圓弧角優(yōu)化對(duì)單通道方形養(yǎng)殖池流場(chǎng)特性的影響研究

桂勁松，張倩、2，任效忠，劉鷹，馬真，史憲瑩，許條建，薛博茹、2

(1.大連海洋大學(xué) 海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023；2.設(shè)施漁業(yè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023；3.大連海洋大學(xué) 海洋科技與環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116023；4.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中養(yǎng)殖池的合理設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)魚(yú)類最佳養(yǎng)殖條件、水循環(huán)再利用及減少環(huán)境污染的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-3]，方形養(yǎng)殖池和圓形養(yǎng)殖池是循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中常用的兩種養(yǎng)殖池幾何結(jié)構(gòu)型式。方形養(yǎng)殖池主要優(yōu)點(diǎn)是空間利用率大、操作方便，但由于直角對(duì)養(yǎng)殖池內(nèi)流速、水力混合均有不利影響，導(dǎo)致產(chǎn)生較大面積低流速區(qū)及死區(qū)容積，不利于積聚在池底的殘餌糞便等固體廢棄物的排污。而殘留在池底的固體廢棄物增加了生化需氧量，使溶解氧產(chǎn)生較大梯度，進(jìn)而導(dǎo)致魚(yú)類分布和魚(yú)類質(zhì)量的差異[4]。圓形養(yǎng)殖池的自清潔特性是基于一種被稱為“茶杯效應(yīng)”的現(xiàn)象，旋轉(zhuǎn)的水體沿容器底部產(chǎn)生二次徑向流，將沉淀的顆粒引至底部中心，若排水口位于池底中心，則固體廢棄物可以快速地從養(yǎng)殖池底部中心排水口排出[5]。

養(yǎng)殖池作為循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)魚(yú)類的健康高效生長(zhǎng)發(fā)揮著重要作用，目前，試驗(yàn)方法與數(shù)值模擬方法已被廣泛應(yīng)用于研究養(yǎng)殖池系統(tǒng)的水動(dòng)力及相關(guān)特性，從養(yǎng)殖池幾何形狀優(yōu)化和進(jìn)出水裝置改進(jìn)等多方面開(kāi)展研究[6]以改善養(yǎng)殖池系統(tǒng)的水動(dòng)力特性和集排污性能。已有學(xué)者采用試驗(yàn)方法進(jìn)行養(yǎng)殖池的垂直擋板設(shè)置以改善流場(chǎng)及排污效果，垂直于水流安置的擋板可增加底部流速，并減少固體廢棄物的堆積，但設(shè)置的垂直擋板對(duì)高密度養(yǎng)殖魚(yú)類形成了干擾[7-10]。Watten等[11]對(duì)進(jìn)水裝置進(jìn)行了改進(jìn)試驗(yàn)，在垂向進(jìn)水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，沿養(yǎng)殖池底部單側(cè)增設(shè)了進(jìn)水管并沿著養(yǎng)殖池底部射流，改善了養(yǎng)殖池的自清潔性能，但增加了進(jìn)水系統(tǒng)的復(fù)雜性和管理操作的難度。

隨著數(shù)值模擬技術(shù)的不斷發(fā)展和相關(guān)理論的完善，數(shù)值模擬的作用日益凸顯[12]，計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)(CFD)也逐漸被應(yīng)用于流場(chǎng)特征、集排污、生物濾器等研究[13-15]。與試驗(yàn)方法相比，數(shù)值模擬方法能獲取更豐富的養(yǎng)殖池系統(tǒng)流場(chǎng)信息，易于改變養(yǎng)殖池模型結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化[16-17]。Liu等[18]對(duì)循環(huán)水八角形養(yǎng)殖池進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并指出CFD數(shù)值結(jié)果對(duì)揭示循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)部流體動(dòng)力學(xué)特征及其參數(shù)的優(yōu)化具有重要意義；魏武[19]對(duì)圓形養(yǎng)殖池內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，指出可借助CFD技術(shù)為圓形養(yǎng)殖池的優(yōu)化和運(yùn)行管理提供依據(jù)。為了將圓形養(yǎng)殖池的水動(dòng)力優(yōu)勢(shì)與方形養(yǎng)殖池的空間利用率高、操作方便的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合。本研究中，采用圓弧角代替直角的方式優(yōu)化方形養(yǎng)殖池以改善養(yǎng)殖池的水動(dòng)力及相關(guān)特性，并基于CFD技術(shù)建立三維湍流數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)不同圓弧角尺度的單通道方形養(yǎng)殖池流場(chǎng)特性進(jìn)行研究，并基于養(yǎng)殖池流場(chǎng)特性對(duì)養(yǎng)殖池類型進(jìn)行定義，依據(jù)不同圓弧角尺度對(duì)養(yǎng)殖池流場(chǎng)特性的影響將養(yǎng)殖池劃分為方形養(yǎng)殖池、近方形養(yǎng)殖池、方形圓弧角養(yǎng)殖池、近圓形養(yǎng)殖池和圓形養(yǎng)殖池，旨在為方形圓弧角養(yǎng)殖池的建設(shè)提供理論和設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 數(shù)值模型

1.1 控制方程

湍流是普遍存在的流體運(yùn)動(dòng)，養(yǎng)殖池水動(dòng)力研究中邊界層效應(yīng)不可忽略，建立湍流模型是養(yǎng)殖池水動(dòng)力特性研究的重要基礎(chǔ)。RNG k-ε模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是養(yǎng)殖池水動(dòng)力研究中常用的兩種湍流模型。RNG k-ε模型是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的改進(jìn)，它考慮了平均流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)和旋流流動(dòng)情況，并在ε方程中反映了主流的時(shí)均應(yīng)變率。與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型相比，RNG k-ε模型可以更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動(dòng)[20]。因此，本研究中湍流模型選用RNG k-ε模型，固體壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，壓力速度耦合方式采用SIMPLE的方法，湍流動(dòng)能采用一階迎風(fēng)離散模式。

1.2 水動(dòng)力學(xué)分析特征量

Tvinnreim[21]針對(duì)帶有中央出口的養(yǎng)殖池開(kāi)展研究，指出通過(guò)改變?nèi)肟诘臎_力Fi(N)，可以優(yōu)化池內(nèi)的速度和流場(chǎng)分布。Fi計(jì)算公式為

Fi=ρQ(vin-vavg)。

(1)

其中：ρ為水的密度(kg/m3)；Q為進(jìn)水流量(m3/s)；vin為進(jìn)水速度(m/s)；vavg為養(yǎng)殖池內(nèi)平均速度(m/s)。

Oca等[22]針對(duì)具有多個(gè)渦流的矩形養(yǎng)殖池開(kāi)展研究，養(yǎng)殖系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下，養(yǎng)殖池阻力Ft消耗的功率Pt等于入口沖力Fi提供的功率Pi。因此，Oca等[22]定義了養(yǎng)殖池內(nèi)阻力系數(shù)Ct，其計(jì)算公式為

(2)

其中：A為濕周(m2)，養(yǎng)殖池壁面與水接觸的面積。

Masaló等[23]定義了用均勻系數(shù)(DU50)分析養(yǎng)殖池水流速度均勻性，即50%的較低水流速度的平均值v50(m/s)和平均速度v0(m/s)的比值，即

DU50=v50/v0×100。

(3)

其中：平均速度v0(m/s)通過(guò)半徑加權(quán)來(lái)獲得，即

v0=∑viri/∑ri。

(4)

式中：vi為徑向位置為ri(m)時(shí)的速度(m/s)。

2 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值模型建立的正確性和模擬結(jié)果的精度，本研究中與Davidson等[24]的Cornell-type雙通道養(yǎng)殖池結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，并依據(jù)Davidson等[24]的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)進(jìn)行建模與網(wǎng)格劃分。

驗(yàn)證模型設(shè)計(jì)參數(shù)：圓形養(yǎng)殖池直徑為3.66 m，水深為0.91 m，底部出流口直徑為0.05 m,溢流口直徑為0.15 m，進(jìn)水口直徑為0.042 m。如圖1所示，邊壁設(shè)6個(gè)進(jìn)水口，從上到下前4個(gè)進(jìn)水口設(shè)向左45°彎頭，第5個(gè)進(jìn)水口設(shè)向下45°彎頭，第6個(gè)(最下側(cè))進(jìn)水口不設(shè)置彎頭。

模型以四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，對(duì)進(jìn)水口、底流口、溢流口位置進(jìn)行了加密處理，網(wǎng)格混合單元總數(shù)約為147萬(wàn)個(gè)。Cornell-type雙通道養(yǎng)殖池模型和網(wǎng)格劃分示意圖如圖1所示。

數(shù)值模擬計(jì)算基于計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)中Fluent模塊，邊界條件設(shè)置如下。

入口邊界：速度入口，入口速度設(shè)為1 m/s，湍流強(qiáng)度設(shè)為4.25%，水力直徑為0.042 m。

出口邊界：自由出流。

固體壁面邊界：養(yǎng)殖池池底和池壁均為固體壁面。

自由邊界條件：水表面按自由面處理，壓力值為大氣壓。

參照Davidson等[24]設(shè)置一個(gè)通過(guò)池中心的縱切面，其中一端位于進(jìn)水口后380 mm處，且水流從進(jìn)水口流出,先經(jīng)過(guò)的點(diǎn)位于正半軸，在不同深度5個(gè)橫截面距池底分別為0.06、0.212、0.364、0.516、0.668 m)進(jìn)行速度監(jiān)測(cè)，將不同深度相同位置監(jiān)測(cè)值取平均值作為養(yǎng)殖池內(nèi)相應(yīng)徑向位置速度的代表值。數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖2。

圖2顯示,養(yǎng)殖池中心速度的試驗(yàn)結(jié)果高于數(shù)值模擬結(jié)果，主要是因?yàn)轲B(yǎng)殖池中心存在渦流導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果較大。試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比中，絕大多數(shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)誤差在10%以內(nèi)，僅有個(gè)別點(diǎn)相對(duì)誤差較大，總體來(lái)說(shuō)，試驗(yàn)與模擬結(jié)果的平均相對(duì)誤差在30%以內(nèi)，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，主要監(jiān)測(cè)位置數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較接近。這表明本研究中建立的數(shù)值模型合理，精度基本滿足要求，可用于養(yǎng)殖池水動(dòng)力特性研究。

3 模型建立

本研究中以單管入流、單通道出流的方形養(yǎng)殖池為研究對(duì)象，模型參數(shù)依據(jù)現(xiàn)有循環(huán)水養(yǎng)殖池系統(tǒng)進(jìn)行同比例縮放并對(duì)部分參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，模型設(shè)計(jì)參數(shù)如下。

模型的長(zhǎng)(L)×寬(B)為1 m×1 m(長(zhǎng)寬比L/B=1∶1)，水深(H)為0.2 m(徑深比B/H=5∶1)，池底部中心排污口內(nèi)徑為0.02 m，進(jìn)水管直徑為0.02 m。進(jìn)水系統(tǒng)為單管射流驅(qū)動(dòng)，進(jìn)水管設(shè)置在養(yǎng)殖池直邊壁的中間位置，垂直緊貼養(yǎng)殖池邊壁(進(jìn)水孔距池壁0.01 m)，進(jìn)水系統(tǒng)沿切向入流(射流方向與養(yǎng)殖池壁成0°夾角)。進(jìn)水管自上而下均勻開(kāi)18個(gè)孔，進(jìn)水系統(tǒng)射流速度恒定為1 m/s，根據(jù)進(jìn)水流量將孔徑設(shè)置為3個(gè)組次(孔徑記為d，進(jìn)水流量記為Q)：

(1)d=0.002 8 m，Q=400 L/h(循環(huán)次數(shù)約為50次/d)；

(2)d=0.004 m，Q=814 L/h(循環(huán)次數(shù)約為100次/d)；

(3)d=0.004 8 m，Q=1174 L/h(循環(huán)次數(shù)約為150次/d)。

本研究中以四面體網(wǎng)格對(duì)數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行劃分，在進(jìn)水孔、排水口位置進(jìn)行加密處理。以圓弧角半徑與池體寬度之比(R/B)為0.25為例，模型和網(wǎng)格劃分示意圖如圖3所示。

數(shù)值模擬計(jì)算基于計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)中Fluent模塊，邊界條件設(shè)置如下。

入口邊界：速度入口，入口速度設(shè)置為1 m/s，流速均勻分布，湍流強(qiáng)度和水力直徑根據(jù)進(jìn)水流量設(shè)置為3個(gè)組次，當(dāng)Q=400 L/h時(shí)，湍流強(qiáng)度設(shè)置為6%，水力直徑為0.002 8 m；當(dāng)Q=814 L/h時(shí)，湍流強(qiáng)度設(shè)置為5.7%，水力直徑為0.004 m；當(dāng)Q=1174 L/h時(shí)，湍流強(qiáng)度設(shè)置為5.57%，水力直徑為0.004 8 m。

出口邊界：壓力出口。

固體壁面邊界：養(yǎng)殖池池底和池壁均為固體壁面。

自由邊界條件：水表面按自由面處理，壓力值為大氣壓。

4 結(jié)果與討論

4.1 相對(duì)弧寬比對(duì)養(yǎng)殖池流速特征的影響

本研究中對(duì)采用不同尺度圓弧角代替直角的方形養(yǎng)殖池進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，不同R/B工況下的養(yǎng)殖池內(nèi)平均流速如圖4所示。結(jié)果顯示：3個(gè)進(jìn)水流量工況下的養(yǎng)殖池內(nèi)平均流速均隨著R/B的增大而增大，而且進(jìn)水流量越大平均流速上升的趨勢(shì)越明顯；當(dāng)0.2≤R/B<0.4時(shí)，隨著R/B的增大平均流速呈現(xiàn)平緩上升趨勢(shì)，而0≤R/B<0.2和0.4≤R/B<0.5時(shí)，隨著R/B增大平均流速呈現(xiàn)較快增長(zhǎng)趨勢(shì)。

當(dāng)R/B為0(方形養(yǎng)殖池)時(shí)，相鄰池壁通過(guò)直角過(guò)渡銜接，當(dāng)水體流經(jīng)直角處時(shí)需要急劇轉(zhuǎn)向，水體與池壁產(chǎn)生劇烈碰撞及折射、反射，此過(guò)程伴隨較大的能量損失，碰撞等水體與池壁間的劇烈相互作用產(chǎn)生的能量損失是主要因素，與池壁間的摩擦耗能是次要因素。隨著圓弧角的增大，碰撞的程度逐漸減小，產(chǎn)生的能量損失也逐漸減小，致使流速呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。隨著R/B(0

養(yǎng)殖池內(nèi)水體平均速度監(jiān)測(cè)曲線如圖5所示，隨著R/B增大，平均速度監(jiān)測(cè)曲線從不規(guī)則狀態(tài)到有節(jié)律震蕩，最終平均速度監(jiān)測(cè)曲線趨于穩(wěn)定。隨著R/B增大，水體與池壁產(chǎn)生劇烈碰撞及折射、反射等不穩(wěn)定因素程度減弱，能量消耗減小，因而監(jiān)測(cè)的平均速度穩(wěn)定性逐漸改善，平均速度增大。

養(yǎng)殖池中間截面(距池底0.1 m)的平均速度監(jiān)測(cè)曲線如圖6所示，隨著進(jìn)水流量增大，平均速度監(jiān)測(cè)曲線更加穩(wěn)定。因?yàn)檩斎腽B(yǎng)殖池系統(tǒng)的能量主要用于養(yǎng)殖池系統(tǒng)的阻力消耗和克服水體質(zhì)點(diǎn)間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻力消耗，進(jìn)而維持養(yǎng)殖池系統(tǒng)水體運(yùn)動(dòng)。在進(jìn)水流量較低(400 L/h)的工況下，抵抗養(yǎng)殖池系統(tǒng)阻力消耗占輸入能量比率較高，進(jìn)而抵抗水體質(zhì)點(diǎn)間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻力損耗比率較低，養(yǎng)殖池系統(tǒng)水體整體混合不充分，平均速度監(jiān)測(cè)曲線穩(wěn)定性較差；而進(jìn)水流量較高(1174 L/h)的工況則呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)，抵抗水體質(zhì)點(diǎn)間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻力消耗比率較高，養(yǎng)殖池系統(tǒng)水體整體混合充分均勻，平均速度監(jiān)測(cè)曲線穩(wěn)定性較好。

4.2 相對(duì)弧寬比對(duì)速度均勻系數(shù)的影響

進(jìn)水系統(tǒng)水平射流條件下，特定徑向位置的切向速度基本上與其所處深度無(wú)關(guān)[25]。本研究中在養(yǎng)殖池中間截面(距池底0.1 m)設(shè)置72個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以截面中心為圓心設(shè)9個(gè)間距為5 cm的圓周，每個(gè)圓周取的8個(gè)點(diǎn)分別位于養(yǎng)殖池的橫縱軸線和兩條對(duì)角線上。根據(jù)式(3)計(jì)算出的均勻系數(shù)如表1所示。

從表1可見(jiàn)，隨著進(jìn)水流量的增大養(yǎng)殖池流場(chǎng)均勻性明顯改善，這是因?yàn)檫M(jìn)水流量較高的工況提供克服水體質(zhì)點(diǎn)間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力所消耗的能量比率較高，養(yǎng)殖池系統(tǒng)水體整體混合充分。隨著R/B的增大，流場(chǎng)均勻性在不同進(jìn)水流量工況下呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)，在進(jìn)水流量小(400 L/h)的工況下，隨著R/B的增大呈現(xiàn)兩次遞增和兩次遞減的雙峰趨勢(shì)；而在進(jìn)水流量大(1174 L/h)的工況下，隨著R/B的增大總體呈現(xiàn)先增大后減小的單個(gè)峰值趨勢(shì)；中等進(jìn)水流量(814 L/h)工況下，隨著R/B的增大呈現(xiàn)雙峰趨勢(shì)向單峰趨勢(shì)的過(guò)渡狀態(tài)(表1)。這主要是因?yàn)轲B(yǎng)殖池存在環(huán)流運(yùn)動(dòng)和離心運(yùn)動(dòng)兩種主要的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在這個(gè)過(guò)程中水體不斷混合，當(dāng)R/B較小或較大時(shí)池內(nèi)水體主要呈現(xiàn)受池壁形狀影響較大的環(huán)流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，池內(nèi)能量主要由克服養(yǎng)殖池系統(tǒng)阻力和水體質(zhì)點(diǎn)間的相互碰撞等不利于水體運(yùn)動(dòng)所消耗的能量和克服水體質(zhì)點(diǎn)間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力等有利于水體運(yùn)動(dòng)所消耗的能量組成，當(dāng)R/B較小時(shí)，克服養(yǎng)殖池系統(tǒng)阻力消耗對(duì)池內(nèi)水體運(yùn)動(dòng)特征影響顯著，而當(dāng)R/B較大時(shí)，克服水體質(zhì)點(diǎn)間相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)池內(nèi)水體運(yùn)動(dòng)起到主導(dǎo)作用。但R/B在中值區(qū)域的養(yǎng)殖池內(nèi)水體呈現(xiàn)不同程度的離心運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與克服養(yǎng)殖池系統(tǒng)阻力后的剩余能量密切相關(guān)。當(dāng)有充足的能量使離心運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)的水體質(zhì)點(diǎn)間相互碰撞所損耗的能量比率達(dá)到可以忽略的情況下，池內(nèi)水體呈現(xiàn)有序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并表現(xiàn)出較高的混合均勻性；當(dāng)能量不足以忽略此時(shí)較高的能量損耗比率時(shí)，鄰近池壁的水體有強(qiáng)烈地向池中心運(yùn)動(dòng)混合趨勢(shì)，這個(gè)過(guò)程伴隨池內(nèi)水體不同程度的無(wú)序運(yùn)動(dòng)與相互撞擊，養(yǎng)殖池內(nèi)的整體混合均勻性變差。

表1 不同進(jìn)水流量工況下R/B對(duì)池內(nèi)速度均勻系數(shù)的影響

從圖7可見(jiàn)：當(dāng)R/B從0.2增大到0.3時(shí)，離心運(yùn)動(dòng)狀態(tài)逐漸明顯，鄰近池壁的水體逐漸呈現(xiàn)明顯地向池中心運(yùn)動(dòng)混合的趨勢(shì)，水體質(zhì)點(diǎn)間的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)與相互撞擊伴隨著較大的能量消耗，導(dǎo)致養(yǎng)殖池中間區(qū)域出現(xiàn)大面積低流速區(qū)，池內(nèi)水體混合均勻性逐漸變差；當(dāng)R/B從0.3增大到0.4時(shí)，池內(nèi)水體主要運(yùn)動(dòng)狀態(tài)逐漸由離心運(yùn)動(dòng)變?yōu)槭艿匠乇趲缀涡螤钣绊戄^大的環(huán)流運(yùn)動(dòng)，水體質(zhì)點(diǎn)間的能量消耗比率減小，池內(nèi)水體均勻性明顯改善。此外，隨著進(jìn)水流量的增大，水體質(zhì)點(diǎn)間的摩擦阻力能量消耗所占初始能量的比率增大，池內(nèi)水體表現(xiàn)出較高的混合均勻性(圖8)。

截取通過(guò)養(yǎng)殖池中心且不通過(guò)進(jìn)水管的縱截面(y=0)，其速度分布云圖如圖9所示，隨著R/B增大，縱截面低流速區(qū)逐漸減少，高流速區(qū)逐漸增多，且當(dāng)0.2≤R/B<0.4時(shí)，池內(nèi)均勻性較好，這是因?yàn)樗w與池壁碰撞而產(chǎn)生的能量損耗隨著R/B增大而逐漸減??；而當(dāng)0.4≤R/B<0.5時(shí)，池內(nèi)水體受池壁形狀影響較大，呈現(xiàn)較為規(guī)律的環(huán)流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，能量損失較小，高流速區(qū)較多，流場(chǎng)均勻性并不優(yōu)于0.2≤R/B<0.4時(shí)養(yǎng)殖池內(nèi)流場(chǎng)均勻性。

4.3 相對(duì)弧寬比對(duì)養(yǎng)殖池阻力系數(shù)的影響

從圖10可見(jiàn)：當(dāng)進(jìn)水流量較小時(shí)(Q=400 L/h),在R/B較小的情況下(0≤R/B<0.2)，隨著R/B增大，養(yǎng)殖池系統(tǒng)阻力系數(shù)呈遞減趨勢(shì)，原因是水體在轉(zhuǎn)角位置與池壁發(fā)生強(qiáng)烈的碰撞進(jìn)而造成較大的能量損失，碰撞程度會(huì)隨著R/B的增大而明顯減弱，能量損失也顯著減小，水流與池壁間的運(yùn)動(dòng)阻力相應(yīng)減??；當(dāng)0.2≤R/B≤0.3時(shí)，隨著R/B增大，養(yǎng)殖池系統(tǒng)阻力系數(shù)呈增大趨勢(shì)，原因是在R/B增大過(guò)程中池內(nèi)能量逐漸不足以忽略離心運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)水體質(zhì)點(diǎn)間的相互撞擊所產(chǎn)生的能量損耗，進(jìn)而導(dǎo)致水體質(zhì)點(diǎn)間的無(wú)序運(yùn)動(dòng)及相互撞擊程度逐漸劇烈；當(dāng)0.3

從圖10還可見(jiàn)：當(dāng)進(jìn)水流量較大時(shí)(Q=1174 L/h)，隨著R/B增大，養(yǎng)殖池系統(tǒng)阻力系數(shù)呈現(xiàn)單調(diào)遞減規(guī)律，這是因?yàn)樗w質(zhì)點(diǎn)克服池壁摩擦的能量消耗比率逐漸降低，水體獲得了較多的能量去維持環(huán)流運(yùn)動(dòng)和離心運(yùn)動(dòng)，池內(nèi)能量足以忽略離心運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)水體質(zhì)點(diǎn)間的相互撞擊所產(chǎn)生的能量損耗，無(wú)論環(huán)流運(yùn)動(dòng)還是離心運(yùn)動(dòng)養(yǎng)殖池系統(tǒng)水體質(zhì)點(diǎn)均呈現(xiàn)穩(wěn)定有序狀態(tài)；當(dāng)進(jìn)水流量處于中值區(qū)域時(shí)(Q=814 L/h)，養(yǎng)殖池系統(tǒng)阻力系數(shù)變化規(guī)律呈現(xiàn)從低進(jìn)水流量到高進(jìn)水流量的過(guò)渡狀態(tài)。

4.4 養(yǎng)殖池池型分類

基于圓弧角優(yōu)化的目的是開(kāi)展不同R/B結(jié)構(gòu)參數(shù)的水動(dòng)力特性研究，并與相同結(jié)構(gòu)尺度的方形和圓形養(yǎng)殖池水動(dòng)力特征進(jìn)行對(duì)比分析，獲得顯著區(qū)別于方形和圓形養(yǎng)殖池水動(dòng)力特征的臨界點(diǎn)結(jié)構(gòu)參數(shù)，明確方形圓弧角養(yǎng)殖池定義。方形圓弧角養(yǎng)殖池可將圓形養(yǎng)殖池的水動(dòng)力優(yōu)勢(shì)和方形養(yǎng)殖池的空間利用率高、操作方便的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)滿足循環(huán)水養(yǎng)殖需求。養(yǎng)殖池空間利用率計(jì)算公式為

空間利用率=Sn/S0×100%。

(5)

其中：Sn為養(yǎng)殖池底面積，即有效養(yǎng)殖面積(m2)；S0為R/B=0(方形養(yǎng)殖池)時(shí)的養(yǎng)殖面積(m2)。

本研究中依據(jù)養(yǎng)殖池流場(chǎng)特性將養(yǎng)殖池池型劃分為方形養(yǎng)殖池、近方形養(yǎng)殖池、方形圓弧角養(yǎng)殖池、近圓形養(yǎng)殖池和圓形養(yǎng)殖池。其中，R/B=0為標(biāo)準(zhǔn)的方形養(yǎng)殖池，R/B=0.5為標(biāo)準(zhǔn)的圓形養(yǎng)殖池。由養(yǎng)殖池內(nèi)平均流速、速度均勻系數(shù)、養(yǎng)殖池阻力系數(shù)和流場(chǎng)云圖與矢量圖綜合分析得出，0

如圖11、圖12所示，近方形養(yǎng)殖池空間利用率高達(dá)95%以上，但整體流速較低且流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)是一種非平衡非規(guī)律狀態(tài)，流場(chǎng)特征呈現(xiàn)隨機(jī)狀態(tài)，養(yǎng)殖池池水混合均勻性差；而方形圓弧角養(yǎng)殖池空間利用率相對(duì)于近方形養(yǎng)殖池略有減小，整體流速提高且流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)趨于周期性震蕩平衡的較規(guī)律狀態(tài)，流場(chǎng)特征呈現(xiàn)一定規(guī)律性，其中R/B為0.20(空間利用率97%)和0.25(空間利用率95%)是兼具較好流場(chǎng)均勻性和高空間利用率的方形圓弧角養(yǎng)殖池，且池內(nèi)均勻性較好；近圓形養(yǎng)殖池空間利用率較小，流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)穩(wěn)定平衡的規(guī)則運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，整體流速較高且高低流速區(qū)分布穩(wěn)定，但整體而言池水的混合均勻性并不優(yōu)于方形圓弧角養(yǎng)殖池。

5 結(jié)論

本研究中建立了三維湍流數(shù)值計(jì)算模型并進(jìn)行了驗(yàn)證，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算研究了R/B對(duì)養(yǎng)殖池流場(chǎng)特性的影響，得到以下結(jié)論：

(1)模型驗(yàn)證結(jié)果顯示，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果絕大多數(shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)誤差在10%以內(nèi)，吻合良好，證明了本研究中建立的數(shù)值模型的合理性，精度基本滿足要求，可應(yīng)用于養(yǎng)殖池水動(dòng)力特性的研究。

(2)3個(gè)進(jìn)水流量工況下的養(yǎng)殖池流場(chǎng)特性研究顯示，養(yǎng)殖池內(nèi)平均流速均隨著R/B的增大而增大，且進(jìn)水流量越大平均流速上升的趨勢(shì)越明顯。當(dāng)0.2≤R/B<0.4時(shí)，隨著R/B增大平均流速呈現(xiàn)平緩上升趨勢(shì)；當(dāng)0.0≤R/B<0.2和0.4≤R/B≤0.5時(shí)，隨著R/B增大平均流速呈現(xiàn)較快增長(zhǎng)趨勢(shì)。隨著進(jìn)水流量增大養(yǎng)殖池流場(chǎng)均勻性也明顯改善，養(yǎng)殖池系統(tǒng)阻力系數(shù)隨R/B的變化趨勢(shì)發(fā)生明顯變化。

(3)由養(yǎng)殖池內(nèi)平均流速、速度均勻系數(shù)、養(yǎng)殖池阻力系數(shù)和流場(chǎng)云圖與矢量圖綜合分析得出，R/B=0的養(yǎng)殖池定義為標(biāo)準(zhǔn)方形養(yǎng)殖池，0

(4)方形圓弧角養(yǎng)殖池整體流速提高且流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)趨于周期性震蕩平衡的較規(guī)律狀態(tài)，流場(chǎng)特征呈現(xiàn)一定規(guī)律性，其中R/B為0.20和0.25是兼具較好流場(chǎng)均勻性和高空間利用率的方形圓弧角養(yǎng)殖池。