方形圓弧角養(yǎng)殖池進水結構對流場影響的試驗研究

任效忠，王江竹，張倩，葉章穎，宛立，王國峰

(1.大連海洋大學 海洋科技與環(huán)境學院，遼寧 大連 116023； 2.設施漁業(yè)教育部重點實驗室，遼寧 大連 116023； 3.大連海洋大學 海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116023； 4.浙江大學 農業(yè)農村部設施農業(yè)裝備與信息化重點實驗室，浙江 杭州 310058； 5.沈陽工程學院，遼寧 沈陽 110136)

中國雖是世界第一水產養(yǎng)殖大國，水產養(yǎng)殖產量占世界總量的70%左右，但也存在生產方式落后、效率低下、養(yǎng)殖環(huán)境污染、水域生態(tài)破壞、病害頻發(fā)等一系列亟待解決的問題[1-3]。在資源環(huán)境制約的背景下，工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式日益受到重視，成為中國未來水產養(yǎng)殖業(yè)的主要發(fā)展方向之一。由于工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖是一種高度依賴設施、高密度的生產方式，養(yǎng)殖動物整個生命周期都在養(yǎng)殖池單元中生長，魚類需要可以感知的流場環(huán)境來維持游泳平衡。此外，養(yǎng)殖池中殘餌和糞便等固體廢棄物極易沉積，常導致水質惡化，危害養(yǎng)殖動物健康和生長[4]。因此，構建適宜的養(yǎng)殖流場環(huán)境、快速去除污染物、維持良好養(yǎng)殖水質是循環(huán)水養(yǎng)殖的核心問題。對養(yǎng)殖池內水流速度分布規(guī)律的研究不僅關系到養(yǎng)殖池的高效利用，也是池底固體廢棄物運動機制的基礎，而養(yǎng)殖池內顆粒物運動規(guī)律及集排污性能與養(yǎng)殖池內的流場特性有直接關系[5]。

在養(yǎng)殖池流場特性相關研究中，Davidson等[6]研究了池底出水口流量和進水口結構對10 m3和150 m3兩種不同尺寸的康奈爾(Cornell)雙排水養(yǎng)殖池自凈、水體混合和水流速度的影響，指出進水管射流方向和底部排放量，可以用于調節(jié)整個圓形養(yǎng)殖池的水體旋轉速度；Benoit[7]建立了用于預測池內切向速度和徑向速度的模型，發(fā)現(xiàn)影響徑向和切向速度的最重要參數是進水管的類型、角度和總體流量；Oca等[8]采用ADV流速儀對矩形蝦池不同進水、出水方式下流速場進行測量，發(fā)現(xiàn)將進水方式由垂直改成水平，可有效減少旋渦產生，避免污染物沉積；李琦等[9]通過試驗研究了不同循環(huán)水量下對蝦養(yǎng)殖水質調控的效果，表明提高循環(huán)水量可對改善水質調控效果起到積極作用。

圓形池和矩形池是工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖關注較多的養(yǎng)殖池池型。圓形池具有水體混合均勻、自清潔能力較好的優(yōu)點，但土地利用率和易管理程度不如矩形池；矩形池內死水區(qū)較多，易造成污染物沉積。為改善兩種養(yǎng)殖池的弊端，方形圓弧角養(yǎng)殖池逐漸興起并在工廠化養(yǎng)殖中得到應用。方形圓弧角養(yǎng)殖池在空間利用和水流形態(tài)方面兼顧了圓形池和矩形池的優(yōu)點，用1/4圓弧代替方形直角的結構優(yōu)化既保證了養(yǎng)殖池面積利用率，又保證了養(yǎng)殖池較優(yōu)的流場特性[10]。目前，有關方形圓弧角養(yǎng)殖池流場的研究較少，養(yǎng)殖池系統(tǒng)任一參數的改變都將直接影響到養(yǎng)殖池內水動力特性，進而影響到集排污性能。因此，對方形圓弧角養(yǎng)殖池流場進行深入系統(tǒng)研究，優(yōu)化系統(tǒng)流場特性，增強養(yǎng)殖池自凈能力，對保證養(yǎng)殖池系統(tǒng)穩(wěn)定運行十分必要。

本研究中采用物理模型試驗的方法，首先對單通道底部排污的方形圓弧角養(yǎng)殖池不同進水位置開展比選研究，在優(yōu)選進水位置基礎上開展水體日循環(huán)次數、進水管入射角度對流場的影響研究，旨在為工廠化循環(huán)水方形圓弧角養(yǎng)殖池進水結構的設計提供科學依據和優(yōu)選設計參數。

1 材料與方法

1.1 試驗模型

循環(huán)水養(yǎng)殖池系統(tǒng)由模型水池、排水管、捷勤漩渦式自吸電泵(750 W)、閥門、搏聲渦輪流量計(0.4～8.0 m3/h)、進水管等組成，流場試驗測量系統(tǒng)由Vectrino聲學多普勒點式流速儀、支架及測量位置控制系統(tǒng)等組成(圖1-A)。

模型水池的內壁凈長×寬×高尺寸為100 cm×100 cm×60 cm，方形圓弧角水池通過在模型水池四角粘貼半徑為20 cm的圓弧板改造，池底無坡度，池中心設有2 cm的排水口，排水管與進水管均為PVC材質，進水管內徑為20 mm，下端封口。各試驗工況均采用水深范圍內均勻開孔，進水管孔徑為4 mm，孔中心距池壁約3 cm，試驗水深為20 cm。

利用Vectrino聲學多普勒點式流速儀對試驗設計位置的流速進行測量。用ADV流速儀傳感器測量探頭下方5 cm處流場的3個流速分量[11]。

1.2 方法

1.2.1 測量設置 啟動水泵后系統(tǒng)內水流開始循環(huán)，由于進水管射流及水泵抽吸的共同作用，池內水體做旋轉運動并在池中心形成明顯的漩渦，漩渦形成約40 min后池內水體基本運行穩(wěn)定，可視為養(yǎng)殖池內達到了相對穩(wěn)定的流場。試驗時將ADV流速儀固定在水池上方螺旋升降桿的測架上(圖1-A)，此裝置可調節(jié)流速儀的架設高度實現(xiàn)調節(jié)探頭的入水深度，通過搖桿、絲杠系統(tǒng)控制定位水平方向測量位置，通過該三維測架系統(tǒng)可以將流速儀定位在測量的相應位置，測得相應測點的水流速度。

池內速度測量點設置方式如圖1-B所示，試驗采用“米”字形布點，每個水平測點設置沿垂向測量底層和上層兩個點位。底層測點距離池底5 cm，上層測點距離水面5 cm，每個監(jiān)測平面有32個測點，底層和上層共64個測點。每個測點由流速儀自帶軟件VectrinoPlus記錄1 min內的連續(xù)流速數據，平面速度分量(x、y方向)數據經濾波處理后取其平均值記為此點的流場流速。為了減小流速儀探針移動對流場測量的影響，在每個測點放置探針后1～2 min待流場穩(wěn)定后再測量。由于流速儀放置在漩渦處會影響周圍水體運動狀態(tài)，且漩渦較深時流速儀探針不能完全浸入水中，故中心點不做測量(圖2)。

1.2.2 評價參數 通過池內平均流速(vavg)來比較各工況之間的流場差異。試驗中每個工況均分為底層和上層兩個平面，考慮從養(yǎng)殖池中心到監(jiān)測點的距離來計算加權速度[12]，計算出養(yǎng)殖池各平面的平均速度(v)后，再對兩個平面的平均速度取平均值，記為工況總平均速度(vavg)。計算公式為

(1)

其中：vi為采用ADV流速儀測得的每個測量點的速度(m/s)；ri為測量點相對于養(yǎng)殖池中心的距離(cm)。

1.2.3 進水位置對池內流場的影響試驗 試驗設置8組進水位置，分為單管進水和雙管進水兩大類進水方式。單管進水選取了2個位置(圖3-A、B)： (1)單管弧壁，單進水管位于圓弧角中心；(2)單管直壁，單進水管位于直邊壁中心。雙管進水選取6個位置(圖3-C～H)：(1)對弧雙管，雙進水管位于相對的兩個圓弧角中間位置；(2)對直雙管，雙進水管位于相對的兩個直邊壁中間位置；(3)直隔弧雙管，雙進水管其中一個位于直邊壁中間位置，而另一個進水管位于與其相對的圓弧角中間位置；(4)臨弧雙管，雙進水管位于相鄰的兩個圓弧角中間位置； (5)臨直雙管， 雙進水管位于相鄰的兩個直邊壁中間位置；(6)直臨弧雙管，雙進水管位于相鄰的直邊壁和圓弧角中間位置。其中，對弧雙管、對直雙管和直隔弧雙管屬于間隔式進水，臨弧雙管、臨直雙管、直臨弧雙管屬于相鄰式進水。

其他試驗參數：射流角度為0°，進水流量為0.83 m3/h，每個工況進水管總開孔數為18個。對于進水管位于邊壁時，射流角度為0°是指進水孔射流平行于邊壁。進水管位于弧壁中心時，0°則是指進水孔射流平行于圓弧角的切線方向。

1.2.4 水體日循環(huán)次數對池內流場的影響試驗 水體日循環(huán)次數是工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖中一個重要的參數，與設計系統(tǒng)的水體處理設施和養(yǎng)殖的能耗成本密切相關，可根據養(yǎng)殖池水體體積計算對應所需的進水流量：

Q=(n·V)/24。

(2)

其中：Q為進水流量(m3/h)；n為日循環(huán)次數；V為水體體積(m3)。

試驗設置4個組，分別為水體日循環(huán)60次(Q=0.5 m3/h)、80次(Q=0.667 m3/h)、100次(Q=0.833 m3/h)、120次(Q=1 m3/h)。單進水管沿水深方向每管均勻開18個孔，雙進水管沿水深方向每管均勻開9個孔，入射角度均為0°。

1.2.5 進水管入射角度對池內流場的影響試驗 養(yǎng)殖池進水口的設計和入流方向是決定池中速度分布的主要參數，這在圓形養(yǎng)殖池中已得到了廣泛的研究及證實[13-16]。本試驗中進水管入射角度設置從0°到90°，以10°為間隔?？傔M水流量為0.83 m3/h。

2 結果與分析

2.1 不同進水結構位置工況下水體流速的比較

進水流量保持恒定時，不同進水位置工況養(yǎng)殖池內平均流速如表1所示，其中，單管弧壁和對弧雙管兩種進水位置可以獲得較高的池內平均速度，其他進水位置工況池內平均速度總體相差不大。

表1 不同進水位置下養(yǎng)殖池內平均速度Tab.1 Average velocity in the tank at different water inlet positions

試驗由ADV得到每個監(jiān)測點的速度后，利用MATLAB軟件的GRIDDATA函數散亂點插值構建流場平面速度分布云圖，插值計算生成的云圖使流場數據更加直觀，利于對比分析各工況的速度分布情況。流場云圖只保留了實測區(qū)域內部分，實測點到池壁區(qū)域因外插數據不準確且無法體現(xiàn)邊界層，故舍去這部分區(qū)域。因無中心區(qū)域監(jiān)測速度，插值時將中心區(qū)域設為nan，代表此處無實測數據。速度分布云圖中流速大小采用顏色標尺顯示(圖4)。

從圖4可見：各進水位置下，池中高流速區(qū)主要集中分布于池壁及池中心附近，低流速區(qū)大部分位于1/2池徑周圍及弧角位置；單管弧壁工況時，平面內低流速分布區(qū)較少，四周弧角位置無明顯低流速存在的情況(圖4-A)；單管直壁進水時，與進水口射流方向相反的圓弧角周圍形成了低流速區(qū)，易對池內排污產生不利影響(圖4-B)；雙管間隔式進水時，池內流場速度呈現(xiàn)較為對稱分布的狀態(tài)，四周弧角位置無明顯低流速區(qū)出現(xiàn)(圖4-C、D、E)，尤其以對弧雙管進水時流場整體均勻性好、低流速區(qū)少(圖4-C)；雙管相鄰式進水時，兩進水管所在一側形成了相對低流速區(qū)，與兩進水管位置相對的一側則出現(xiàn)較高流速，池內速度分布不均勻(圖4-F、G、H)，兩進水管中一個進水管位于直壁中心時，也出現(xiàn)了進水口射流反方向(后方)圓弧角區(qū)域流速較低的情況(圖4-G、H)。由于養(yǎng)殖魚類有喜好流速和趨流性的特性，養(yǎng)殖系統(tǒng)中流速分布不均會使養(yǎng)殖池水體利用率大大降低，進而影響?zhàn)B殖效益[17]。

2.2 不同進水管入射角度和水體日循環(huán)次數下水體流速的變化

以進水結構位置最優(yōu)的單管弧壁和對弧雙管為研究對象，入射角度對池內流場的影響結果如圖5-A所示。從圖5-A可見：進水管入射角度對流場具有較大影響，當入射角度為0°～50°時，池內平均流速隨著入射角度的增加總體呈現(xiàn)升高的趨勢，增長趨勢較為明顯；當入射角度為50°～90°時，隨著入射角度的增加池內平均流速呈現(xiàn)降低的趨勢，且下降幅度較大；當入射角度為50°時，池內平均流速達到峰值，單管弧壁和對弧雙管進水方式在入射角度為50°時池內平均流速較0°時分別提升了約15%和20%。

在同種射流結構條件下，增加水循環(huán)量有助于提高池內水體的旋轉速度，增強集污效果。以進水結構位置最優(yōu)的單管弧壁和對弧雙管為研究對象，從圖5-B可見，池內平均流速與水體日循環(huán)次數之間呈非線性增長關系，單管弧壁和對弧雙管進水方式在日循環(huán)120次時池內平均流速較日循環(huán)60次時分別提升了約59%和51%。

2.3 兩種工況下池內各監(jiān)測點的水體流速

在單管弧壁、對弧雙管工況下，距池底15 cm的平面上，取進水管連線的過池中心垂線斷面上的8個監(jiān)測點流速進行流場分析，結果如圖6所示，4組不同循環(huán)次數下軸向監(jiān)測流速趨勢基本一致，在較高的水體日循環(huán)次數下，從池壁到池中心流場速度總體呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，速度從池壁到1/2池徑為遞減區(qū)間，而從1/2池徑到池中心為遞增區(qū)間，兩側速度基本對稱。Oca等[15]研究也表明，在較高的進水流量下速度朝向池中心的增量更高。

3 討論

3.1 進水位置對池內流場的影響

降低系統(tǒng)進水與池壁激烈撞擊產生的能量消耗，保持進水驅動的對稱布置及進水能量輸入的均衡分布，是從根本上優(yōu)化系統(tǒng)流場特性的有效方式。本研究表明，選用合理的進水結構布設方式可以明顯優(yōu)化養(yǎng)殖池系統(tǒng)流場進而滿足養(yǎng)殖需求。當進水管位于弧壁時池內水體平均流速要高于進水管在直壁，原因是從養(yǎng)殖池弧壁位置入水直接實現(xiàn)了水流的順暢轉向，減小了與池壁沖擊形成的能量損失。養(yǎng)殖池進水結構直壁或弧壁進水管數相同時，雙管間隔式進水池內水體平均流速要高于雙管相鄰式進水，這是因為雙管間隔式進水較好地實現(xiàn)了維持池內水循環(huán)的能量均衡輸入與接力驅動，兩管位置均勻分布使水體較充分混合的同時減小了進水管間的相互擾動，雙管間隔式進水有效規(guī)避了雙管相鄰式進水時的能量輸入不均衡。在進水流量、進水管總開孔數及孔徑保持一致時，單管進水較雙管進水時池內水體平均流速更高，這可能與進水口沖擊力及能量更為集中有關。通過比較發(fā)現(xiàn)，雙管間隔式進水及單管進水均可以獲得較高的池內水體平均流速，尤以單管弧壁和對弧雙管最佳。

3.2 水體日循環(huán)次數對池內流場的影響

本研究表明，循環(huán)次數越高，池內水體平均流速越大，兩者呈非線性增長關系(圖5-B)。這是由于養(yǎng)殖水體日循環(huán)次數增加，單位時間輸入養(yǎng)殖池系統(tǒng)的總能量增加，而與養(yǎng)殖池體摩擦沖擊消耗能量占輸入養(yǎng)殖池系統(tǒng)的總能量比率減小，進而養(yǎng)殖池水體維持了更高的整體流速[18]。根據下式可以看出，水體質點運動時受到的阻力f與水體質點運動速度v的平方成正比，即：

f=C·ρ·A·v2/2。

(3)

其中：C為阻力系數；ρ為水的密度(kg/m3)；A為有效接觸面積(m2)。

水體質點運動速率越大，水體質點相互間的摩擦效應增強，受到的阻力就越大。因此，水體日循環(huán)次數從60次提升至120次時，池內水體平均流速呈非線性增長而非倍增關系。

不同水體日循環(huán)次數下，軸向流場速度從池壁到池中心呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(圖6)，這是由于水體日循環(huán)次數提高，養(yǎng)殖池中心附近的水流速度會隨著底部排水流速的增加而增加，而排水速度越大中心漩渦就越明顯，漩渦周圍流場的速度也就越大[6]。此外，進水入流沿池壁附近進入系統(tǒng)，因而池壁附近也保持了較高的流場速度。這種徑向速度大小隨徑向距離變化的趨勢很容易在池底形成一種徑向流體附帶作用，對于攜帶沉積在池底的固體污染物至排污口是有利因素[4]。

3.3 進水管入射角度對池內流場的影響

本研究表明：以單管弧壁和對弧雙管進水時，入射角度在0～90°范圍內，隨進水角度的增加池內水體平均流速呈先升高后降低的趨勢，當進水管入射角度為50°時池內水體平均流速達到最高；而當入射角度為0°時，入射水流方向與弧壁相切，先經弧壁反射、折射后順暢轉向進入直壁區(qū)間，水流方向才與水體運動切線方向一致，此過程中會損失部分能量；當入射角度從0°逐漸增加到50°時，入射水流方向逐漸與弧壁偏離而與水體運動切線方向趨于一致，反射、折射的能量損失減小，剩余能量用于克服黏滯性水體質點間相對運動的摩擦阻力，從而維持水體運動，因此，池內水體平均流速也隨之增大；當入射角度大于50°時，入射角度便會與水體運動切線方向出現(xiàn)夾角，切向流速方向上的水流沖擊力減弱，導致切向流速變小，入流水體逐漸轉向帶動中心區(qū)域流體旋轉，整個流場的混合性趨于減弱。而對于直壁處的進水管而言，在0°～90°的射流范圍內，入射角度為0°時可以使方形圓弧角養(yǎng)殖池獲得最高池內水體平均流速[19]。Jayanti[20]、Patwardhan等[21]、Zughbi等[22]等認為，入射角度在一定范圍內進水口接觸墻壁之前射流的路線或距離越遠，則水流沖擊力越大，水體的切向速度就越高。

4 結論

本研究中通過物理模型試驗方法，研究了單通道排污結構的方形圓弧角養(yǎng)殖池進水結構對池內流場的影響，在試驗研究范圍內得到主要結論如下：

(1) 池中高流速區(qū)主要集中分布于池壁及池中心附近，低流速區(qū)大部分位于1/2池徑周圍及弧角位置。在較高的水體日循環(huán)次數下，從池壁到池中心流場速度總體呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，速度從池壁到1/2池徑為遞減區(qū)間,而從1/2池徑到池中心為遞增區(qū)間，兩側速度基本對稱。

(2) 在試驗選擇的8組進水位置工況中，單管弧壁和對弧雙管兩種進水位置可以獲得較高的池內平均流速。選用合理的進水結構布設方式可以明顯優(yōu)化養(yǎng)殖池系統(tǒng)流場，雙管間隔式進水及單管進水是養(yǎng)殖中較好的進水方式，尤以單管弧壁和對弧雙管最佳。

(3) 池內平均流速與水體日循環(huán)次數之間呈非線性增長關系，單管弧壁和對弧雙管布設方式在日循環(huán)120次時池內平均流速較日循環(huán)60次時分別提升了約59%和51%。

(4) 以10°角度間隔開展單管弧壁和對弧雙管進水試驗，在入射角度為50°時池內平均流速達到峰值。入射角度為0°～50°時，池內平均流速隨入射角度的增加總體呈升高趨勢；入射角度為50°～90°時，隨入射角度的增加池內平均流速呈降低趨勢。