朱 放，桂福坤，胡佳俊，孔劍橋，潘訓然，張澤坤，馮德軍，曲曉玉*

(1.浙江海洋大學船舶與海運學院，浙江 舟山 316022；2.浙江海洋大學，國家海洋設施養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心，浙江 舟山 316022；3.浙江海洋大學水產(chǎn)學院，浙江 舟山 316022)

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng) (recirculating aquaculture system，RAS)是采用工程設施和水處理設備將養(yǎng)殖過程中排放的污水處理后實現(xiàn)循環(huán)利用，通過構(gòu)建標準化養(yǎng)殖管理技術(shù)，人為控制養(yǎng)殖條件為養(yǎng)殖生物提供適宜的生長環(huán)境條件，實現(xiàn)高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)和“零”污染的系統(tǒng)[1]。近年來我國工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖逐步興起，并占據(jù)越來越大的市場份額，這也是水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展前行的必然趨勢[2]。工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖的密度高，飼料投放量大，在養(yǎng)殖過程中極易產(chǎn)生大量的殘餌糞便等污物，如果不及時處理將會嚴重影響?zhàn)B殖對象的生長[3]。在實際的養(yǎng)殖生產(chǎn)中，一般通過設置進出水方式調(diào)節(jié)池內(nèi)流場情況從而達到高效集排污的目的[4]，但進水管設置角度往往僅憑養(yǎng)殖者的主觀經(jīng)驗，缺乏科學的指導。

為了探究進水管設置角度對圓形養(yǎng)殖池內(nèi)水動力特性的影響，Despres[5]開展了不同進水角度對養(yǎng)殖池內(nèi)流場影響的實驗，研究表明，進水管的角度對養(yǎng)殖池內(nèi)流場分布有重要的影響。Oca等[6]分析了影響池內(nèi)流速的設計參數(shù)，建立了單位質(zhì)量的角動量來評估速度分布的模型，結(jié)果表明進水裝置是決定養(yǎng)殖池流場的因素之一。Oca等[7]采用粒子跟蹤測速技術(shù)(particle tracking velocimetry，PTV)，進一步研究了4 種不同進水方式和出水方式的矩形養(yǎng)殖池內(nèi)的流場分布，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單側(cè)進水、單側(cè)出水存在水體混合能力與排污能力差等問題。Davidson 等[8]通過調(diào)整Cornell-type養(yǎng)殖池進水口的入水角度來調(diào)節(jié)養(yǎng)殖池內(nèi)平均流速及其他水動力參數(shù)。為了探究進水管設置角度對養(yǎng)殖池內(nèi)污物匯集的影響，Papá?ek 等[9]和Gorle 等[10]利用計算流體力學研究了顆粒在養(yǎng)殖池內(nèi)的運動情況，發(fā)現(xiàn)進水管設置角度與養(yǎng)殖池自清洗能力密切相關。趙樂等[11]通過研究方形圓弧角養(yǎng)殖池流場特性，得出流速應在適宜魚類生長范圍內(nèi)盡可能高，進水管設置角度為40°工況時污物的匯集效果最好。桂福坤等[12]利用物理模型實驗的方法研究了水車式增氧機驅(qū)動下方形圓切角養(yǎng)殖池污物匯集水動力特性，研究表明，水車式增氧機與池壁的夾角為45°工況時污物匯集效果最優(yōu)。

綜上所述，國內(nèi)外學者研究重點都放在了圓形養(yǎng)殖池內(nèi)流場水動力特性方面，桂福坤等[12]進行的污物匯集實驗采用的是方形圓切角養(yǎng)殖池，且沒有將污物的匯集特性與水動力特性相結(jié)合，難以為圓形養(yǎng)殖池進水管設置角度的布置提供科學全面的指導。本實驗以典型的工廠化圓形養(yǎng)殖池為研究對象，探索圓形養(yǎng)殖池進水管設置角度對池內(nèi)污物匯集特性的影響，并且結(jié)合PIV 技術(shù)測量了每組工況養(yǎng)殖池內(nèi)流場分布，以期為優(yōu)化工廠化養(yǎng)殖池的集排污性能提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

養(yǎng)殖池內(nèi)的污物匯集試驗在浙江海洋大學國家海洋設施養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心設施養(yǎng)殖實驗室進行。實驗裝置主要由養(yǎng)殖池、水循環(huán)系統(tǒng)、流量計測系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)4 部分組成(圖1-a)。養(yǎng)殖池為圓形，由透明亞克力板材黏制而成，內(nèi)壁高50 cm，內(nèi)部直徑98 cm，底部正中心位置開有直徑5 cm 的排水口，池底無坡度。此外，為了更清晰地拍攝到分布在養(yǎng)殖池底部的污物，在養(yǎng)殖池底部鋪設白色貼膜。水循環(huán)系統(tǒng)由養(yǎng)殖池、錐形污物收集桶、水泵、水管等組成，水流方向如圖中箭頭所示，養(yǎng)殖池內(nèi)的水通過底部連通水管流入錐形桶，然后通過水泵輸送至養(yǎng)殖池，完成水循環(huán)過程。進水管和支架的連接處有刻度盤，進水管與水管在刻度盤處密封活接，可以轉(zhuǎn)動進水管從而調(diào)節(jié)射流角度。流量計測系統(tǒng)由安裝在進水管道的2 個流量計(基恩士FD-Q20C)和閥門組成，流量計可以監(jiān)測進水管實時輸入養(yǎng)殖池的流量(L/min)，閥門可以調(diào)節(jié)進水量。圖像采集系統(tǒng)由設置在養(yǎng)殖池正上方的高清攝像機(VA-200PRO)和控制軟件組成，主要記錄污物運動匯集過程。

進水管是直徑2 cm 且下端封閉的透明亞克力管，雙管對稱貼壁進水，并在距進水管底端2、10、18 cm 處開3 個方向相同直徑為0.6 cm 的進水口。進水管設置角度為0°時，出水口與池壁之間的距離為1 cm，隨進水管設置角度的增加，進水管轉(zhuǎn)動導致出水口與池壁之間的距離逐漸增大到約為1.93 cm。利用直徑1.6 mm，長度1.0～2.0 mm的橢球形緩沉對蝦飼料替代養(yǎng)殖池內(nèi)的殘餌等固體顆粒污物。

養(yǎng)殖池內(nèi)的流場分布特性測量試驗在青島光流軟件技術(shù)有限公司海洋測量實驗室進行。實驗裝置主要由養(yǎng)殖池、水循環(huán)系統(tǒng)、流量計測系統(tǒng)和粒子圖像測速(Particle Image Velocimetry,PIV)系統(tǒng)4 部分組成(圖1-b)。養(yǎng)殖池、水循環(huán)系統(tǒng)和流量計測系統(tǒng)與污物匯集試驗中的一致，將圓形養(yǎng)殖池嵌入了正方形亞克力水池中，以避免圓形池壁對激光的折射。PIV 系統(tǒng)由激光器、高速相機、示蹤粒子等組成，測量時在養(yǎng)殖池中撒入示蹤粒子，以粒子速度代表其所在流場內(nèi)流體的運動速度，應用激光照射一個測試平面，用成像的方法記錄下2 次曝光的粒子位置，用圖像分析技術(shù)得到粒子群的位移，通過位移和曝光的時間間隔求得各點的流速矢量[13-14]?？紤]到污物對養(yǎng)殖池內(nèi)流速的影響很小且長時間在養(yǎng)殖池內(nèi)會影響水的清澈度，從而削弱激光的穿透程度，影響PIV 實驗結(jié)果。因此，在流場分布特性測量實驗中，沒有向養(yǎng)殖池內(nèi)撒入污物替代物。

1.2 實驗設計

該研究主要通過實驗的方法研究射流驅(qū)動下進水管設置角度對圓形養(yǎng)殖池內(nèi)污物匯集特性和流場分布特性(相應的水動力參數(shù))的影響。

第1 部分為污物匯集特性測量實驗。實驗設計水深20 cm，徑深比(直徑/水深)約為5∶1，進水流量為5.2 L/min(單個進水管流量2.6 L/min)，水力停留時間約為30 min。研究雙管貼壁進水模式下，進水管設置角度(出水方向與池壁切線形成的銳角)對養(yǎng)殖池內(nèi)污物匯集效果的影響，實驗中設置0°、10°、20°、30°、40°、45°、50°、60°及70°共計9 組實驗工況，依次標號為工況1～9。實驗開始前安裝好各實驗設備，然后開啟水泵，依據(jù)流量計調(diào)節(jié)進水管閥門控制進水流量，等待約30 min，池內(nèi)水體流動趨于穩(wěn)定。然后打開設置在養(yǎng)殖池正上方的攝像頭，將10 g 對蝦飼料(單次投喂量)快速均勻地撒在水池內(nèi)并同時開始計時(此時記為t=0 min)，觀察池內(nèi)污物匯集情況和規(guī)律。記錄30 min，然后關閉相機，保存視頻資料，開始下一組實驗。

第2 部分為流場分布特性測量實驗。流場分布特性測量實驗設計工況與污物匯集特性實驗相同，其中每個角度工況下測量距養(yǎng)殖池底H=1、2、10、19 cm (底層、近底層、中層、上層)的4 個高度平面的流場。PIV 系統(tǒng)中，圖像采集像素設置為5 120 pixel×3 800 pixel，相鄰2 幀圖像的時間間隔為0.125 s。實驗流程與污物匯集特性實驗相似，待系統(tǒng)運行30 min 穩(wěn)定后，開啟激光器，調(diào)整激光高度，相機開始采集圖像。采集完成后調(diào)整激光高度進行下一組實驗。

1.3 數(shù)據(jù)處理

污物匯集特性測量實驗數(shù)據(jù)處理方法。分析t=0、10、20、30 min 時刻的養(yǎng)殖池內(nèi)污物分布圖像，系統(tǒng)比較分析不同進水管設置角度下養(yǎng)殖池內(nèi)污物分布隨時間的變化規(guī)律。為了進一步定量分析進水管設置角度對養(yǎng)殖池內(nèi)污物匯集的影響，選取t=30 min 時刻各角度工況下養(yǎng)殖池污物圖像進行分析。使用MATLAB 軟件對原始圖像進行二值化處理(殘留污物圖像設置為黑色)，將污物與養(yǎng)殖池底面背景分離，統(tǒng)計黑色像素個數(shù)[15-16]，從而實現(xiàn)定量分析污物殘留量(養(yǎng)殖池自清洗能力)的目的。

流場分布特性測量實驗數(shù)據(jù)處理方法。通過直接相關法分析PIV 圖像，得到不同進水管設置角度工況下4 個高度水層的流場圖。為了進一步系統(tǒng)比較不同工況下養(yǎng)殖池內(nèi)水動力特性，基于養(yǎng)殖池內(nèi)平均流速vavg和速度分布均勻系數(shù)DU50[17]養(yǎng)殖池阻力系數(shù)Ct[7]等水動力學特征量對流場進行定量分析，相關表達式：

式中，v表示平均加權(quán)速度(m/s)；vi為監(jiān)測點的速度(m/s)；ri為監(jiān)測點距池心的距離(m)；DU50為養(yǎng)殖池內(nèi)流速分布均勻系數(shù)，v50為某深度截面各點速度前50%的平均值(m/s)，DU50大于0 小于100，接近100 代表速度越均勻，接近0 則表示速度均勻性較差；養(yǎng)殖池阻力系數(shù)Ct指養(yǎng)殖池對池內(nèi)水流能量阻礙的量化表達，養(yǎng)殖池阻力系數(shù)越大代表進水管輸入到養(yǎng)殖池能量損耗越多。Q為進水流量(m3/s)；v1為進水速度(m/s)；A為濕周，是過流斷面上流體與固體壁面接觸的周界長度(m)；vavg為養(yǎng)殖池內(nèi)平均流速，是養(yǎng)殖池內(nèi)各測量點流速的平均值(m/s)。

2 結(jié)果

2.1 進水管設置角度對污物匯集的影響

圖2 顯示了不同進水管設置角度下污物匯集過程，從左到右為養(yǎng)殖池內(nèi)污物匯集分布隨時間(t=0、10、20、30 min)的變化過程圖，從上到下為養(yǎng)殖池內(nèi)污物匯集分布隨進水管設置角度(0°、10°、20°、30°、40°、45°、50°、60°及70°)的變化過程圖(圖2)。

圖2 不同進水管設置角度下污物匯集過程Fig.2 Image of solid waste distribution with different inlet angles

不同進水管設置角度下，養(yǎng)殖池內(nèi)污物匯集過程與趨勢不同，從而導致最后的污物匯集效果也不相同。從不同時刻養(yǎng)殖池內(nèi)污物殘留分布可以看出，①進水管設置角度在0°～30°工況時，污物一般是從靠近池壁的區(qū)域逐漸匯集到中間區(qū)域，排水口附近區(qū)域在養(yǎng)殖池環(huán)流和排污口吸力的共同作用下，流速較大，靠近排污口的污物隨高速水流直接排出養(yǎng)殖池。最終大部分污物都匯集在養(yǎng)殖池的中間區(qū)域呈環(huán)狀分布，且隨角度的增大環(huán)狀區(qū)域面積(殘留污物)減少；②進水管設置角度在40°～50°工況時，污物運動匯集規(guī)律與0°～30°工況相似，但是匯集在養(yǎng)殖池中間區(qū)域的環(huán)形污物區(qū)大幅度縮小，污物匯集效果明顯增強；③進水管設置角度在60°～70°工況時，在射流的驅(qū)動下，污物一部分向靠近池壁的外側(cè)運動匯集，一部分向中間區(qū)域運動，在池內(nèi)形成了靠近池壁和靠近排水口的兩個污物匯集區(qū)域，污物匯集效果稍優(yōu)于0°～30°工況。

為了進一步衡量進水管設置角度對養(yǎng)殖池自清洗能力的影響，對t=30 min 時刻養(yǎng)殖池內(nèi)污物圖像按照“數(shù)據(jù)處理”中的數(shù)據(jù)處理方法進行定量分析(圖3)。在雙管貼壁進水模式下，污物殘留量(像素點個數(shù))隨進水管設置角度的增大先減小后增大，污物殘留量在0°～50°工況范圍內(nèi)逐漸減少，在50°～70°工況范圍內(nèi)逐漸增大，在50°工況時污物殘留最少，養(yǎng)殖池自清洗能力最優(yōu)。

圖3 t=30 min 池內(nèi)污物殘留像素點個數(shù)Fig.3 Number of pixels of the residual solid wastes at t=30 minute

2.2 進水管設置角度對流場的影響

流場特性與養(yǎng)殖池自清洗能力密切相關，流速大小是污物能否起動的關鍵，流態(tài)影響污物的運動匯集方向[17-18]。不同進水管設置角度下不同高度水層流場(圖4)，從左到右為養(yǎng)殖池內(nèi)流場分布特性隨水層(底層、近底層、中層、上層)的變化過程圖，從上到下為養(yǎng)殖池內(nèi)流場分布特性隨進水管設置角度(0°、10°、20°、30°、40°、45°、50°、60°、70°)的變化過程圖。圖中黑色的圓代表養(yǎng)殖池邊壁，養(yǎng)殖池左右兩側(cè)的黑色長箭頭代表進水管的設置角度(射流方向)，養(yǎng)殖池內(nèi)黑色箭頭方向代表該處流速方向，為了更清晰地顯示環(huán)流特性，并未在圖中畫出所有測量點的流速矢量箭頭。

圖4 養(yǎng)殖池內(nèi)流場分布特性圖Fig.4 Flow field in the aquaculture tank

PIV 流場測量實驗需要將激光射入養(yǎng)殖池(圖5)，激光從養(yǎng)殖池的一側(cè)射入，靠近激光器處的邊壁處的激光強度較強，圖像曝光過強，導致養(yǎng)殖池該側(cè)靠近邊壁處流速難以準確測量；激光強度在水體中被逐漸削弱，遠離激光器下側(cè)邊壁處激光強度較弱，示蹤粒子不夠清晰，導致養(yǎng)殖池該側(cè)靠近邊壁處流速難以準確測量。此外，激光照射在兩個進水管處產(chǎn)生折射和反射，圖像曝光過強，導致進水管附近流速難以準確測量。因此，距離養(yǎng)殖池內(nèi)壁4 cm 范圍內(nèi)(圖中黑色圓內(nèi)側(cè)的白色區(qū)域)的流速不再深入分析。

圖5 PIV 流場采集實驗圖圖中箭頭代表激光入射方向。Fig.5 Image of PIV measurementthe arrow in the image represents the direction of laser.

同一進水管設置角度工況下，底層、近底層、中層、上層四個水層內(nèi)的流場分布基本一致(圖5)，說明沿水深方向養(yǎng)殖池內(nèi)流場均勻性較好，流速梯度不大?？紤]到養(yǎng)殖池內(nèi)污物運動匯集與底層流場密切相關且各層流速分布基本一致，因此將著重分析養(yǎng)殖池底層流場特性。從圖4 中可以看出不同進水管設置角度工況下，養(yǎng)殖池底層流場特性既有相同又有差異：①不同進水管設置角度工況下，在進水口沖擊和排水口吸力的共同作用下，養(yǎng)殖池內(nèi)均可以形成環(huán)流；②進水管設置角度在0°～10°工況時，進水口高速水流剛流出時就與池壁碰撞，跟隨池壁的弧狀形成環(huán)流，水流在跟池壁的接觸碰撞過程中損失了大量能量，只在養(yǎng)殖池貼近池壁處形成了高速環(huán)流，排水口附近區(qū)域高速流場面積較??；③進水管設置角度在10°～45°工況時，進水管設置角度與養(yǎng)殖池內(nèi)整體環(huán)流流向的夾角增大，進水口高速水流與池壁的碰撞摩擦減弱，養(yǎng)殖池池壁附近高速環(huán)流區(qū)域面積隨進水管設置角度的增大逐漸增大，水流向心速度分量增大導致高速環(huán)流區(qū)逐漸向養(yǎng)殖池中間區(qū)域遷移，貼近池壁區(qū)域流速逐漸減小，排水口附近區(qū)域高速面積也逐漸增大；④進水管設置角度在45°～70°工況時，進水管設置角度與養(yǎng)殖池內(nèi)整體環(huán)流流向的夾角持續(xù)增大，進水口高速水流與池壁的碰撞摩擦很弱，但是進水口高速水流與整體環(huán)流相互碰撞，導致養(yǎng)殖池內(nèi)高速環(huán)流區(qū)域(尤其是靠近池壁區(qū)域)面積驟減，養(yǎng)殖池整體流速減小，進水口高速水流與排水口距離變小，導致排水口附近區(qū)高速區(qū)域面積增大。

2.3 進水管設置角度對水動力特性的影響

利用PIV 測量養(yǎng)殖池內(nèi)流場，能夠記錄養(yǎng)殖池內(nèi)PIV 標記點的速度矢量信息[13-14]，基于這些信息可以對養(yǎng)殖池內(nèi)水動力特性進行定量分析。計算得到9 個不同進水管設置角度工況下不同高度水層的vavg(圖6)。從圖中可以清晰地看出不同高度水層的平均流速較為接近，沒有明顯的速度差。養(yǎng)殖池底層水流與池底壁面摩擦會損耗底層流場的動能，導致底層流場流速略低于其上層的流速。4 個水層內(nèi)的平均流速隨進水管設置角度變化的趨勢相同，均隨進水管角度的增大先緩慢增大后緩慢減小，在40°～45°工況時達到最大，在70°工況時達到最小值。上述結(jié)果表明，進水管角度設置為40°～45°工況，養(yǎng)殖池內(nèi)的平均流速最大，有利于污物的起動以及匯集排出。

圖6 不同進水管設置角度下養(yǎng)殖池內(nèi)平均流速Fig.6 Average velocity in the tank with different inlet angles

根據(jù)公式(1)計算得到9 個不同進水管設置角度工況下各水層的速度分布均勻系數(shù)(圖7)。從圖中可以看出不同高度水層的流場均勻性較為接近，近底層和中層流場均勻性略好于底層和上層流場均勻性。4 個水層的速度分布均勻系數(shù)隨進水管設置角度的變化趨勢相同，均隨進水管設置角度增大而增大。在0°工況達到最低值，在60°工況達到最大值。上述分析表明，進水管設置角度在45°工況時養(yǎng)殖池內(nèi)不同高度水層速度分布均勻系數(shù)差異最小，當進水管設置角度在60°工況時，養(yǎng)殖池內(nèi)流場均勻性最好。

圖7 不同進水管設置角度下養(yǎng)殖池內(nèi)速度分布均勻系數(shù)Fig.7 Uniformity coefficient of velocity with different inlet angles

根據(jù)公式(2)計算得到的9 個不同進水管設置角度工況下養(yǎng)殖池的阻力系數(shù)(圖8)。養(yǎng)殖池阻力系數(shù)的變化趨勢與池內(nèi)平均流速恰好相反，隨進水管設置角度的增大先減小后增大，在進水管設置角度為40°～45°工況時達到最小值，在70°工況時達到最大值。以上結(jié)果表明，進水管角度設置為40°～45°工況時，養(yǎng)殖池的阻力整體較小，這也驗證了上一小節(jié)的結(jié)果，養(yǎng)殖池內(nèi)的平均流速在進水管角度設置為40°～45°工況時取得最大值。

圖8 不同進水管設置角度下養(yǎng)殖池內(nèi)阻力系數(shù)Fig.8 Resistance coefficient of the tank with different inlet angles

3 討論

循環(huán)水養(yǎng)殖的核心是通過高效的水處理工藝使系統(tǒng)內(nèi)的水體能夠循環(huán)利用，而系統(tǒng)內(nèi)水體的主要污染源是養(yǎng)殖過程中飼料殘留產(chǎn)生的殘餌以及養(yǎng)殖對象產(chǎn)生的糞便等污物。污物長時間殘留在池內(nèi)會分解產(chǎn)生氨氮等有害物質(zhì)并消耗溶解氧，嚴重影響?zhàn)B殖對象安全且極大地增加水處理負荷[19]。因此，如何快速高效地將養(yǎng)殖池內(nèi)的殘餌糞便等沉性顆粒污物排出養(yǎng)殖池是循環(huán)水養(yǎng)殖需要解決的首要問題。相比人工吸污等方法，通過合理地設置養(yǎng)殖池的進水結(jié)構(gòu)，構(gòu)建能夠?qū)⑽畚镒詣印皫С觥别B(yǎng)殖池的流場，即構(gòu)建具有優(yōu)異的自清洗性能的養(yǎng)殖池，是解決該問題的首選方案。

已有的研究主要通過比較養(yǎng)殖池內(nèi)污物的殘留量，直接量化養(yǎng)殖池的自清洗性能[11-12]或者比較養(yǎng)殖池內(nèi)的流場特性，間接量化養(yǎng)殖池的自清洗性能[20-21]。本實驗綜合上述2 種方法，系統(tǒng)地開展了不同進水管設置角度工況下養(yǎng)殖池內(nèi)污物運動匯集特性以及相應的流場特性研究。當進水管設置角度為45°～50°時，養(yǎng)殖池內(nèi)污物殘留量均較少且相差不大。60°～70°這2 個角度工況下，養(yǎng)殖池內(nèi)部分區(qū)域的污物出現(xiàn)了明顯的堆積，難以精準量化。綜合考慮上述結(jié)果，本研究認為進水管設置角度在45°～50°時，養(yǎng)殖池具有較好的自清洗性能，池內(nèi)的污物能夠較好地排出。此外，除流速均勻系數(shù)外各水動力特征量都在40°～50°工況下取得最優(yōu)值，因此需要綜合養(yǎng)殖池多個水動力特征量并結(jié)合養(yǎng)殖池污物匯集試驗結(jié)果，才能更合理地比較養(yǎng)殖池自清洗性能的優(yōu)劣，很難從單個水動力特征量直接衡量養(yǎng)殖池的自清洗性能。本研究中水動力特征量在計算的過程中并不包含距離養(yǎng)殖池池壁4 cm 范圍內(nèi)的流速，這也可能是各水動力特征量并不是都在45°～50°工況下取得最優(yōu)值的一個原因。

趙樂等[11]通過物理模型試驗研究了進水管設置角度對方形圓弧角養(yǎng)殖池內(nèi)污物運動匯集的影響，結(jié)果表明，雙管貼壁進水模式下進水管設置角度為40°時，污物匯集效果最優(yōu)。需要指出的是，該實驗中沒有設置進水管角度為45°的工況。任效忠等[22]通過物理模型實驗研究了進水管設置角度對方形圓弧角養(yǎng)殖池內(nèi)平均流速的影響，結(jié)果顯示在弧壁處單管和雙管貼壁進水模式下，池內(nèi)平均流速隨進水管設置角度的增大先增大后減小，進水管設置角度為50°時池內(nèi)水體平均流速最高，流場分布特性最優(yōu)。Venegas 等[20]通過物理模型實驗測量并計算了單孔噴射器進水模式下，進水管設置角度為0°和45°時，圓形養(yǎng)殖池內(nèi)的飼料排出養(yǎng)殖池的耗時以及水動力特征量，結(jié)果表明養(yǎng)殖池的綜合性能在45°工況時優(yōu)于0°工況。綜合上述以及本文的研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，進水管設置角度是影響?zhàn)B殖池內(nèi)污物匯集效果與流場分布特性的重要因素。本研究的圓形養(yǎng)殖池在雙管貼壁進水模式下，進水管設置角度在45°～50°時，養(yǎng)殖池可以取得良好的自清洗性能。

向養(yǎng)殖池內(nèi)撒入沉性顆粒飼料(污物替代物)，然后觀察記錄污物的運動匯集過程是研究養(yǎng)殖池自清洗能力的最直觀有效的方法。然而，已有的研究在試驗方法方面尚有不足。趙樂等[11]以及桂福坤等[12]在水循環(huán)系統(tǒng)啟動之前將飼料撒入養(yǎng)殖池，然后再開啟水循環(huán)系統(tǒng)，這與實際循環(huán)水養(yǎng)殖情況不符。實際養(yǎng)殖中，循環(huán)水系統(tǒng)一般一直處于運行狀態(tài)，殘餌糞便等污物也都是在循環(huán)水系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的。Venegas 等[20]和Davidson 等[8]是在循環(huán)水系統(tǒng)運行狀態(tài)下，向養(yǎng)殖池內(nèi)撒入顆粒飼料，觀察飼料的運動過程并記錄其排出養(yǎng)殖池的耗時。然而，Venegas 等[20]在實驗中將10 粒顆粒飼料從距離池壁10 cm 處的1 個位置撒入養(yǎng)殖池；Davidson 等[8]在實驗中將1 粒顆粒飼料從距離池壁0.6 m 處的1 個位置撒入養(yǎng)殖池。以上操作都與實際養(yǎng)殖情況不符，養(yǎng)殖過程中殘餌糞便是隨機產(chǎn)生的，并不集中于某一固定點位?；诖?，本研究在進行污物匯集試驗時將顆粒飼料在水循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定運行過程中，均勻且較密集地撒入養(yǎng)殖池中，以期更符合實際生產(chǎn)工況。但是本研究中t=30 min 時刻養(yǎng)殖池內(nèi)殘留污物產(chǎn)生了堆積現(xiàn)象，導致利用圖像處理量化污物殘留量時影響圖像處理的準確性，后續(xù)研究中需要對此進行改進。

養(yǎng)殖池內(nèi)流場分布特性可以間接評價養(yǎng)殖池自清洗性能優(yōu)劣，闡釋污物運動機制。Gorle等[21]和仁效忠等[22]利用ADV 流速儀測量養(yǎng)殖池內(nèi)流場分布特性，在測量時存在布點密度低、ADV 接觸水流影響?zhàn)B殖池內(nèi)流場等缺點，難以準確顯示養(yǎng)殖池內(nèi)流場的分布特性?；诖?，本研究利用PIV 技術(shù)測量了養(yǎng)殖池內(nèi)的流場情況，PIV 技術(shù)在測量時不擾動流場，可在同一時刻記錄整個流場的信息，提供豐富的流動空間結(jié)構(gòu)[23-24]。因此，通過PIV 技術(shù)測量養(yǎng)殖池內(nèi)流場，可以更全面地了解養(yǎng)殖池內(nèi)整體流場的分布特性。

養(yǎng)殖池內(nèi)水體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的二次流是影響?zhàn)B殖池自清洗能力的另一個主要因素[25]，進水管設置角度通過影響?zhàn)B殖池底部二次流強度進而影響?zhàn)B殖池的自清洗性能[25]。但是相較于養(yǎng)殖池內(nèi)主環(huán)流，二次流流速較小且貼近養(yǎng)殖池側(cè)壁和底部，較難觀察與測量，因此本研究未量化進水管設置角度對養(yǎng)殖池內(nèi)二次流的影響。后續(xù)研究中，可以通過改進試驗裝置以及采用高精度PIV 設備對養(yǎng)殖池內(nèi)產(chǎn)生的二次流現(xiàn)象進行系統(tǒng)深入的研究。

4 結(jié)論

本研究通過實驗探究了進水管設置角度對養(yǎng)殖池的自清洗能力和流場分布特性的影響，主要研究結(jié)論：

①進水管設置角度會明顯影響圓形養(yǎng)殖池的污物匯集效果，養(yǎng)殖池內(nèi)污物匯集能力隨進水管設置角度的增大先變好后變差，進水管設置角度在45°～50°工況時污物匯集效果最好。

②進水管設置角度會明顯影響?zhàn)B殖池流場分布特性，高速環(huán)流區(qū)域面積隨進水管設置角度的增大先增大后減小，高速環(huán)流區(qū)域隨進水管設置角度的增大逐漸向養(yǎng)殖池中心遷移，進水管設置角度在45°～50°工況時高速環(huán)流區(qū)域面積最大。

③養(yǎng)殖池內(nèi)平均流速隨進水管設置角度的增大先增大后減小，阻力系數(shù)與平均流速呈現(xiàn)負相關性，流場均勻性整體隨進水管設置角度增大先增大后減小。綜合考慮養(yǎng)殖池內(nèi)水動力特性，當進水管設置角度在到45°～50°工況時，養(yǎng)殖池內(nèi)平均流速高，阻力小，流場相對均勻，是比較理想的進水管設置角度。

綜合養(yǎng)殖池內(nèi)污物運動匯集特性以及養(yǎng)殖池內(nèi)水動力特性，進水管設置角度在到45°～50°工況時養(yǎng)殖池自清洗能力最強。

（作者聲明本文無實際或潛在的利益沖突）