文丘里曝氣器布置對循環(huán)水體增氧效率的影響

文丘里曝氣器布置對循環(huán)水體增氧效率的影響*

程香菊1鄺韻琪1林雯昕1謝駿2許挺達(dá)1

(1.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院, 廣東 廣州 510640； 2.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院 珠江水產(chǎn)研究所, 廣東 廣州 510380)

摘要：為實(shí)現(xiàn)封閉循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中溶解氧的動態(tài)平衡，運(yùn)用“對沖流動”理念與文丘里曝氣器的自吸氣增氧原理，設(shè)定15種工況，探究文丘里曝氣器的對沖方式對水體增氧的影響.結(jié)果表明：氧體積傳質(zhì)系數(shù)與循環(huán)水體流量成正比；在同一流量條件下，氧體積傳質(zhì)系數(shù)與文丘里曝氣器淹沒深度成反比.結(jié)合增氧效果與對沖循環(huán)流場特性，建議在養(yǎng)殖初期與后期將文丘里曝氣器安裝為A—B層錯(cuò)層對沖，而在養(yǎng)殖中期調(diào)整為A—C層錯(cuò)層對沖.

關(guān)鍵詞：文丘里曝氣器；循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)；增氧；對沖流動

中圖分類號：S9；X1

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2015.03.018

溶解氧(DO)作為水中魚類生長不可或缺的元素，其含量的多少直接影響著水產(chǎn)養(yǎng)殖的好壞.淡水養(yǎng)殖中DO質(zhì)量濃度在4～12mg/L為宜[1].現(xiàn)階段國內(nèi)外水產(chǎn)養(yǎng)殖魚類產(chǎn)業(yè)逐步向有限空間內(nèi)養(yǎng)殖高密度魚類發(fā)展，使水中的DO濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠滿足魚類需求.因此，如何有效地提高有限空間內(nèi)的DO濃度，維持DO的動態(tài)平衡，已成為研究的熱點(diǎn).

封閉循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)因其節(jié)約土地和水、環(huán)保、高產(chǎn)以及產(chǎn)品安全可控等特點(diǎn)，成為當(dāng)前和未來推動水產(chǎn)養(yǎng)殖可持續(xù)發(fā)展主要養(yǎng)殖模式之一[2].美國德克薩斯州一公司提出在封閉循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中采用“對沖流動”的增氧方法[3]，即在養(yǎng)殖水池底部安裝曝氣棒，利用空壓機(jī)將空氣壓入水體；在水池兩側(cè)壁設(shè)置不等間距的小孔，在抽水水泵的帶動下，水從小孔流入，使池塘水體形成對沖流動形態(tài).該“對沖流動”特殊流場構(gòu)建的目的可以總結(jié)為兩點(diǎn)：①有效地促進(jìn)了殘餌和糞便的聚集和排出；②增加了水體紊動強(qiáng)度，使水體混合均勻，提高了增氧效率，使養(yǎng)殖產(chǎn)量大幅提高.該方法已廣泛應(yīng)用于美國Iowa、Minnesota等州的養(yǎng)殖工廠中.盡管該方法養(yǎng)殖效果較為明顯，但是，從循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)的裝置發(fā)現(xiàn)：一方面，池底曝氣棒充氧需要一個(gè)外接空壓機(jī)；另一方面，使水流循環(huán)又需要一個(gè)外接水泵.增氧空壓機(jī)的存在使養(yǎng)殖環(huán)境噪聲增大，魚類可能出現(xiàn)煩躁不安的運(yùn)動行為，會導(dǎo)致魚類聽力、生長受阻[4-5]；此外，還增加了能源的額外使用和消耗.在追求“低碳”的今天，同時(shí)也為了降低養(yǎng)殖成本和提高養(yǎng)殖水平，如果能找到一種較優(yōu)的循環(huán)水體養(yǎng)殖模式，既能形成“對沖流動”的特殊流場特性，促進(jìn)殘餌和糞便的聚集和排放，還能在此基礎(chǔ)上順帶增加溶解氧，節(jié)約能源，降低能耗，那將是循環(huán)養(yǎng)殖行業(yè)的一個(gè)重大創(chuàng)新.

文丘里管本身是測量管道中流量大小的一種裝置，Baylar、Emiroglu等[6-12]利用水流在文丘里管喉管部位形成的負(fù)壓對文丘里管進(jìn)行改進(jìn)，在喉管處開孔使其與外接空氣相連，在大氣壓作用下壓入空氣到水體中與水體形成水氣混合體，對其增氧效果進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)能有效地提高水體溶氧量；這種改進(jìn)后的文丘里管被稱其稱為文丘里曝氣器.從Ozkan和Baylar等[9-12]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，利用文丘里曝氣器增氧，吸氣量與入水量的比值范圍約為0.15～0.60，可見其吸氣量足夠，增氧潛力可觀.因此文中基于文丘里曝氣器的自動吸氧原理，結(jié)合“對沖流動”的循環(huán)裝置，探討了僅用一外接水泵就能充分增氧的方法；并針對文丘里曝氣器的布置深度、對沖射流方式等作一系列試驗(yàn)研究，探尋增氧效果較優(yōu)的文丘里曝氣器布置方式，可為推廣文丘里曝氣器在封閉循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的應(yīng)用提供理論依據(jù).

1基本理論1.1文丘里曝氣器吸氣原理

文丘里曝氣器工作結(jié)構(gòu)如圖1所示.其中，D1為入口端斷面直徑，D2為收縮段斷面直徑.收縮段有效地將壓強(qiáng)水頭轉(zhuǎn)變?yōu)榱魉偎^，突擴(kuò)段則將流速水頭轉(zhuǎn)變?yōu)閴簭?qiáng)水頭.由于收縮喉部段管徑較小，使得流速增大，氣壓減小，擴(kuò)張尾部段管徑較大，流速與壓強(qiáng)逐漸恢復(fù)到與入口端一致，水頭損失較小[12].入口端與喉部間的伯努利方程為

(1)

式中：下標(biāo)1、2分別為圖1中相應(yīng)斷面；p為壓強(qiáng)；z為位置水頭；v為水體平均流速；hw為水流通過1—1和2—2斷面的水頭損失，由于兩斷面相距較近，可忽略不計(jì)；ρ為水的密度；g為重力加速度.

從式(1)可知，文丘里曝氣器吸入空氣的原理是：由于在喉管斷面的管徑突然減小，斷面平均流速v2增大，壓強(qiáng)p2突然減小，當(dāng)其小于大氣壓時(shí)，空氣從氣孔進(jìn)入并摻入水流，形成許多大大小小的氣泡.由于尾部管徑增大，含氣水體流速減小，恢復(fù)到原來入口端水壓，水氣混合體被射入水體.

圖1　文丘里曝氣器結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.1　Schematic diagram of Venturi aerator structure

1.2文丘里空氣射流增氧理論

根據(jù)氣液傳質(zhì)雙膜理論[13-14]，文丘里空氣射流增氧主要來自兩個(gè)途徑：一方面，從文丘里喉管處的氣孔吸入空氣進(jìn)到水里，形成許多大小不一的氣泡，氣泡在循環(huán)水流作用下遷移至水體一定水深處，在水體靜壓的作用下，氣泡內(nèi)的空氣在水氣界面不斷地與周圍水體進(jìn)行質(zhì)量傳輸，釋放空氣溶于水中，導(dǎo)致水體DO含量增加；文丘里射流器不同的布置水深、對沖射流方式都可能引起吸氣量、氣泡數(shù)量及大小、氣泡與水體的接觸時(shí)間等發(fā)生變化，從而影響氣泡—水界面的傳質(zhì)及增氧效率.另一方面，在對沖射流過程中水體紊動增強(qiáng)，水面附近的渦體以較大的能量向自由表面處隨機(jī)游動，造成自由表面的凸凹不平，甚至使自由表面破碎;水體表面與空氣充分接觸時(shí)，在氣相與液相之間的界面上、下存在空氣與水體兩層薄膜，無論水體紊動多么強(qiáng)烈，氣膜、液膜總是存在，在緊貼大氣的液膜表面總能得到充足的大氣量，空氣通過液膜表面總能源源不斷地進(jìn)入水體并成為溶解氧.

美國土木工程協(xié)會(ASCE)提出了DO質(zhì)量輸移模型(如式(2)所示)，將水—?dú)庾杂山缑鎮(zhèn)髻|(zhì)和氣泡—水界面?zhèn)髻|(zhì)統(tǒng)一考慮，采用氧體積傳質(zhì)系數(shù)衡量水體增氧效率.

(2)

(3)

式中，C0為DO初始質(zhì)量濃度.

氧體積傳質(zhì)系數(shù)一般隨溫度而變化，為了統(tǒng)一溫度以作比較，根據(jù)ASCE[15]，氧體積傳質(zhì)系數(shù)由試驗(yàn)溫度換算為標(biāo)準(zhǔn)溫度20°C的關(guān)系式為

(KLa)20=(KLa)θ×1.024(20-θ)

(4)

式中，(KLa)20為20℃下的氧體積傳質(zhì)系數(shù).

2試驗(yàn)裝置及測量

循環(huán)水增氧試驗(yàn)裝置如圖2所示，主要包括玻璃水池、文丘里曝氣器、渦輪流量計(jì)、空氣流量計(jì)、水泵、連接管道等.由有機(jī)玻璃板(厚度為15mm)拼裝成尺寸為2m×0.8m× 0.8m(長×寬×高)的試驗(yàn)玻璃水池(水池左右側(cè)壁為對稱裝置).采用廣州創(chuàng)環(huán)臭氧電器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的CH25100型文丘里曝氣器，進(jìn)水和出水口內(nèi)徑D1為9mm，喉部內(nèi)徑D2為3.5mm.在水池縱向側(cè)壁上鉆孔，使文丘里曝氣器對稱安置于孔口，分3層布置，每層各有8個(gè)文丘里曝氣器，共3×8×2=48個(gè)，且均安裝有閥門以控制其開閉.文丘里射流器距池表面從上往下依次為20、40、60cm，并稱為A層、B層和C層，文丘里射流器自遠(yuǎn)離水泵一側(cè)至靠近水泵一側(cè)依次稱為1-8列，縱向間距為22cm.水循環(huán)系統(tǒng)由水泵、回水裝置、渦輪流量計(jì)、文丘里射流器、連接管道組成.

圖2　試驗(yàn)裝置照片 Fig.2　Picture of experimental device

1—水泵； 2—文丘里曝氣器； 3—粗調(diào)閥門； 4—微調(diào)閥門； 5—文丘里曝氣器開關(guān)； 6—輸水管； 7—抽水管；8—回水管； 9—渦輪流量計(jì)； 10—空氣流量計(jì)

表1本試驗(yàn)各工況示意圖
Table1Schematicdiagramsofallconditionsinthetest

對沖類型工況層數(shù)俯視圖側(cè)視圖對稱碰撞對沖1A—A2B—B3C—C錯(cuò)層對沖4A—C5A—B6B—C

續(xù)表1

試驗(yàn)采用自來水，水深70cm.由于循環(huán)水增氧試驗(yàn)裝置基本不改變原有水體中物質(zhì)成分與含量，且起到使水體混合均勻的效果，所以根據(jù)ASCE標(biāo)準(zhǔn)[15]對水體DO含量進(jìn)行測量.水循環(huán)系統(tǒng)開始運(yùn)轉(zhuǎn)之前，在水體中加入相應(yīng)量的Na2SO3溶液和催化劑CoCl2，充分?jǐn)嚢?，使水體初始DO質(zhì)量濃度接近為0.打開水泵閥門和文丘里曝氣器閥門，調(diào)節(jié)入水流量，使水體通過文丘里曝氣器，吸氣混摻后射入水體中增氧曝氣，直到DO質(zhì)量濃度趨于穩(wěn)定為止.DO質(zhì)量濃度、水溫、壓強(qiáng)的測量采用兩臺YSIProODO光學(xué)溶解氧測量儀，并與電腦連接，通過專業(yè)軟件，每隔5s讀取DO、壓強(qiáng)、水溫隨時(shí)間的變化值.兩臺溶氧儀等間距放置在水池中央.入水流量通過渦輪流量計(jì)讀??；吸氣量Qa通過連接在氣孔塑料軟管的空氣流量計(jì)讀取.為探討文丘里曝氣器的布置以及對沖方式對循環(huán)水體增氧效率的影響，本試驗(yàn)共設(shè)定了15種工況，如表1所示.為保證試驗(yàn)的對比性，每個(gè)工況的文丘里管工作數(shù)量均為16個(gè).其中，文丘里曝氣器錯(cuò)位對沖試驗(yàn)根據(jù)錯(cuò)位方向不同，可分為錯(cuò)層對沖與錯(cuò)列對沖.錯(cuò)列對沖試驗(yàn)則可分為四列錯(cuò)位對沖、兩列錯(cuò)位對沖以及單列錯(cuò)位對沖3種工況.每個(gè)工況調(diào)節(jié)5組不同的入水流量以擬合各工況下溶解氧質(zhì)量濃度隨流量的變化.

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)式(3)，應(yīng)用高斯-牛頓法的非線性回歸分析方法，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到不同工況下的氧體積傳質(zhì)系數(shù)(KLa)θ.采用式(4)對(KLa)θ進(jìn)行溫度修正，得到各工況標(biāo)準(zhǔn)溫度20°C時(shí)的(KLa)20.

3.1各層碰撞對沖試驗(yàn)結(jié)果

分別有A—A層、B—B層與C—C層3種工況，如表1中工況1-3所示.各工況下共有5組不同的入水流量，每組流量各對應(yīng)一條溶解氧濃度隨時(shí)間變化的曲線，文中僅展示A—A層碰撞對沖工況下不同流量溶解氧濃度隨時(shí)間的變化曲線，如圖3所示.利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算各組流量對應(yīng)的氧體積傳質(zhì)系數(shù)(KLa)20的值，擬合相關(guān)系數(shù)r2接近于 1，說明采用該方法擬合氧體積傳質(zhì)系數(shù)是合理可行的[16].比較碰撞對沖3種工況，由圖3、4可以看出，在同一深度條件下，無論是A層、B層還是C層，流量與氧體積傳質(zhì)系數(shù)均呈線性遞增關(guān)系，即流量越大，溶解氧質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化曲線斜率越大，達(dá)到溶解氧飽和值所需的時(shí)間越短.這主要是因?yàn)?，隨著循環(huán)水體流量增大，池內(nèi)水體紊動強(qiáng)度增大，使得水體自由表面旋滾強(qiáng)烈，與空氣的接觸面積增大，有利于水—自由表面的氧傳質(zhì)[17-18]；另一方面，由于文丘里曝氣器的特殊結(jié)構(gòu)，水體流量越大，吸氣量越大，進(jìn)入到水中的氣泡也越多，氣泡與水的接觸面積越大，越有利于氣泡—水界面的傳質(zhì).從圖4也可以看出，在同一流量條件下，氧體積傳質(zhì)系數(shù)與文丘里射流器淹沒深度呈線性遞減關(guān)系.當(dāng)入射流量恒定不變時(shí)，隨著淹沒深度的遞增，文丘里射流器喉管處受到的靜水壓強(qiáng)也增大[9]，導(dǎo)致其與大氣壓的壓差變小，吸氣量也減少，氧溶解于水中的效率也逐漸降低.

圖3　A—A層碰撞對沖DO質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化 Fig.3　Changes of DO concentrations with time under the condition of A—A layer opposing flow

圖4　各層碰撞對沖下氧體積傳質(zhì)系數(shù)隨流量的變化 Fig.4　Changes of volumetric mass transfer coefficient with flow rates under the condition of symmetrical flow

3.2錯(cuò)位對沖試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1錯(cuò)層對沖試驗(yàn)結(jié)果

錯(cuò)層對沖分別有A—B、A—C和B—C層3種工況，如表1工況4-6所示.試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示.由碰撞對沖試驗(yàn)得知，在流量相同的情況下，越靠近水面的層數(shù)吸氣量越大，即A、B、C層吸氣量依次遞減.當(dāng)流量較小時(shí)，A—B層因所處水深較淺，吸氣量較大，提高了氣泡中氧氣與水體相際傳質(zhì)的潛力；同時(shí)，A—B層更接近水體表面，表面凹凸不平現(xiàn)象更為明顯，與空氣接觸面積增大，有利于水—自由表面的氧傳質(zhì)；且射流錯(cuò)位噴射促進(jìn)了水體上下交換，使水中DO充分混合，提高了溶氧效率；A—C層吸氣量次之，且由于位置相隔較遠(yuǎn)，等同于A—C層各自單向噴射，水體紊動較弱，湍動擴(kuò)散不明顯，增氧效果不理想；B—C層因處于水箱底部，雖氣泡與水接觸時(shí)間最長，但文丘里射流管出口處受水壓較大，吸氣量最少，溶解氧體積傳質(zhì)效果也略差.當(dāng)流量較大時(shí)，水體紊動強(qiáng)度加劇，A—C層工況下氣泡對水體的攪拌作用愈加明顯，湍動擴(kuò)散效果逐漸提高，上下水體得到有效地混合，提高了空氣泡與水的傳質(zhì)速率；在A—B層工況下，雖然入氣量最多，但因漩渦較接近水面，氣泡溢出水面的量也多，在湍流漩渦的干擾下，氣泡連續(xù)不斷地加速上升[19-20]，與水體接觸時(shí)間減少，氧氣未得到充分溶解就已逸出水面，水體傳質(zhì)速率逐漸減緩，到一定流量值后與B—C層工況越趨接近；B—C層由于接近底部，氣泡從底部至水面有充分的時(shí)間與水體接觸并溶解，水體流量越大，含氣水體湍動擴(kuò)散、氣液攪拌混合作用越明顯，氧體積傳質(zhì)系數(shù)提高.

圖5　錯(cuò)層對沖下氧體積傳質(zhì)系數(shù)隨流量的變化 Fig.5　Changes of volumetric mass transfer coefficients with flow rates under the condition of stagger flow between layers

3.2.2錯(cuò)列對沖試驗(yàn)結(jié)果

錯(cuò)列對沖共有3種工況，分別為四列錯(cuò)位對沖、兩列錯(cuò)位對沖和單列錯(cuò)位對沖.如圖2所示，從遠(yuǎn)離水泵一側(cè)至靠近水泵一側(cè)依次將文丘里曝氣器分為1-8列，四列錯(cuò)位對沖為分別打開裝置兩側(cè)的1、2、3、4列文丘里射流器，兩列錯(cuò)位對沖為打開1、2、5、6列文丘里射流器，單列錯(cuò)位對沖為打開1、3、5、7列文丘里射流器，3種工況均打開四列兩層文丘里射流器，共16個(gè).此時(shí)，3種工況都分別做A—B層、B—C層、A—C層3組試驗(yàn)，圖6-8給出了3組試驗(yàn)結(jié)果.

圖6　四列錯(cuò)位對沖下氧體積傳質(zhì)系數(shù)隨流量的變化 Fig.6　Changes of volumetric mass transfer coefficients with flow rates under the condition of stagger flow in four columns

圖7　兩列錯(cuò)位對沖下氧體積傳質(zhì)系數(shù)隨流量的變化 Fig.7　Changes of volumetric mass transfer coefficients with flow rates under the condition of stagger flow in two columns

圖8　單列錯(cuò)位對沖下氧傳體積質(zhì)系數(shù)隨流量的變化 Fig.8　Changes of volumetric mass transfer coefficients with flow rates under the condition of stagger flow in one column

由圖6-8發(fā)現(xiàn)，錯(cuò)列對沖試驗(yàn)中3種工況的趨勢與錯(cuò)層對沖有相似的結(jié)果，即：當(dāng)小流量時(shí)，A—B層組合占優(yōu)，大流量時(shí)A—C層組合較好，這再次驗(yàn)證了3.2.1節(jié)中的原理分析.

對比四列錯(cuò)位對沖、兩列錯(cuò)位對沖與單列錯(cuò)位對沖的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)四列錯(cuò)位對沖工況較優(yōu)，溶解氧體積傳質(zhì)系數(shù)約為11h-1，兩列與單列錯(cuò)位對沖結(jié)果相近，約為9.8h-1，表明四列錯(cuò)位對沖工況更有利于水體攪拌，提高了氣泡—水界面?zhèn)髻|(zhì)效率.

四列錯(cuò)位對沖工況下，兩組文丘里曝氣器相互影響較低，水體紊動強(qiáng)度主要由射流流量大小所決定.單列錯(cuò)位對沖工況下，由于文丘里曝氣器的對向布置較四列工況時(shí)更密，異組文丘里曝氣器相互影響較高.此時(shí)水體紊動強(qiáng)度主要由氣液兩相間劇烈的剪切摩擦作用與射流流量所決定.與四列錯(cuò)位對沖工況相比，單列錯(cuò)位工況下水體湍動程度較強(qiáng)，雷諾數(shù)較高，形成的漩渦尺度較小，湍流中主要由小渦體占據(jù)，屬統(tǒng)計(jì)平衡區(qū)，獲得的單位能量大部分與能量耗散率相平衡[17-19]，水體單位凈能量較四列錯(cuò)位工況小，湍動擴(kuò)散效果與氣液攪拌混合均較弱，氣泡中的氧氣與水體傳質(zhì)效率不高.

四列錯(cuò)位對沖工況與錯(cuò)層對沖工況相比，盡管小流量時(shí)兩者增氧效果持平，但大流量時(shí)，后者的增氧趨勢更為明顯，溶解氧體積傳質(zhì)系數(shù)可達(dá)12h-1或以上，且錯(cuò)層對沖更有利于上下水體攪拌作用，避免因錯(cuò)列對沖所造成的水中溶解氧分層分布的現(xiàn)象.因此，錯(cuò)層對沖比錯(cuò)列對沖工況更優(yōu).

3.3較優(yōu)增氧模式分析

從上述分析可知，在一定流量范圍下，水體湍動程度越劇烈，含氣水體湍動擴(kuò)散越快，氣液間攪拌混合作用越明顯，越有助于氣泡中的氧氣溶于水中.但當(dāng)湍動強(qiáng)度達(dá)到某一臨界值時(shí)，氣泡逸出量也會增多，氧氣未得到充分溶解就已逸出水面，增氧效率降低.因此，文丘里曝氣器增氧效果存在一個(gè)最優(yōu)湍動強(qiáng)度值.該最優(yōu)湍動強(qiáng)度值主要受射流流量、文丘里曝氣器位置分布等因素影響.對比上述碰撞對沖和錯(cuò)位對沖的15種工況試驗(yàn)下，發(fā)現(xiàn)了較優(yōu)的3種工況，分別為A—A層碰撞對沖、A—C層錯(cuò)層對沖與A—B層錯(cuò)層對沖，結(jié)果對比如圖9所示.由圖9可知，A—B層錯(cuò)層對沖對增氧效果與A—A層碰撞對沖工況類似.在小流量情況下，適宜將文丘里管設(shè)置為A—B層錯(cuò)層對沖或A—A層碰撞對沖；在大流量情況下，適宜將文丘里管設(shè)置為A—C層錯(cuò)層對沖.

潘樹良、梁玉芬等[21-22]認(rèn)為，在魚苗養(yǎng)殖初期，殘餌和糞便產(chǎn)量較少，同時(shí)魚苗也需要適應(yīng)流水環(huán)境，因此水流應(yīng)控制為緩流水；在養(yǎng)殖中期，殘餌和糞便產(chǎn)量增加，為更好地促進(jìn)殘餌和糞便的聚集和排放，防止水質(zhì)惡化，循環(huán)水體流場需強(qiáng)化，循環(huán)水流量需加大；而到了養(yǎng)殖后期，為減少魚類體力消耗，水體流速應(yīng)放緩，即流量應(yīng)相應(yīng)減小.考慮到碰撞對沖工況可能會使魚類身體受損，因此文中建議，在養(yǎng)殖初期與后期，即循環(huán)水體需控制為緩流水時(shí)，將文丘里曝氣器安裝為A—B層錯(cuò)層對沖，而在養(yǎng)殖中期，即流量需增大時(shí)，調(diào)整為A—C層錯(cuò)層對沖.

圖9　試驗(yàn)中最優(yōu)組合氧體積傳質(zhì)系數(shù)隨流量的變化 Fig.9　Change of volumetric mass transfer coefficient with the flow rates in optimal conditions

4結(jié)論

文中基于在封閉循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的“對沖流動”理念，依據(jù)文丘里曝氣器的自吸氣原理，對文丘里曝氣器不同的布置深度、對沖射流方式等對增氧的影響進(jìn)行了一系列的室內(nèi)模擬試驗(yàn)，分析得到如下結(jié)論：

(1)在文丘里曝氣器對沖增氧系統(tǒng)中，氧體積傳質(zhì)系數(shù)與循環(huán)水體流量成正比；在同一流量條件下，氧體積傳質(zhì)系數(shù)與文丘里射流器淹沒深度呈線性遞減關(guān)系.

(2)在錯(cuò)層對沖噴射試驗(yàn)中，當(dāng)噴射流量較小時(shí)，A—B層較A—C層、B—C層增氧效果占優(yōu)；隨著噴射流量的增加，A—C層上下水體得到有效地混合，氣泡與水的傳質(zhì)速率增加，增氧效果占優(yōu).

(3)在錯(cuò)列對沖試驗(yàn)中，當(dāng)小流量時(shí)，A—B層組合占優(yōu)，大流量時(shí)A—C層組合較好；而四列錯(cuò)位對沖與兩列錯(cuò)位對沖和單列錯(cuò)位對沖相比增氧效果較優(yōu).

(4)對比碰撞對沖和錯(cuò)位對沖的15種工況試驗(yàn)結(jié)果，提煉出增氧效果較優(yōu)的3種工況，分別為A—A層碰撞對沖、A—C層錯(cuò)層對沖與A—B層錯(cuò)層對沖.結(jié)合增氧效果與殘餌和糞便的聚集效果，建議在養(yǎng)殖初期與后期，將文丘里曝氣器安裝為A—B層錯(cuò)層對沖，而在養(yǎng)殖中期，調(diào)整為A—C層錯(cuò)層對沖.

文丘里曝氣器的自吸氣原理使本試驗(yàn)既達(dá)到了水體“對沖流動”狀態(tài)，促進(jìn)了殘餌和糞便的聚集，又有效地增加了水體的DO含量.但是，在氣液兩相流對沖流動過程中，一方面，殘餌和糞便的有效聚集與水體循環(huán)流場密切相關(guān)，另一方面，水體的增氧受水流結(jié)構(gòu)、氣泡大小、數(shù)量等因素的影響，如何從機(jī)理上更深入地分析射流器的布置對殘餌聚集和有效增氧的影響，則需要對文丘里曝氣器不同的布置所產(chǎn)生的流場進(jìn)行詳細(xì)的測量和分析，這是筆者下一步研究的重點(diǎn).

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EffectsofArrangementofVenturiAeratorsonAerationinRe-CirculatingWater

Cheng Xiang-ju1KuangYun-qi1LinWen-xin1XieJun2XuTing-da1

(1.SchoolofCivilEngineeringandTransportation,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,Guangdong,China;

2.PearlRiverFisheriesResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Guangzhou510380,Guangdong,China)

Abstract:In order to achieve dynamic balance in a re-circulating aquaculture system (RAS), the idea of“opposing flow”and the principle of Venturi air entrainment were adopted, and 15 experimental conditions were determined to investigate the effect of opposing flow on the aeration in water with different Venturi settings. The results show that the volumetric mass transfer coefficient of oxygen is proportional to water flow rate, but is inversely proportional to Venturi setting depth at the same flow rate. By comprehensively considering the aeration effect and the re-circulating opposing flow characteristics, it is suggested that Venturi aerator should be set as A—B stagger layer at the beginning and the end of cultivation, while it should be switched to A—C stagger layer in the mid-term cultivation.

Keywords:Venturiaerator;re-circulatingaquaculturesystem;aeration;opposingflow