影響?zhàn)B殖系統(tǒng)內(nèi)水動力特性最基本最重要的因素，沉降于養(yǎng)殖池底部的固體顆粒物能否順利排出，與養(yǎng)殖池底部流場特性尤其是底層流場流速是否可達(dá)到顆粒物的啟動速度密切相關(guān)，故基于調(diào)整進(jìn)徑比參數(shù)優(yōu)化水動力條件可顯著提高養(yǎng)殖池系統(tǒng)的集排污性能。

此外，進(jìn)徑比參數(shù)C/B=0.14 的池內(nèi)平均流速雖然高于進(jìn)徑比參數(shù)C/B=0.03 工況，但固體顆粒物的累計(jì)排出率卻呈現(xiàn)出相反趨勢；第180 s 時刻，C/B=0.14 工況的固體顆粒物的累計(jì)排出率比進(jìn)徑比參數(shù)C/B=0.03 工況的固體顆粒物的累計(jì)排出率降低60%。這一現(xiàn)象充分說明養(yǎng)殖池系統(tǒng)的集排污性能除了受到系統(tǒng)內(nèi)流場整體的平均速度影響外，還與系統(tǒng)內(nèi)流場的均勻性密切相關(guān)，只有養(yǎng)殖池系統(tǒng)底層流場流速分布均勻，且均達(dá)到固體顆粒物的最低啟動速度，養(yǎng)殖池系統(tǒng)才能整體上實(shí)現(xiàn)較好的集排污性能。

4 討論

圖6 給出固體顆粒物分布隨時間變化圖，由圖可見進(jìn)徑比參數(shù)C/B 由0.01 調(diào)整到0.03，與養(yǎng)殖池系統(tǒng)集排污性能密切相關(guān)的底層流場的形態(tài)明顯改善；與此相對應(yīng)，沉降于池底的固體顆粒物向池心排污口匯聚現(xiàn)象明顯，固體顆粒物的排出效率明顯提高。當(dāng)進(jìn)徑比參數(shù)C/B 增加到0.09 時，由于高速水體與池側(cè)壁發(fā)生直接碰撞現(xiàn)象逐漸劇烈導(dǎo)致能量消耗較高，使得用于維持養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)水體運(yùn)轉(zhuǎn)的能量降低，直觀表現(xiàn)為系統(tǒng)平均流速降低且易出現(xiàn)低流速區(qū)和小漩渦區(qū)，因此固體顆粒物仍然呈現(xiàn)分散分布狀態(tài)，甚至在低流速區(qū)和小漩渦區(qū)域徘徊或啟動動力不足而無法向池心排水口匯聚，因此固體顆粒物的排出效率明顯下降。而當(dāng)進(jìn)徑比參數(shù)增加到0.14 時，由射流口射出的高流速水體帶動出水口附近流體高速運(yùn)轉(zhuǎn)，此時養(yǎng)殖池內(nèi)的固體顆粒物一部分散落在臨近池壁的低流速區(qū)域無法向池心匯聚，另一部分雖然快速匯聚到出水口附近外圍區(qū)域，卻隨流體高速旋轉(zhuǎn)，均無法順利排出；該工況養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)平均流速雖然較高但池底整體速度分布不均勻，在中心區(qū)域出現(xiàn)較大區(qū)域高速旋轉(zhuǎn)渦流區(qū)，反而使固體顆粒物排出效率降低，無法滿足養(yǎng)殖系統(tǒng)的集排污需求。同時，久泡松散的殘餌糞便因池中心高速運(yùn)轉(zhuǎn)流體中剪切力的增大，極易把殘餌糞便等固體廢棄物打散分解，使懸浮固體顆粒物的濃度大幅增加[16]，進(jìn)而影響?zhàn)B殖池系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)與惡化系統(tǒng)的養(yǎng)殖水質(zhì)環(huán)境。因此，除較小流場流速和較低的流場均勻性外[17-18]，池中心排污口附近的高速旋轉(zhuǎn)渦流讓粒子在池中心形成高速環(huán)形運(yùn)動軌跡而無法順利進(jìn)入排水口，也是影響系統(tǒng)集排污性能的另一大不利因素。

5 結(jié)論

本研究運(yùn)用計(jì)算流體動力學(xué)仿真技術(shù)，基于RNG k-ε 湍流模型與離散相DPM 模型相結(jié)合構(gòu)建固-液兩相流數(shù)值計(jì)算模型，驗(yàn)證其合理性和滿足計(jì)算精度的基礎(chǔ)上，開展了養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)沉降式固體顆粒物的集排污性能影響研究，分析了系統(tǒng)流場特性對固體顆粒物匯聚與排出的機(jī)理。結(jié)論如下：養(yǎng)殖池系統(tǒng)的集排污性能與養(yǎng)殖池內(nèi)尤其是池底的流場條件密切相關(guān)；養(yǎng)殖池系統(tǒng)的集排污性能除了與流場速度有關(guān)外，還與系統(tǒng)的流場均勻性和池中心的高速渦流區(qū)強(qiáng)弱密切相關(guān)。進(jìn)徑比對養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)固體顆粒物的分布規(guī)律與排出效率影響顯著，基于調(diào)整進(jìn)徑比可改善池內(nèi)流場形態(tài)，尤其是與集排污性能有直接關(guān)系的池底流場形態(tài)，為沉降式固體顆粒物的排出奠定基礎(chǔ)。進(jìn)徑比參數(shù)C/B=0.03，既有利于單通道排污矩形圓弧角養(yǎng)殖池系統(tǒng)獲得最佳流場條件，又可顯著提高養(yǎng)殖池系統(tǒng)的集排污性能。此外，基于流場特性分析，進(jìn)徑比參數(shù)設(shè)置在0.02～0.04 區(qū)間，系統(tǒng)也會在獲得最佳流場條件的同時兼具較好的集排污性能。