氣力人工上升流對水體溫度的影響研究*

冷金英，黃豪彩，陳家旺，樊煒，葛晗，林杉，劉明洲，楊景，陳鷹

（浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江杭州310058）

0 引言

自然上升流是一個關(guān)鍵的海洋物理過程［1-2］，它可以把海水下層的營養(yǎng)鹽帶到中上層，使上升流地區(qū)的海洋初級生產(chǎn)力達到大洋的6倍，魚類生產(chǎn)量達到大洋的75倍，使上升流地區(qū)成為世界上海洋生產(chǎn)力較高的區(qū)域［3-5］。海洋上升流是支持漁業(yè)生產(chǎn)的重要因素，能夠很好地改善海洋生態(tài)環(huán)境［6］，一方面可為浮游植物提供足夠的營養(yǎng)供其進行光合作用，從而產(chǎn)生出更多的有機物供魚類生長繁殖，世界主要漁場多數(shù)分布在上升流充沛的海域，如東海漁場、秘魯漁場等［7-8］；另一方面可以降低上層海水的溫度，緩解溫室效應(yīng)，為浮游生物提供一個適宜生長的溫度范圍，對環(huán)境起到良性的作用［9-10］。但是在自然界中，自然上升流海域占世界海洋面積的比例很小。

人工上升流技術(shù)利用某種特殊裝置，將溫度較低且含有豐富營養(yǎng)鹽的深層海水提升至真光層，提高其作用海域的初級生產(chǎn)力。本研究的人工上升流采用注氣的方式，稱為氣力人工上升流［11］。目前人工上升流是國內(nèi)外海洋科學(xué)研究的熱點與前沿，其研究重點為在工程上實現(xiàn)海域研究，但在如何監(jiān)測和評價人工上升流的環(huán)境效應(yīng)（如溫度場的監(jiān)測）等方面的研究較少。目前日本在人工上升流方面處于世界領(lǐng)先水平，利用水泵抽水的方式提升營養(yǎng)鹽，稱為“拓海“裝備，其中的監(jiān)測系統(tǒng)能夠監(jiān)測溫度和鹽度曲線隨距離的變化。

為給以后的海試做準(zhǔn)備，本研究首先在千島湖地區(qū)進行試驗研究，主要研究注氣式人工上升流的可行性，其中包括涌升管的設(shè)計、溫度的變化以及注氣量和液體提升量之間的關(guān)系。在千島湖湖試的基礎(chǔ)上，本研究利用試驗中的背景數(shù)值（如湖水溫度和密度隨深度的變化）建立VOF多相流模型對溫度場進行仿真。在仿真過程中忽略管壁的摩擦和管壁的熱傳遞，水體溫度場的仿真結(jié)果和試驗結(jié)果基本吻合。

1 試驗研究

1.1 試驗裝置

為驗證氣力人工上升流提升海水的可行性和效果，人工上升流項目組于2011年10月25日在浙江省淳安縣千島湖地區(qū)進行了為期3天的試驗研究。試驗所在方位為北緯29°33′51″，東經(jīng)119°11′9″，試驗水域水深40 m，湖水靜止。雙體試驗船上有試驗所需的電源、起重機、甲板作業(yè)單元等，保證了試驗的順利進行和人員的人身安全。

試驗裝置如圖1所示，主要包括：試驗船（雙體船）、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、空壓機、流體控制閥、壓力控制閥、氣體流量計、注氣管、起重機、注氣口、電磁流量計、溫度、壓力傳感器、配重塊和涌升管等。其中試驗所用涌升管管徑為0.4 m，管長28 m。

圖1 試驗裝置圖

空壓機產(chǎn)生的氣體依次經(jīng)過氣體控制閥、壓力控制閥、氣體流量計、注氣管，通過噴嘴注入涌升管內(nèi)；距管口8 m位置處安裝電磁流量計；注氣口位于電磁流量計上面0.5 m處；溫度傳感器共兩個，分別位于涌升管管口的內(nèi)部和管底的外部；數(shù)據(jù)采集器用于實時采集、顯示和存儲溫度數(shù)據(jù)；計算機用于實時監(jiān)測所測得的溫度數(shù)據(jù)。

試驗前，本研究對溫度傳感器和溫鹽深計（CTD）進行校準(zhǔn)，然后進行設(shè)備組裝，組裝完成后進行數(shù)據(jù)采集，同時實時測量涌升管內(nèi)溫度隨時間的變化，試驗現(xiàn)場圖如圖2所示。

圖2 試驗現(xiàn)場圖

1.2 溫度監(jiān)測系統(tǒng)

該實驗采用溫度傳感器（如圖3（b）所示）測量湖水的溫度，溫度傳感器的探頭由負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻組成，如圖3（a）所示，其具有靈敏度高、體積小、質(zhì)量輕、熱慣性小、壽命長、溫度特性波動小以及價格便宜等優(yōu)點，可進行高靈敏度、高精度檢測。對于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻來說，其阻值與溫度之間的關(guān)系可表示為：

式中：RT—溫度T(K)時的電阻值；R0—熱力學(xué)溫度為T0時的電阻值，R0=272.8 kΩ；B—熱敏電阻的材料常數(shù)；T0—基準(zhǔn)溫度，通常為298.15 K；T—測得的溫度［12］。

溫度傳感器測得的數(shù)據(jù)由傳輸電纜線傳送到自主研發(fā)的數(shù)據(jù)采集器（如圖3（c）所示）。數(shù)據(jù)采集器包含電源電路、處理傳感器信號的調(diào)理電路、控制數(shù)據(jù)采集器循環(huán)操作和進行A/D轉(zhuǎn)換的Flash存儲器、通信接口。LabVIEW是一種多功能的圖形化編程軟件，計算機通過LabVIEW軟件，可以在操作界面（如圖3（d）所示）內(nèi)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集、顯示和存儲，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的原位、實時監(jiān)測［13］。

圖3 溫度監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分和軟件操作界面

1.3 試驗結(jié)果

試驗采用空壓機進行注氣，注氣過程中速度的調(diào)節(jié)方式采用手動，氣體速度隨時間變化不規(guī)則，注氣管的直徑為10 mm，注氣時的平均氣流量在300 L/min～400 L/min，氣體的輸入速度和水體上下層的溫度數(shù)據(jù)隨時間的變化情況如圖4所示，水體溫度和密度隨深度的變化如圖5所示。

從圖4可以看出，沒有注氣過程發(fā)生時，距湖水表層1 m處的上層溫度和距湖水表層29 m處下層溫度的變化都不大，溫度分別維持在22℃和16.8℃左右；

圖4 氣體輸入速度和測得的溫度數(shù)據(jù)隨時間的變化

隨著注氣過程的開始，上層溫度隨著下降，在50 s的時間內(nèi)，溫度降低到16℃左右，并且低于涌升管底部溫度，說明涌升管底部以下溫度更低的湖水由于上升流效應(yīng)被帶至上層，涌升管底部溫度保持不變；

隨著注氣過程的結(jié)束，在100 s時間內(nèi)，上層溫度又慢慢回升到22℃左右，說明由于湖水密度差的原因，密度高的低溫湖水慢慢沉降，密度低的表層湖水仍在表層，底層溫度不變。

圖5 湖水溫度和密度隨深度的變化（由CTD測得）

從圖5中可以看出，在0～17 m的范圍內(nèi)，湖水溫度變化不大，為22℃左右，湖水密度為997.8 kg/m3左右；17 m～30 m的范圍內(nèi)湖水溫度逐漸降低，降至14℃左右，湖水密度逐漸升高，最高可達最低999.4 kg/m3。千島湖位于錢塘江上游新安江主流上，是中國北亞熱帶地區(qū)的大型深水水體，水溫具有明顯的分層現(xiàn)象。17 m處為溫躍層，湖水溫度和密度急劇變化。在以后進行的試驗中，研究人員可以控制稀釋后的深層海水保持在這個深度不變，這樣可以解決沉降問題，所以溫躍層的存在可以很好地指導(dǎo)以后的試驗。

2 溫度場仿真

2.1 Fluent計算模型

在計算過程中，水做不可壓縮處理。在上升流過程中，湖水的溫度和速度都隨時間變化，所以為非定常流動，湖水的雷諾數(shù)為：

式中:V—涌升管內(nèi)水的運動速度，最小速度設(shè)為0.1 m/s；D—涌升管管徑，0.4 m；μ—運動粘度，湖水的運動粘度可取為10.09·10-6。

經(jīng)計算得雷諾數(shù)為3 964，大于2 320，因此本研究采用湍流模型【14-15】。

2.2 計算幾何模型和邊界條件設(shè)置

計算模型中湖水所在豎直截面區(qū)域?qū)挾葹?0 m，深度為30 m；涌升管長度為28 m，直徑0.4 m，涌升管口離水面的距離為1 m；本研究在離水面9 m處設(shè)置氣體產(chǎn)生裝置，氣體發(fā)生裝置長和寬分別為0.1 m，其中氣體發(fā)生裝置的上邊界是氣體的速度入口，其余邊界為wall；網(wǎng)格個數(shù)：125 608。在計算模擬過程中，會用到千島湖湖試測得的溫度和密度隨深度變化的背景數(shù)值如圖5所示。氣體入口處的溫度約為22℃，涌升管底部水的速度入口，湖水速度入口處的溫度約為16℃，湖水水面為出口，出口類型為壓力出口。涌升管管壁，氣體發(fā)生裝置的外壁和整個流體區(qū)域的外壁的邊界類型設(shè)為wall。由于涉及氣液兩相流，且氣泡在水中的運動過程是一個動態(tài)的過程，在計算時筆者選取非穩(wěn)態(tài)的計算方法，在求解過程中采用VOF模型和PISO壓力-速度耦合格式，并保持所有變量的亞松弛因子設(shè)置為默認(rèn)［16-19］。

2.3 溫度場數(shù)值仿真結(jié)果

本研究運用Fluent對長為28 m，直徑為0.4 m的涌升管內(nèi)流體溫度場進行仿真，氣體輸入速度如圖4所示。仿真過程中，在離管口處設(shè)置溫度監(jiān)測點，監(jiān)測點位置的溫度仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 仿真過程中氣體速度和溫度隨時間的變化

從圖6中可以看出，試驗溫度和仿真溫度的趨勢基本上吻合，溫度開始下降的時間和下降的斜率吻合的很好，在溫度回升階段，仿真溫度回升后的最大溫度為20℃左右，試驗溫度為22℃左右。由于溫度仿真模型中沒有考慮大氣輻射等因素，而且湖水內(nèi)部實際是有流動的，試驗區(qū)域是一個很大的開放區(qū)域等，溫度場仿真的結(jié)果會和實際測量的溫度數(shù)據(jù)有偏差，在以后的仿真中需繼續(xù)對模型進行修正，使仿真結(jié)果更加接近實驗數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語

研究結(jié)果表明，氣力人工上升流可明顯提升湖水，上升流過程中上層湖水的最低溫度要低于涌升管底部的底層溫度，說明上升流可將涌升管底端以下的湖水提升至上層，實現(xiàn)底部低溫湖水和上部高溫湖水的冷、熱交換，同時也可將水底豐富的營養(yǎng)鹽帶到表層，供浮游生物食用，從而提高湖水的初級生產(chǎn)力。溫度場仿真計算模型考慮千島湖真實的密度和溫度梯度，與實驗基本吻合，能夠很好地預(yù)測上升流對湖水溫度的影響。考慮海水中洋流等因素，從而可以用該模型預(yù)測氣力人工上升流對海水溫度場的影響。研究人員可以在以后的計算中改變涌升管管徑和長度等，從而指導(dǎo)涌升管的設(shè)計和注氣量的控制等，以期找到最佳的涌升管設(shè)計方案和最佳的注氣量，更好地指導(dǎo)注氣式人工上升流系統(tǒng)的設(shè)計。

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