張 俊 王明華 賈廣臣 曹守啟

(1.上海海洋大學工程學院， 上海 201306； 2.國家遠洋漁業(yè)工程技術研究中心， 上海 201306；3.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室， 大連 116024)

0 引言

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)(Recirculation aquaculture system，RAS)具有節(jié)水、高產(chǎn)、環(huán)保等優(yōu)點，受到了水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的廣泛關注。近年來，隨著RAS養(yǎng)殖模式的迅速發(fā)展，養(yǎng)殖池水動力狀況不理想而出現(xiàn)的集污排污效能差、水循環(huán)過程中的能量利用率和空間利用率低等問題日益凸顯，已成為RAS模式進一步發(fā)展的技術瓶頸[1]。作為循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的重要組成部分，養(yǎng)殖池的結構合理設計是創(chuàng)立最佳養(yǎng)殖對象生長條件、提高自凈化效能及空間利用率的關鍵。在全封閉或半封閉RAS中，矩形和圓形養(yǎng)殖池應用廣泛。SUMMERFELT等[2]指出矩形池易于管理、成本低、空間利用率高，但水體混合能力與集污排污能力差。圓形池具有良好的水流均勻性和水體混合性，自凈化能力強，但空間利用率低[3]。因此，如何設計和優(yōu)化養(yǎng)殖池的結構參數(shù)，使養(yǎng)殖池既保持良好的水動力條件，又能擁有較高的空間利用率，是當前RAS領域的重點研究方向[4-5]。

國內外學者針對RAS養(yǎng)殖池的結構優(yōu)化和進出水裝置改進等開展了大量研究[6-18]。主要針對RAS養(yǎng)殖池的結構設計、水動力特性和自凈效能，但對切角、圓角參數(shù)對水動力特性的影響以及不同池型結構對養(yǎng)殖池綜合性能影響的研究較少。本文以正方形、六邊形、八邊形、圓形、方形切角、方形圓弧角6類RAS養(yǎng)殖池為研究對象，通過與實驗數(shù)據(jù)對比分析，驗證計算方法的有效性，研究不同池型養(yǎng)殖池的水動力學特性。首先，建立六邊形、圓形、不同切角距離和圓角半徑方形養(yǎng)殖池的結構模型，基于計算流體力學(Computational fluid dynamics, CFD)方法建立三維流場模型；其次，利用不同的流場指標，包括速度分布、渦量分布、流動均勻性指數(shù)等，全面分析不同池型結構養(yǎng)殖池的流場特性，研究池型結構對養(yǎng)殖池水體混合均勻性、排污能力、能量利用效率的影響；最后，從適漁性、循環(huán)水的利用效率、養(yǎng)殖空間利用率角度評估不同池型結構養(yǎng)殖池的綜合性能。

1 計算模型

1.1 結構模型

以一種雙通道排水RAS養(yǎng)殖池為研究對象，其結構模型如圖1所示。

圖1 養(yǎng)殖池結構示意圖Fig.1 Structure diagrams of aquaculture pond

建立12組同體積、不同池型結構的養(yǎng)殖池三維模型，并具有相同位置和結構參數(shù)的進水口和出水口，無底部坡度。進水裝置為單進水管結構，底部中心座標如圖1a所示，其中坐標系原點為養(yǎng)殖池底部中心點，模型高度為2 000 mm，最底部進水口(直徑30 mm)中心與池底距離為80 mm，縱向排列共25個，間距為67 mm，如圖1b所示；雙通道排水裝置包括中心溢流口(直徑220 mm)和底流口(直徑140 mm)，如圖1c所示，養(yǎng)殖水體在通過底流口前要先流入集污斗(直徑480 mm)，集污斗上方距池底80 mm處安裝了圓形板(直徑800 mm)，有利于固體顆粒物的排出[19]。

為便于比較，得到綜合性能最好的池型參數(shù)，將方形切角養(yǎng)殖池中切角距離與半寬比定義為k1，在正方形(k1=0)與正八邊形(k1=0.585 8)之間取3組k1值；將方形圓角養(yǎng)殖池中的圓角半徑與半寬比定義為k2，在正方形(k2=0)與圓形(k2=1)之間取5組k2值；其中養(yǎng)殖池寬度為對邊距離(圓形養(yǎng)殖池寬度為直徑)，則12組養(yǎng)殖池結構參數(shù)如表1所示。在同體積下，養(yǎng)殖池寬度越小，空間利用率越高，從表1可看出，切角距離和圓角半徑小的養(yǎng)殖池具有更高的空間利用率。

表1 RAS養(yǎng)殖池結構參數(shù)Tab.1 Structure parameters of RAS pond

1.2 控制方程與湍流模型

將流場中的液相、氣相、固相視為具有不可壓縮性和連續(xù)性的混合流體相，其三維非定常復雜流動過程滿足連續(xù)性方程和動量守恒方程

(1)

(2)

式中x、y、z——坐標分量

ρ——混合流體連續(xù)相的密度，kg/m3

μ——混合流體連續(xù)相的動力黏度，Pa·s

Fx、Fy、Fz——直角坐標系下3個體積力分量，N

u、v、w——直角坐標系下3個速度分量，m/s

采用RNGk-ε兩方程湍流模型，該模型考慮了渦流和低雷諾數(shù)對湍流的影響，提高了存在旋渦流動的計算精度，尤其適用于描述具有大應變率剪切流、有旋流、分離等復雜流動現(xiàn)象，湍流動能k及湍流耗散率ε方程為

(3)

(4)

(5)

式中ui、uj——速度分量

xi、xj——坐標分量

Sk、Sε——根據(jù)實際情況選擇的自定義源項

σk、σε——與k、ε相關的湍流普朗特數(shù)

Gb——由浮力產(chǎn)生的湍流動能，J

Ym——可壓縮湍流中波動膨脹對總耗散率的貢獻

Gk——平均速度梯度引起的湍流動能生成項

μt——湍動黏性系數(shù)

C1、C2、Cμ——經(jīng)驗系數(shù)

1.3 計算方法

采取基于壓力耦合的SIMPLEC算法，使速度場與壓力場的迭代同步進行，湍流動能及湍流耗散率均采用二階迎風格式，收斂精度為10-5。將進水口設置為速度入口，射流速度為1.5 m/s，溢流口和底流口均采用壓力出口，養(yǎng)殖池壁面和管道壁面設置為固體壁面，假設水面無剪切力和滑移速度，按自由液面處理，壓力值為標準大氣壓。為研究不同池型養(yǎng)殖池內部流場特性，設置1個通過池中心并平行于OYZ坐標平面的垂直監(jiān)測面，在該監(jiān)測面的0.2、1.0、1.8 m處設置速度監(jiān)測線，設置5個平行于養(yǎng)殖池底部的水平監(jiān)測面，高度分別為0.2、0.6、1.0、1.4、1.8 m，如圖2所示。

圖2 監(jiān)測線和監(jiān)測面Fig.2 Monitoring lines and planes

2 方法有效性驗證

依據(jù)GORLE等[17]提出的Cornell-type雙通道養(yǎng)殖池試驗模型和試驗數(shù)據(jù)驗證數(shù)值計算方法的有效性，試驗模型如圖3所示。

圖3 試驗驗證模型Fig.3 Experimental verification model

為滿足數(shù)值計算精度要求且提高計算效率，進行網(wǎng)格無關性驗證。劃分四面體網(wǎng)格，在養(yǎng)殖池的進水管、射流口、溢流口、底流口等部位進行網(wǎng)格加密，選擇兩種數(shù)量的網(wǎng)格模型進行驗證，其中mesh1和mesh2網(wǎng)格數(shù)量分別為144萬和197萬。從圖4中可以看出兩種網(wǎng)格劃分方案計算結果的速度曲線基本吻合，因此本文采用140萬網(wǎng)格數(shù)量進行計算。參照文獻[17]的試驗結果，在Y=0.1 m平面的3個深度線上各選12個速度監(jiān)測點，數(shù)值計算與試驗結果見圖4。從圖4中可看出，數(shù)值計算結果與試驗結果的整體趨勢基本一致，絕大多數(shù)監(jiān)測點誤差在10%以內，存在個別點誤差較大，但平均誤差在15%以內，驗證了本文采取的數(shù)值計算方法有效可行。

圖4 監(jiān)測點速度的數(shù)值計算與試驗結果對比Fig.4 Comparison between numerical calculation and experimental results of monitoring point velocity

3 計算結果與分析

3.1 池型結構對速度分布的影響

圖5為不同池型結構的養(yǎng)殖池各監(jiān)測線上的速度分布曲線。總體來看，由于射流速度導致的水流旋轉，養(yǎng)殖池水體呈現(xiàn)外圍速度大、中間速度小的規(guī)律。對比正方形、正六邊形、正八邊形到圓形養(yǎng)殖池的速度分布曲線可以發(fā)現(xiàn)：當養(yǎng)殖池趨于圓形，各檢測線上的速度絕對值增大，不同高度檢測線的速度分布也逐漸相似，除正方形養(yǎng)殖池外，其他3種養(yǎng)殖池檢測線速度都表現(xiàn)出明顯的“M”型對稱分布規(guī)律。對比圖5a、5c、5d、5e、5f可以看出：當方形養(yǎng)殖池的切角距離較小時，速度產(chǎn)生了較大的不規(guī)則波動，各監(jiān)測線上的速度差別較大，這是由于水流經(jīng)過池壁后，水體質點之間的相互作用使得湍流動能和渦流粘度增大，對速度了產(chǎn)生較大擾動。對比圖5a、5g、5h、5i、5j、5k、5l可以發(fā)現(xiàn)：當方形圓角養(yǎng)殖池的k2從0增加到0.166 7時，速度的變化較?。划攌2=0.5時，各監(jiān)測線上的速度差異最大，說明此種情況的養(yǎng)殖池中的流速大且流動混亂；隨著圓角半徑繼續(xù)增大，養(yǎng)殖池速度分布不均勻現(xiàn)象逐漸好轉，流速基本呈對稱分布，表明養(yǎng)殖池內的水流均勻穩(wěn)定，形成了強度較高的渦流；當方形養(yǎng)殖池切角距離和圓角半徑較大或養(yǎng)殖池趨于圓形時，均勻的速度分布和較高的底部速度將更有利于顆粒物的排出，從而確保良好的水質條件。

圖5 不同池型結構的養(yǎng)殖池各監(jiān)測線上的速度分布Fig.5 Velocity distributions of monitoring lines in ponds with different structures

3.2 池型結構對渦流結構的影響

圖6 不同池型結構養(yǎng)殖池的渦量分布Fig.6 Vorticity distributions of aquaculture ponds with different structures

總體來看，池型結構對于渦流的空間分布和結構形態(tài)有明顯影響。正方形養(yǎng)殖池形成的渦柱和渦環(huán)特征不明顯，渦絲分布紊亂；隨著養(yǎng)殖池趨于圓形，有旋流動現(xiàn)象凸顯，渦柱和渦環(huán)體積逐漸增大，同時由于旋轉流與池壁的作用力減小，渦絲量減少，渦流強度逐步增大。對比圖6a、6c、6d、6e、6f可以發(fā)現(xiàn)：隨著養(yǎng)殖池切角距離的增加，即切角距離與養(yǎng)殖池半寬比k1增大，渦柱、渦環(huán)體積增大，池內環(huán)流運動逐漸明顯，低速混合區(qū)逐漸減少；同時，靠近池壁的水流速度大、池中心速度較小的特征也逐漸顯現(xiàn)。對比圖6a、6g、6i、6j、6k、6l可以看出：隨著養(yǎng)殖池的圓角半徑增加，即圓角半徑與養(yǎng)殖池半寬比k2增大，養(yǎng)殖池流場呈現(xiàn)出與上述相似的規(guī)律；渦流形態(tài)和強度影響?zhàn)B殖池中固體顆粒分散和沖洗速率[19]；當方形養(yǎng)殖池切角距離和圓角半徑增大或養(yǎng)殖池趨于圓形時，水體混合更加均勻，死水區(qū)減少，有助于提高養(yǎng)殖池的自凈能力；然而，渦流強度過大也會增加養(yǎng)殖生物的應激水平[22]。

圖7為不同池型結構養(yǎng)殖池的三維流線圖，結果表明：方形養(yǎng)殖池的切角距離和圓角半徑較小時，水體質點運動規(guī)律性差、流態(tài)紊亂，隨著方形養(yǎng)殖池切角距離和圓角半徑的增加，切角和圓角對水流的引導作用加強，減少了水體質點與壁面間的正向碰撞，水體質點之間的不規(guī)則碰撞也相對減少，其運動軌跡逐漸轉為圍繞養(yǎng)殖池中心的有旋流動，流態(tài)較為穩(wěn)定。

圖7 不同池型結構養(yǎng)殖池的流線圖Fig.7 Velocity streamlines of aquaculture ponds with different structures

此外，由于主旋轉流和養(yǎng)殖池底部的無滑移條件，養(yǎng)殖池內會產(chǎn)生二次流。二次流由池底的內徑向流和養(yǎng)殖池表面外徑向流構成，通過“通道渦原理”促進了養(yǎng)殖池中水體混合作用，其中內徑向流沿著池底攜帶沉淀固體顆粒物至水池中心排水口，從而實現(xiàn)養(yǎng)殖水體自凈。垂直面的流線圖(圖8)顯示了二次流的存在。由于養(yǎng)殖池型結構的不同，垂直平面中次旋轉流的分布和強度表現(xiàn)出顯著差異。圖8b、8c、8h、8k、8l中二次流特征明顯，在溢流管兩側分布也較為均勻和對稱；圖8f、8j中的二次流強度相對較弱；圖8a、8d、8e、8g、8i中二次流被破壞，強度降低。二次流的強度是水流產(chǎn)生混合作用的重要因素之一，固體顆粒被水流帶走而無法沉積在池底，從而確保養(yǎng)殖池中的水質均勻[23]。因此，能否產(chǎn)生強度高的二次流是評價養(yǎng)殖池性能的重要指標。

圖8 不同池型結構養(yǎng)殖池垂直監(jiān)測面流線圖Fig.8 Streamline diagrams of vertical monitoring planes in aquaculture ponds with different structures

結合圖6～8可以發(fā)現(xiàn)：方形養(yǎng)殖池切角距離和圓角半徑較小時，水體質點之間以及水體與養(yǎng)殖池壁之間存在大量不規(guī)則碰撞和摩擦，引起較大的能量損耗，導致養(yǎng)殖池內出現(xiàn)許多低速混合區(qū)，池內水體混合性較差，不利于溶解氧等物質的均勻擴散，另一方面也使得池內湍流強度增大，水流紊亂，不利于固體顆粒物的沉淀和排出；當方形養(yǎng)殖池切角距離和圓角半徑增加或養(yǎng)殖池趨于圓形時，池內有旋流動逐漸凸顯，呈現(xiàn)出圍繞養(yǎng)殖池中心的規(guī)律性環(huán)流運動，渦流強度更高，二次流現(xiàn)象明顯，使得池內水體混合均勻性更好，促進溶解氧等物質的擴散和顆粒物的排出，從而創(chuàng)造更有利養(yǎng)殖生物生長的水環(huán)境。

3.3 水流均勻性指數(shù)特征

水流均勻性指數(shù)可作為衡量養(yǎng)殖池性能的水動力學指標和評估養(yǎng)殖生物生存條件的水文參數(shù)。在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中，養(yǎng)殖池的水流均勻性指數(shù)越高，流動均勻性越好，對養(yǎng)殖生物的生長更有利[24]。另外，提高流動均勻性是減少大直徑顆粒物破碎的方法之一[17]。水流均勻性指數(shù)計算式為[18, 25]

(6)

式中γ——水流均勻性指數(shù)

uavg——橫截面上的加權平均速度，m/s

u′——橫截面上的流體微元速度，m/s

A——橫截面面積，m2

圖9a表明正方形養(yǎng)殖池各截面的水流均勻性指數(shù)γ相對較小，h=0.6 m的水平截面γ最小，低于0.7，正六邊形、正八邊形和圓形養(yǎng)殖池的γ普遍大于0.85，隨著養(yǎng)殖池趨于圓形，γ變化不大。圖9b表明隨著切角距離與養(yǎng)殖池半寬之比k1增大，方形切角養(yǎng)殖池各截面水流均勻性指數(shù)γ總體呈現(xiàn)先平穩(wěn)后快速增加的趨勢。從圖9c看出，當方形圓角養(yǎng)殖池的圓角半徑與養(yǎng)殖池的半寬比k2<0.5時，γ隨k2增大呈現(xiàn)一定的波動，增長趨勢不明顯，當k2從0.5到1.0時，水流均勻性指數(shù)有明顯增長趨勢。從不同高度來看，h=1.8 m橫截面上的水流均勻性指數(shù)整體較高，隨著池型改變而增長的趨勢較小，這可能是由于養(yǎng)殖池頂部進水口的高度為1.7 m，射流對該橫截面上流場影響較小，速度相對穩(wěn)定變化不大；另外，二次流對該橫截面上速度變化的影響較小，減小了流動不均勻性。

圖9 不同池型結構養(yǎng)殖池水平監(jiān)測面的水流均勻性指數(shù)Fig.9 Flow uniformity indexes of horizontal monitoring planes in aquaculture ponds with different structures

3.4 能量利用效率特征

水體環(huán)流運動的能量主要由進水口射流提供，能量損耗主要來自于克服養(yǎng)殖池阻力和水體質點間相對運動的粘性阻力。利用體積加權水體速度vavg與射流速度vin的比值評估不同池型結構養(yǎng)殖池的能量利用率，如圖10所示。整體來看，當方形養(yǎng)殖池k1和k2增大或養(yǎng)殖池趨于圓形時，vavg/vin呈上升趨勢。圖10a表明，養(yǎng)殖池從正方形到正六邊形，vavg/vin大幅增長，而從正六邊形、正八邊形到圓形養(yǎng)殖池，vavg/vin增長緩慢。圖10b表明，隨著方形養(yǎng)殖池的切角距離與養(yǎng)殖池半寬比k1增大，vavg/vin呈先慢后快的增長趨勢。圖10c表明，隨著圓角半徑與養(yǎng)殖池半寬比k2的增大，vavg/vin增長速率呈現(xiàn)與圖10b相似的變化特征，但k2從0.833 3到1.0對vavg/vin影響不大。因此，由于大距離切角和大半徑圓角對于水流的引導作用更強，減少了水流與池壁的撞擊能量消耗，同時使水體質點軌跡趨于有規(guī)律的環(huán)流運動，減小了湍流動能和渦流粘度，提高了能量利用效率。由于不同池型結構養(yǎng)殖池能量利用率不同，要維持相同的適合水生物生長的水動力條件，就要調整養(yǎng)殖池的入口流量，與圓形養(yǎng)殖池相比，k1和k2較小的養(yǎng)殖池會產(chǎn)生更多廢水，水循環(huán)利用效率低。綜合分析可知，正六邊形養(yǎng)殖池、0.439 6

圖10 池型結構對能量利用效率的影響Fig.10 Effects of pond structures on energy efficiency

4 討論

本文研究了不同池型養(yǎng)殖池在1.5 m/s的射流速度下的水動力學特性。一般來說，養(yǎng)殖池最佳水流回轉速度可取每秒0.5～2.0倍的魚身長度，既能維持魚的正常呼吸又能促進肌肉的增強[26]。另外， TIMMONS等[27]研究表明：為達到期望的顆粒物去除效率，應適當提高底流流速，且池壁處的流速至少為15 cm/s。在養(yǎng)殖系統(tǒng)實際運行中，可根據(jù)養(yǎng)殖生物的生長需求、顆粒物沉淀及排出要求調整入口流量，獲得最佳的速度分布等水動力條件，文中速度分布特征及能量利用效率分析可為調整流量過程提供參考。

在構建節(jié)能、減排、高效的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)過程中，要綜合考慮養(yǎng)殖池的水動力特性、水體混合、自凈化能力、能量利用效率、土地利用率等因素。本文研究了不同池型結構養(yǎng)殖池的速度、渦量、流線分布特征，得到了流動均勻性指數(shù)、平均速度等參數(shù)，分析了養(yǎng)殖池水體混合及排污能力、能量及循環(huán)水利用效率、空間利用率，以此評估不同池型養(yǎng)殖池的綜合性能。養(yǎng)殖池水體混合及排污能力可通過溶解氧、顆粒廢物分布特征來體現(xiàn)，該方面有待進一步研究。另外，本研究得到的是理想狀態(tài)下的流場，未考慮養(yǎng)殖生物的影響。養(yǎng)殖生物的存在影響水體速度及固相顆粒的沉積[28]，因此，有養(yǎng)殖生物分布的養(yǎng)殖池水動力特性是下一步的研究方向。

5 結論

(1)從適漁性角度來看，在相同的養(yǎng)殖體積下，較大切角距離和圓角半徑的方形養(yǎng)殖池或池型趨于圓形的養(yǎng)殖池具有更好的水動力特性，包括均勻的速度分布、更高的底流速度、良好的水體混合性能和水體流動均勻性，高強度的渦流和二次流，這種水環(huán)境有助于溶解氧的混合和固體顆粒物的集聚和排出，實現(xiàn)最佳的養(yǎng)殖對象生長條件。

(2)從循環(huán)水利用效率來看，當切角距離與養(yǎng)殖池半寬比k1和圓角半徑與養(yǎng)殖池半寬比k2較小時，養(yǎng)殖水體平均速度較低，對射流的輸入能量利用效率低，要維持適宜的速度范圍就要增大射流速度，進而產(chǎn)生更多廢水，降低了循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的循環(huán)水利用率和經(jīng)濟效益。

(3)從養(yǎng)殖池的空間利用率來看，在相同的養(yǎng)殖體積下，方形養(yǎng)殖池的切角距離和圓角半徑較大或養(yǎng)殖池趨于圓形時，養(yǎng)殖池的寬度也越大，不利于提高養(yǎng)殖空間的利用率。綜合分析可知，正六邊形養(yǎng)殖池、0.439 6