跑道式蝦池管式射流驅(qū)動裝置研究

陳 飛，潘 昀，桂福坤

（浙江海洋大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，國家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心，浙江舟山 316022）

跑道式蝦池管式射流驅(qū)動裝置研究

陳 飛，潘 昀，桂福坤

（浙江海洋大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，國家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心，浙江舟山 316022）

目前跑道式蝦池水循環(huán)驅(qū)動裝置傳統(tǒng)且單一，僅使用水泵驅(qū)動的水流流速過快且不易調(diào)節(jié)，遠(yuǎn)不能滿足新型養(yǎng)殖發(fā)展的需求。為優(yōu)化跑道式蝦池驅(qū)動裝置，研發(fā)了一種新型射流驅(qū)動裝置。采用模型試驗的方法研究新型裝置的水動力特性，使用水泵、擋水板、四層PVC射流管建立射流驅(qū)動裝置模型，射流管沿水循環(huán)方向單方向開孔，通過開孔出水管道形成斷面均勻分布水流。根據(jù)不同組次試驗探討新型驅(qū)動裝置不同孔數(shù)與孔徑對跑道式蝦池斷面的流速大小和分布影響，尋找新裝置孔徑和孔數(shù)與流速之間的變化規(guī)律。試驗結(jié)果表明，該新式射流驅(qū)動裝置能夠調(diào)節(jié)跑道式蝦池的斷面流速大小，并且流速分布均勻，平均流速介于0.037 m/s和0.056 m/s之間，流速與開孔的孔數(shù)無關(guān)，僅與孔徑呈反比。

跑道式蝦池；射流裝置；斷面流速；開孔

近年來，我國陸基海水對蝦養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。國內(nèi)養(yǎng)蝦池的型式也發(fā)展迅速，且樣式各異，一般可分為長矩形、圓形、長圓形、跑道式等。普遍認(rèn)為，采用跑道式的養(yǎng)蝦池養(yǎng)殖效果較好，其優(yōu)點是可使養(yǎng)殖池內(nèi)水體單方向循環(huán)流動，一方面可使池內(nèi)水質(zhì)達(dá)到均勻分布，另一方面也可將蝦糞便和殘餌及時排出池外，保持池內(nèi)水質(zhì)良好[1]。而且特定方向的水流也符合對蝦的生理及行為特性，有利于對蝦的生長。雖然近幾年在封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖及污水處理技術(shù)方面開展了一系列研究，并取得顯著效果[2-6]。趙樂等[7]研究了方形圓切角對蝦養(yǎng)殖池管式射流集污水力學(xué)特性，結(jié)果表明，進(jìn)水口方向的改變會影響?zhàn)B殖池內(nèi)的流場特性。但是，針對跑道式蝦池的驅(qū)動方式改良以及蝦池內(nèi)斷面的流速分析等迄今報道很少。國內(nèi)絕大數(shù)對蝦養(yǎng)殖場中的循環(huán)裝置依然采用舊式單純的水泵驅(qū)動[8]，舊式的驅(qū)動方式即在池子四角以及池壁等距離布置PVC進(jìn)水豎管，將水泵抽入的水通過PVC進(jìn)水豎管噴出，通過設(shè)置噴嘴水流方向，使蝦池內(nèi)水進(jìn)行循環(huán)。該種方式雖然能簡單的滿足水循環(huán)條件，但水泵的利用率較低，不同位置的進(jìn)水豎管的噴嘴角度選擇困難，并且各個PVC進(jìn)水豎管會在噴嘴處形成輻散式水流，各個方向的水流極大地影響了蝦池內(nèi)整體的水體循環(huán)速度，降低了水泵功率。因此需要考慮驅(qū)動裝置對水流速度的影響以及對跑道式蝦池整體運行模式的影響。趙樂等[9]利用實驗研究了管式射流裝置對蝦池內(nèi)集污效果的影響，結(jié)果表明，管式射流對污物聚集有正向促進(jìn)作用。因此本文設(shè)計了一款新型的管式射流驅(qū)動裝置，新研發(fā)裝置旨在改善水泵利用率低，流速過快不易調(diào)節(jié)的缺點。同時通過模型試驗系統(tǒng)的研究了新研發(fā)驅(qū)動裝置對跑道式蝦池流速的影響，和驅(qū)動裝置的排水孔的孔徑以及孔數(shù)對跑道式蝦池流速的整體影響。

1 材料與方法

1.1 跑道式蝦池管道射流驅(qū)動裝置構(gòu)成與設(shè)計

本次試驗采用的跑道式蝦池試驗水槽由浙江海洋大學(xué)國家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程與技術(shù)重點試驗室提供，根據(jù)東極島養(yǎng)蝦基地跑道式水泥池1:4建造。該模型蝦池池長4 m，寬1 m，深0.8 m，中間以厚0.01 m的隔板隔開，兩端各有半徑0.5 m的半圓結(jié)構(gòu)模型形似跑道如圖1所示。新型管式射流驅(qū)動系統(tǒng)由PVC管和中心立柱以及水泵組成（圖2）。PVC管道直徑3～3.2 cm，接口以PVC管膠密封，上下共四層，噴流孔平均分布在PVC管上，呈水平分布，使水流沿同一方向噴出，兩孔水平間距6.2 cm，噴流孔出口圓滑。中心立柱由不銹鋼板制成，前端封閉，后端開口使水泵只能從出口背部抽水，以減少水泵與噴流管互相作用對試驗的影響。試驗時采用的水為工廠化養(yǎng)殖南美白對蝦的半海水，水深0.5 m。蝦池模型內(nèi)流速主要使用ADV流速儀進(jìn)行測量。

圖1 跑道式蝦池模型圖Fig.1 Model of raceway pond

圖2 管式射流驅(qū)動裝置Fig.2 Tube jet driving device

圖3 橫斷面測點布置圖Fig.3 Layout of cross section

1.2 試驗設(shè)計

根據(jù)對蝦工廠化海水養(yǎng)殖的特點，選取常規(guī)養(yǎng)殖1 Q/h的水循環(huán)量。跑道式蝦池試驗水槽水深0.5 m，水槽容量為2.39 m3，水的循環(huán)量為1 Q/h時，所需的總循環(huán)量為2.39 m3/h。因此選擇兩臺功率為1.25 m3/h的水泵，共計2.5 m3/h，水的循環(huán)量為1.04 Q/h。在水泵功率不變的情況下，主要探究新裝置對跑道式蝦池流場的影響，以及新裝置的孔徑和孔數(shù)對跑道式蝦池流速的影響。經(jīng)過初步的試驗猜想，認(rèn)為當(dāng)射流孔孔徑越小時，射流孔射出來的水流流速越大。蝦池平均流速隨著孔數(shù)以及孔徑的變化而變化，因此本試驗利用控制變量法對其一種變量進(jìn)行對比分析，分別對孔數(shù)以及孔徑進(jìn)行分組實驗。在初步試驗中發(fā)現(xiàn)，試驗材料pvc管接口不崩開條件下孔徑最小可設(shè)置為3 mm，擬選取3 mm、4 mm、5 mm、6 mm、7 mm、8 mm作為實驗條件進(jìn)行試驗分組。射流孔數(shù)選取常規(guī)養(yǎng)殖池中的每層最少5孔，以及6、7、8、9孔（四層共計20、24、28、32、36孔）的試驗分組。用ADV流速儀測量蝦池內(nèi)斷面20 s的平均流速。試驗共分3組進(jìn)行：（1）射流孔孔數(shù)對蝦池流場的影響研究；（2）射流孔孔徑對蝦池流場的影響研究；（3）對照組，六孔驅(qū)動裝置對蝦池流場的影響研究。實驗分組見表1。

表1 試驗分組Tab.1 Test grouping

1.3 測定方法與數(shù)據(jù)處理

跑道式蝦池是循環(huán)水養(yǎng)殖池，蝦池橫斷面的平均流速能直接反映池內(nèi)的循環(huán)流速。為研究跑道式養(yǎng)殖池驅(qū)動裝置與蝦池平均流速的關(guān)系，在距離放置驅(qū)動裝置的另一面中間斷面上，采用ADV流速儀對斷面水流流速進(jìn)行測量，該斷面點的位置及分布如圖3所示。布點位置分別離池底5 cm、15 cm、25 cm、35 cm、45 cm，每層5個點，等距分布。

測試時蝦池水深0.5 m，等水流穩(wěn)定30 min后，利用流速儀對布點位置逐個測量，每個點測量20 s連續(xù)數(shù)據(jù)，每個點位濾波處理后取其平均值。最終將斷面流速插值處理成斷面流場分布圖，如圖4、圖5、圖6所示。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 射流孔數(shù)對蝦池流速的影響

在相同孔徑的驅(qū)動裝置下，對四層噴流孔進(jìn)行不同數(shù)量的封孔處理，以驗證新裝置不同孔數(shù)對跑道式蝦池流速的影響。測量蝦池斷面的平均流速如圖4所示，流速值為20 s時間內(nèi)的平均流速。由于各個試驗分組結(jié)果大致相同，因此選取H1的試驗結(jié)果作為詳細(xì)描述。H1圖中顯示了蝦池的水流流速與蝦池垂向深度之間的變化關(guān)系，其中靠近中間隔板的流速小，從隔板到蝦池外墻壁流速逐漸增大，最低流速區(qū)域的流速小于0.02 m/s；在靠近外墻壁的水流高達(dá)0.09 m/s，隨著深度的增加，流速有逐漸減小的趨勢，在蝦池最上端靠近外墻壁的流速最大。H2，H3，H4，H5試驗所得數(shù)據(jù)與H1所得數(shù)據(jù)大致相同，都是靠近隔板位置流速偏小，越靠近外墻壁流速以及上部流速越大，整體流速分布均勻，符合跑道式蝦池水力學(xué)特性。從孔數(shù)試驗（圖4）得出，隨著孔數(shù)的增加（20孔，24孔，28孔，32孔，36孔），驅(qū)動裝置斷面平均流速都在0.05～0.06 m/s之間，平均流速并沒有隨孔數(shù)的增加而有明顯變化趨勢。H1（20孔）和H5（36孔）得出的平均流速0.051 6 m/s和0.052 1 m/s相差僅有9.89%。

圖4 不同孔數(shù)蝦池斷面流場分布圖Fig.4 Distribution of different number of holes flow ponds

2.2 射流孔孔徑對蝦池流速的影響

在驅(qū)動裝置孔數(shù)都為28孔時，孔徑從3 mm增加到8 mm，隨著孔徑的增大，流速從0.051 6 m/s降至0.030 7 m/s，蝦池平均流速呈線性減小?？讖降拇笮∽兓?，整體流速分布均勻，與孔數(shù)變化所得斷面流場分布大致相同。隨著孔徑的增大，低流速區(qū)域（藍(lán)色區(qū)域）逐漸增多，高流速區(qū)域逐漸較少（紅色區(qū)域），說明蝦池里的流速整體下降。這中變化與孔徑增大，單個射流孔接觸水面積增大，導(dǎo)致水體能耗相對增大有關(guān)。

2.3 六孔試驗對照組

為了對照新裝置的孔數(shù)與孔徑變化對蝦池流速的影響，特進(jìn)行了一項對照試驗。即六孔對照試驗，該實驗是極端的最大孔徑，減少孔數(shù)的對照試驗。觀測蝦池內(nèi)的流速變化，結(jié)果如圖6所示的蝦池流速分布與水池深度之間的變化關(guān)系。蝦池水流從外圍墻壁至中央隔板（圖右到圖左，下同）流速逐漸減小，靠近中間隔板的部分位置流速為負(fù)，該結(jié)果符合跑道式蝦池外圍流速大于內(nèi)圍流速的水力學(xué)特性，且池水上層流速略大于下層流速。斷面的最大流速為0.035 7 m/s,平均流速為0.016 7 m/s，流速相對較小。這可能與裝置射流孔徑增大，射出水流輻散增大能耗增多，靠近中間隔板位置有回流有關(guān)。

2.4 射流孔出口總面積與蝦池流速的關(guān)系

當(dāng)改變孔數(shù)或者孔徑時，改變最直觀的就是射流孔出口的總面積。當(dāng)孔徑不變時，改變射流孔的孔數(shù)，最大孔數(shù)36與最小孔數(shù)20相差1.8倍。相對于改變孔徑2 mm到8 mm相差16倍變化相對較小，從而對蝦池流速的影響也相對較小。隨著射流孔出口總面積的增大，蝦池斷面平均流速呈線性減小，如圖7所示。

圖5 不同孔數(shù)斷面平均流速變化圖Fig.5 Variation of average velocity of cross section

圖6 不同孔徑蝦池斷面流場分布圖Fig.6 Flow distribution of different aperture ponds

圖7 不同出口總面積與平均流速變化圖Fig.7 The total area and the average velocity of different exports

3 討論

一般認(rèn)為，蝦池的平均流速僅與水泵的功率有關(guān)。根據(jù)能量守恒定律，在水泵功率一定的條件下，水的流動不會以驅(qū)動裝置的改變而改變。然而，在本試驗中，通過改變驅(qū)動裝置的射流孔徑與孔數(shù)發(fā)現(xiàn)：

在相同的孔徑下（4 mm），增加孔數(shù)（孔數(shù)范圍20～36）對蝦池斷面的平均流速變化影響較小。改變孔數(shù)時射流孔出口的總面積也變化較小。由于水泵功率不變，噴流孔數(shù)減少，相應(yīng)單孔的出水速度增加，當(dāng)噴流孔數(shù)量增加時相應(yīng)單孔的出水速度減小，所以射流孔數(shù)的變化對跑道式蝦池的斷面平均流速變化影響較小。

在相同的孔數(shù)下（28），增加孔徑（孔徑范圍3～8 mm）對蝦池斷面的平均流速線性減小。孔數(shù)一定（28孔）時，隨著孔徑的減小，射出水的動能不變，回流減小，驅(qū)動蝦池內(nèi)的水的有效動能增加。出水口的水流接觸池水的總面積隨著孔徑的減小而減小，射流孔對射出水的動能耗損遠(yuǎn)小于池水對射出水的動能損耗。因此，在一定范圍內(nèi)隨著孔徑的減小，蝦池整體流速增大。

4 結(jié)論

通過試驗研究該管式射流裝置，探尋射流孔數(shù)以及孔徑對斷面流速大小和分布的影響，得出以下結(jié)論：（1）該管式射流驅(qū)動裝置能夠調(diào)節(jié)跑道式蝦池的斷面流速大小，并且流速分布均勻。（2）新研發(fā)裝置形成的平均流速介于0.037 m/s和0.056 m/s之間。（3）管式射流裝置的流速與其噴流孔的孔數(shù)無關(guān)，僅與孔徑呈反比。

將該裝置按照工廠養(yǎng)殖模式需要等比例放大。在工廠化養(yǎng)殖模式中使用該射流裝置時，可以適當(dāng)?shù)販p小射流孔的孔徑，增多射流孔數(shù)，以有效節(jié)約水泵耗電率。在相同的流速環(huán)境下，使用的水泵功率越小，流場越均勻。該射流裝置的設(shè)計改善了目前工廠化養(yǎng)殖水流過快且不易調(diào)節(jié)的缺點，使蝦池中的水流更均勻，以及較大程度提高蝦池平均流速。新研發(fā)裝置使養(yǎng)殖池擺脫了僅靠增大水泵功率來提高蝦池流速的困境，為工廠化養(yǎng)殖的驅(qū)動系統(tǒng)模式提供了新思路。

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The Study on the Jet Driving Device of Runway Shrimp Culture Pond

CHEN Fei,PAN Yun,GUI Fu-kun
(School of Marine Science and Technology of Zhejiang Ocean University,National Engineering Research Center for Mariculture,Zhoushan 316022,China)

At present,the driving devices for water circulation of raceway-type shrimp pond are traditional and only have few types.The widely used pump-type driving device usually produces fast water flow and cannot be adjusted easily,thus making it difficult to meet the requirements of modern aquaculture system.In this study,a jet-type driving device was newly developed to optimize the performance of driving device used in raceway-type shrimp pond.Laboratory experiments were carried out to study the hydrodynamics of the new type driving device.The model was made up of three parts:pump,water-retaining plate and four-layer jet pipes.Holes were made on the jet pile and directed along the direction of water circulation,and then uniform water flow was formed.Experimental data were analyzed to investigate the effect of hole diameter and number of holes on the velocity distribution along the section of shrimp pond and figure out the relationship between them.The results showed that the new driving device can produce uniform and adjustable water flow between 0.037 m/s and 0.056 m/s;the velocity is inversely proportional to the hole diameter only and has no relationwith the number of holes.

runway shrimp culture pond;jet driving device;section velocity;hole

S969

A

1008－830X(2017)03－0207－05

2017-03-17

浙江省自然科學(xué)基金重點項目（Z16E090006）；舟山市海洋專項（2015C41001）；國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃（201410340001）

陳飛（1992-），男，河南鄲城人，碩士研究生，研究方向：設(shè)施漁業(yè)工程裝備.E-mail:598477104@qq.com

桂福坤（1976-），男，江西鷹潭人，教授，研究方向：海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù).E-mail:gui2237@163.com