雙通道排水系統(tǒng)對矩形圓弧角養(yǎng)殖池流場特性的影響研究

張 倩，桂勁松，薛博茹，任效忠，熊玉宇，王國峰

(1 大連海洋大學設(shè)施漁業(yè)教育部重點實驗室，遼寧 大連 116023；2 大連海洋大學海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116023；3 沈陽工程學院能源與動力學院，遼寧 沈陽 110136)

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)(RAS)由于其在提高生產(chǎn)效率、養(yǎng)殖風險控制和環(huán)境保護等方面的突出優(yōu)勢，在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域受到越來越多的重視[1-3]。福利化養(yǎng)殖是未來水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的必然方向[4]。然而養(yǎng)殖池中水體運動所產(chǎn)生的剪切力會導致生物固體的分解，從而惡化池內(nèi)水質(zhì)[5]。因此，減少池內(nèi)剪切力是優(yōu)化養(yǎng)殖環(huán)境的關(guān)鍵，改善養(yǎng)殖池內(nèi)流場均勻性至關(guān)重要。Oca等[6]提出了速度計算模型以便于研究養(yǎng)殖池內(nèi)的流場特性，Masaló等[7]提出的均勻系數(shù)DC50是池內(nèi)流場均勻性量化研究的重要參數(shù)。Gorle等[8]發(fā)現(xiàn)流動邊界條件對養(yǎng)殖池有限空間內(nèi)的流體動力學有顯著影響，而雙通道排水系統(tǒng)是控制養(yǎng)殖池內(nèi)流量的方法之一，可以將廢水分為兩個獨立的部分，其中一個排水管位于養(yǎng)殖池底部中心，而第二個排水管通常位于池中心的底部排水管上方或池側(cè)壁的上方[9-11]。底流分流比(即通過底部排水口流出的流量占總流量的百分比)作為雙通道養(yǎng)殖池的重要參數(shù)被廣泛研究，并表明其對側(cè)壁邊界層外緣的切向速度沒有影響，但會明顯影響池內(nèi)其他徑向位置的切向速度[12-13]。

隨著計算機技術(shù)的進步，數(shù)值模擬的優(yōu)勢日益凸顯，計算流體力學(CFD)技術(shù)也逐漸應用于養(yǎng)殖池內(nèi)水動力特性的相關(guān)研究[14-18]。Klebert等[19]利用流體動力學計算模型對封閉式海水網(wǎng)箱內(nèi)的流場、顆粒擴散和固體沖刷進行分析。Cornejo等[20]對鮭魚網(wǎng)箱進行了大渦模擬，以評估該區(qū)域的尾流動力學和被動示蹤平流。本研究利用CFD技術(shù)分別建立養(yǎng)殖池底部中心立管的雙通道和單通道矩形圓弧角養(yǎng)殖池的三維湍流數(shù)值模型，開展不同底流分流比的雙通道養(yǎng)殖池與單通道養(yǎng)殖池流場特性的對比分析，為雙通道矩形圓弧角養(yǎng)殖池的建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值模型

1.1 控制方程

基于黏性不可壓縮流體的假設(shè)，連續(xù)性方程和納維—斯托克斯(N—S方程)[21]分別為：

式中：v—速度，m/s；p—壓強，Pa；μ—運動黏度系數(shù)，m2/s。

RNGk-ε模型和標準k-ε模型是養(yǎng)殖池水動力研究中常用的兩種湍流模型。RNGk-ε模型對標準k-ε模型進行了改進，與標準k-ε模型相比，RNGk-ε模型可以更好地處理高應變率及流線彎曲程度較大的流動[22]。因此，本研究湍流模型選用RNGk-ε模型，固體壁面采用標準壁面函數(shù)，壓力速度耦合方式采用SIMPLE的方法，湍流動能采用一階迎風離散模式。

RNGk-ε模型的輸運方程如下：

(3)

(4)

式中：μt—湍流黏度；Gk—平均速度梯度引起的湍動能k產(chǎn)生項；αk、αε—分別為湍動能k和耗散率ε的反向有效普朗特數(shù)。相關(guān)參數(shù)取值如下：αk=αε=1.39；C1ε=1.42；C2ε=1.68。

1.2 水動力特征分析

通過改變?nèi)肟诘臎_力Fi，可以優(yōu)化池內(nèi)的速度和流場分布。沖力Fi可計算為：

Fi=ρQ(vin-vavg)

(5)

式中：ρ—水的密度，kg/m3；Q—進水流量，m3/s；vin—進水速度，m/s；vavg—養(yǎng)殖池內(nèi)平均速度，m/s。

在湍流狀態(tài)下，養(yǎng)殖池中對水循環(huán)的總阻力Ft為：

(6)

式中：A—濕周，即與水接觸的池壁面積，m2。

假設(shè)養(yǎng)殖系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行條件下，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[23]定義了養(yǎng)殖池內(nèi)阻力系數(shù)Ct：

(7)

為研究雙通道排水系統(tǒng)對養(yǎng)殖池內(nèi)流場均勻性的影響，以判別參數(shù)UC50作為參考：

(8)

式中：UC50—養(yǎng)殖池均勻系數(shù)；vL50—養(yǎng)殖池中50%較低速度容積的速度均值，m/s；vH50—50%較高速度容積的速度均值，m/s。

UC50越接近1代表低流速區(qū)的平均值與高流速區(qū)的平均值越接近，養(yǎng)殖池內(nèi)的整體流場均勻性越好。截取養(yǎng)殖池上、中、下三個不同的截面z=0.17 m，z=0.10 m，z=0.03 m(截面距池底距離記為z)，每個截面設(shè)置32個測點，測點間距為10 cm，96個測點的監(jiān)測速度用于計算UC50，如圖1所示。

圖1 測點分布示意圖

2 模型建立

2.1 模型驗證

為驗證數(shù)值模型建立的正確性和模擬結(jié)果的精度，與Davidson等[24]研究的 Cornell-type雙通道養(yǎng)殖池結(jié)構(gòu)試驗結(jié)果進行了比較。驗證模型設(shè)計參數(shù)：圓形養(yǎng)殖池直徑3.66 m，水深0.91 m，底部出流口直徑0.05 m，溢流口直徑0.15 m，進水口直徑0.042 m。如圖2所示，邊壁設(shè)6個進水口，從上到下前4個進水口設(shè)向左45°彎頭，第5個進水口設(shè)向下45°彎頭，第6個(最下側(cè))進水口不設(shè)置彎頭。

圖2 Cornell-type 雙通道養(yǎng)殖池模型

參照Davidson等[24]設(shè)置一個通過池中心的縱切面，在不同深度(5個橫截面距池底分別為0.06、0.212、0.364、0.516、0.668 m)進行速度監(jiān)測，將不同深度相同位置監(jiān)測值取平均值作為養(yǎng)殖池內(nèi)相應徑向位置速度的代表值。數(shù)值計算與試驗結(jié)果對比見圖3。

圖3 流速對比圖

試驗結(jié)果與模擬結(jié)果對比，絕大多數(shù)監(jiān)測點的相對誤差在10%以內(nèi)，數(shù)值模擬計算結(jié)果總體與試驗結(jié)果吻合較好，主要監(jiān)測位置數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果比較接近。驗證結(jié)果證明了本研究建立的數(shù)值模型合理，精度基本滿足要求，可用于養(yǎng)殖池水動力特性的研究。

2.2 模型參數(shù)

以矩形圓弧角養(yǎng)殖池為研究對象，分別對單、雙管進水系統(tǒng)和單、雙通道排水系統(tǒng)組合工況進行對比分析。模型的長(L)×寬(B)為1 m×1 m，圓弧角半徑(R)為0.25 m，水深(H)為0.2 m。進水管設(shè)置在養(yǎng)殖池直邊壁的中間且沿池壁垂直布設(shè)，其直徑為0.02 m，進水孔距池壁距離(C)為0.01 m(進徑比C/B為0.01)，進水系統(tǒng)沿切向入流(射流方向與養(yǎng)殖池壁成0°夾角)。在單管進水系統(tǒng)中，進水管自上而下均勻開18個孔；而在雙管進水系統(tǒng)中，每個進水管自上而下均勻開9個孔。進水管孔徑均為0.004 m，進水系統(tǒng)射流速度恒定為1 m/s。池底部中心排污口為底部排污通道，其內(nèi)徑為0.02 m。中心立管為池中心溢流排污通道，其內(nèi)徑為0.02 m，中心立管管壁四周均勻開48個溢流口，溢流口設(shè)置為6排(每排均勻開8個孔)，最底部溢流口距離池底0.065 m，垂直孔間距為0.014 m，孔徑為0.002 m(圖4)。

圖4 模型示意圖

以四面體網(wǎng)格對養(yǎng)殖池系統(tǒng)模型進行劃分，在進水孔、排水口位置進行加密處理(圖5)。數(shù)值模擬計算基于計算流體力學技術(shù)中Fluent模塊(穩(wěn)態(tài)計算，迭代次數(shù)為12 000)，入口邊界設(shè)置為速度入口，進口速度設(shè)置為1 m/s，流速均勻分布；出口邊界設(shè)置為自由出流；養(yǎng)殖池池底和池壁均為固體壁面；水表面按自由面處理，壓力值為標準大氣壓。

圖5 網(wǎng)格劃分示意圖

3 結(jié)果與討論

3.1 雙通道排水系統(tǒng)對單管入流的養(yǎng)殖池內(nèi)流場特性的影響

分別對單通道和雙通道單管入流的養(yǎng)殖池進行數(shù)值模擬計算，并對不同底流分流比的雙通道養(yǎng)殖池和單通道養(yǎng)殖池模擬結(jié)果進行對比分析(表1)。對于單進水管養(yǎng)殖池，雙通道排水系統(tǒng)有效改善了流場特性。其中，平均速度平均增長約7%，阻力系數(shù)平均降低約13%，均勻系數(shù)UC50平均大幅提高約23%，而雙通道養(yǎng)殖池的底流分流比對于流場特性影響較小。

表1 單進水管養(yǎng)殖池內(nèi)流場特性

底部單通道排水系統(tǒng)養(yǎng)殖池在水流循環(huán)流動的過程中在池中心產(chǎn)生一個渦旋伴隨能量耗散，導致池中心存在大面積的低流速區(qū)，養(yǎng)殖池四角也會由于水流轉(zhuǎn)向與池壁發(fā)生碰撞，造成能量損失而出現(xiàn)低流速區(qū)，在這兩個因素的共同作用下，養(yǎng)殖池整體流速較低，阻力系數(shù)較高，流場均勻性較差(圖6a為單通道)。而雙通道排水系統(tǒng)養(yǎng)殖池由于中心立管的存在，循環(huán)流動水體與中心立管產(chǎn)生圓柱繞流現(xiàn)象，因而減小了養(yǎng)殖池中心的渦旋強度，池中心低流速區(qū)域大幅度減少。即使底流分流比為100%(即養(yǎng)殖池中排水量完全經(jīng)由底部出水口流出，中心立管上的溢流口出水比為0%)，池內(nèi)流場特性相較于單通道養(yǎng)殖池同樣得到了有效改善(圖6e為雙通道，底流分流比為100%)。當溢流口有流量排出時，為保證溢流，在中心立管中產(chǎn)生了強渦旋和高速水流，致使養(yǎng)殖池中心水流的流速因受到溢流口的出流效應的影響而增大，養(yǎng)殖池四角區(qū)域也由于出流效應而加速了循環(huán)流動，減小了低流速區(qū)域面積，進而提高了養(yǎng)殖池平均速度，降低了阻力系數(shù)，有效改善了流場均勻性(圖6b～d為雙通道，底流分流比分別為0%、20%、50%)。

圖6 單進水管養(yǎng)殖池速度分布云圖和速度矢量圖

3.2 雙通道排水系統(tǒng)對雙管入流的養(yǎng)殖池內(nèi)流場特性的影響

分別對單通道和雙通道雙管入流的養(yǎng)殖池進行數(shù)值模擬計算，并對不同底流分流比的雙通道養(yǎng)殖池和單通道養(yǎng)殖池的流場特性進行對比分析(表2)。對于雙管入流的養(yǎng)殖池，平均速度相較于單管入流的養(yǎng)殖池略低，但流場均勻性整體較好。雙通道排水系統(tǒng)相對于單通道養(yǎng)殖池，養(yǎng)殖池內(nèi)流場特性也得到了有效改善，但不如單管入流的養(yǎng)殖池流場性能改善效果明顯。其中，平均速度平均增長約8%，阻力系數(shù)平均降低約14%，均勻系數(shù)UC50平均增長約7%，而雙通道養(yǎng)殖池的底流分流比對于流場特性的影響同樣較小。

表2 雙進水管養(yǎng)殖池內(nèi)流場特性

圖7所示，在總進水流量不變的情況下，雙管入流使得養(yǎng)殖池總能量一分為二，入口處高流速區(qū)明顯減少，這是導致雙進水管養(yǎng)殖池的平均速度比單進水管養(yǎng)殖池略低的主要原因。但雙進水管養(yǎng)殖池由于其規(guī)則的對稱結(jié)構(gòu)，能量接力輸送更好地帶動了養(yǎng)殖池內(nèi)水體的循環(huán)流動，池內(nèi)水體質(zhì)點運動較為穩(wěn)定，因而養(yǎng)殖池內(nèi)流場特性優(yōu)于單管入流的養(yǎng)殖池。而雙通道排水系統(tǒng)的優(yōu)勢在雙進水管養(yǎng)殖池中也同樣得到了體現(xiàn)，中心立管起到了減小養(yǎng)殖池中心渦旋強度的作用，而且溢流也使池內(nèi)水體因受到溢流口出流效應的影響而流速增大，有效地減少了養(yǎng)殖池內(nèi)的低流速區(qū)，提高了池內(nèi)的平均速度，改善了流場均勻性(圖7a為單通道，其余為雙通道，底流分流比分別為0%、20%、50%、100%)。

圖7 雙進水管養(yǎng)殖池速度分布云圖和速度矢量圖

4 結(jié)論

雙進水管養(yǎng)殖池的平均速度相較于單進水管養(yǎng)殖池略低，但由于其對稱的進水結(jié)構(gòu)接力驅(qū)動水體循環(huán)，流場均勻性優(yōu)于單進水管養(yǎng)殖池，均勻系數(shù)提高約24%。無論是單管入流還是雙管入流，雙通道排水系統(tǒng)均有效改善了養(yǎng)殖池內(nèi)水動力條件，增強了水力混合特性。在單管入流條件下，雙通道養(yǎng)殖池的平均速度比單通道養(yǎng)殖池平均增長約7%，阻力系數(shù)平均降低約13%，均勻系數(shù)UC50平均大幅提高約23%。而在雙管入流的條件下，雙通道養(yǎng)殖池的平均速度比單通道養(yǎng)殖池平均增長約8%，阻力系數(shù)平均降低約14%，均勻系數(shù)UC50平均增長約7%。對矩形圓弧角養(yǎng)殖池內(nèi)的流場分析表明，雙通道養(yǎng)殖池的底流分流比對養(yǎng)殖池內(nèi)流場特性影響較小。基于固液兩相模型研究底流分流比對池內(nèi)固體廢棄物集排污性能的影響是下一步工作方向。