CFD技術(shù)在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)構(gòu)建中的研究現(xiàn)狀與展望

黃錚錚，史憲瑩，張 倩,，薛博茹,，任效忠

(1.大連海洋大學(xué)設(shè)施漁業(yè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023；2.大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

目前，養(yǎng)殖池水動(dòng)力特性的研究主要采用模型試驗(yàn)和基于CFD技術(shù)的數(shù)值模擬方法。2010年以前的研究以模型試驗(yàn)為主導(dǎo)技術(shù)手段，2010年以來的研究進(jìn)入模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬共同發(fā)展、互為補(bǔ)充的研究階段。

一、與實(shí)測法的對比

1.實(shí)測法的優(yōu)點(diǎn)與局限性

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中實(shí)測法通常采用聲學(xué)多普勒流速儀和激光粒子圖像測速(PIV)進(jìn)行養(yǎng)殖池系統(tǒng)速度場監(jiān)測，測得流速等流場數(shù)據(jù)進(jìn)而開展系統(tǒng)流場特性分析研究。對于較小規(guī)格的養(yǎng)殖池，可以直接進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測。對于較大規(guī)格養(yǎng)殖池通常以一定模型比尺縮放構(gòu)建養(yǎng)殖池的物理模型系統(tǒng)，讓池型、進(jìn)水結(jié)構(gòu)和出水結(jié)構(gòu)與原型養(yǎng)殖池滿足相似準(zhǔn)則，高效系統(tǒng)地開展實(shí)驗(yàn)室物理模型試驗(yàn)研究。

實(shí)測法具有較大的局限性限制了該技術(shù)的應(yīng)用空間。由于養(yǎng)殖池各處的流態(tài)具有差異性，監(jiān)測點(diǎn)必須足夠多才能較真實(shí)地展示各點(diǎn)流速和流態(tài)。此外，實(shí)測法測量周期長且測量點(diǎn)數(shù)有限，水體還會(huì)受到測量儀器的擾動(dòng)與外界信號干擾，獲取的流場信息不夠豐富。此外，物理模型雖然可以模擬較大規(guī)格養(yǎng)殖池的幾何、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)情況，但是只有在進(jìn)水速度較大、高雷諾數(shù)的情況時(shí)才能保證獲得相似的水力學(xué)特性。因此，物理模型具有局限性而且測量結(jié)果存在誤差。

2.數(shù)值模擬方法對實(shí)測法的補(bǔ)充

數(shù)值模擬是隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)與流體力學(xué)相結(jié)合而發(fā)展起來的一種流場模擬技術(shù)，數(shù)值模擬計(jì)算可以有效改善實(shí)測法遇到的問題?；诹黧w力學(xué)控制方程和數(shù)值計(jì)算方法理論，應(yīng)用ANSYS軟件包中的Fl uent等軟件或自行開發(fā)程序是數(shù)值模擬的主流研究方法。

CFD數(shù)值模擬技術(shù)能做到采用原型尺寸構(gòu)建計(jì)算模型。實(shí)驗(yàn)工況條件和幾何形態(tài)等容易調(diào)整設(shè)置，養(yǎng)殖池內(nèi)的各點(diǎn)流體速度、壓力等均可獲取，可以得到流場特性分析的大量信息。此外，模擬水中懸浮和溶解物質(zhì)的計(jì)算模型使水質(zhì)精準(zhǔn)預(yù)測與控制成為可能。數(shù)值模擬方法在操作實(shí)施上還有成本低、周期短、不需要大型試驗(yàn)場地等優(yōu)點(diǎn)，是一種十分經(jīng)濟(jì)便捷的方法。

二、國內(nèi)外研究進(jìn)展

1.國外研究進(jìn)展

2000年以來，國外許多關(guān)于養(yǎng)殖池內(nèi)流場特性的數(shù)值模擬研究逐漸興起。數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)相互驗(yàn)證、互為補(bǔ)充，共同促進(jìn)了養(yǎng)殖池系統(tǒng)水動(dòng)力特性的研究與應(yīng)用，為優(yōu)化養(yǎng)殖池結(jié)構(gòu)、提高養(yǎng)殖池自凈能力提供了理論支持。Leil a Behr oozi等(2020)使用軸對稱CFD模型成功地模擬了不含魚的1.5、5、9.15和10米圓形養(yǎng)殖池內(nèi)的湍流，驗(yàn)證了Davidson等(2019)關(guān)于圓形養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)水的切向速度大致與入口流量成正比、與給定幾何體的分流比無關(guān)的預(yù)測，獲得了有價(jià)值的邊界層信息。

二維CFD模型的構(gòu)建比三維模型更加簡單，具有靈活和成本低的特點(diǎn)。Rodrigo A.Labat ut a等(2015)采用CFD方法對混合跑道式養(yǎng)殖池進(jìn)行了二維數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)總體一致性達(dá)到83%，證明了二維數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。但養(yǎng)殖池內(nèi)流速在垂直方向存在梯度而并非均勻的，通過二維數(shù)值模擬也無法直接獲得養(yǎng)殖池池底流速。因此采用二維模型對養(yǎng)殖池流態(tài)進(jìn)行模擬具有一定的局限性。

2.國內(nèi)研究進(jìn)展

近年來，國內(nèi)將數(shù)值模擬方法應(yīng)用于養(yǎng)殖池研究逐漸增多。將CFD技術(shù)引入水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)，對養(yǎng)殖池池型、進(jìn)排水設(shè)置等進(jìn)行優(yōu)化。

劉乃碩等(2017)對Cor nel l和Wat erl ine兩種經(jīng)典雙通道圓形養(yǎng)殖池的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)仿真分析，獲得了兩種池型的流速分布規(guī)律，并對兩種養(yǎng)殖池進(jìn)行自清潔能力評價(jià)，得出在池底出水分流比小于10%時(shí)，Wat er l ine池池底自清潔能力、池子整體流場均勻性均優(yōu)于Cornel l池的結(jié)論；魏武(2013)結(jié)合Wat er l ine雙通道養(yǎng)殖池和Cor nel l雙通道養(yǎng)殖池的優(yōu)點(diǎn)，提出了出水口由底流排污管、池中心排水管、邊流排水管組成的三通道排水系統(tǒng)，并用數(shù)值模擬方法對其進(jìn)行仿真模擬，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該排水系統(tǒng)既能實(shí)現(xiàn)池底固體顆粒物的有效排出，又有利于池中水體充分混合。

柳瑤等(2017)建立了循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)八角形養(yǎng)殖池的三維數(shù)值模型，應(yīng)用DPM法獲得了顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡并模擬了顆粒物的去除率，模擬值與實(shí)測值的去除率平均相對誤差為11%，該研究為模擬養(yǎng)殖池內(nèi)顆粒的模擬提供了新方法。

三、總結(jié)與展望

我國在工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的構(gòu)建技術(shù)領(lǐng)域一直在穩(wěn)步提升，尤其是近年來CFD技術(shù)的應(yīng)用大大提高了設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)性，縮短了設(shè)計(jì)流程與成本。依托CFD技術(shù)構(gòu)建養(yǎng)殖池系統(tǒng)能夠很好地模擬養(yǎng)殖池內(nèi)的流態(tài)，加快了工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖池系統(tǒng)研究的步伐。目前，越來越多的研究采取數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法對養(yǎng)殖池內(nèi)水動(dòng)力特性進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究，但在一些科學(xué)問題方面仍有待深入。

1.模擬系統(tǒng)中養(yǎng)殖魚類對水動(dòng)力特性的影響

物理模型與實(shí)際工程測量研究表明，養(yǎng)殖池系統(tǒng)中魚的存在將會(huì)降低流場平均流速、增加湍流、提高水循環(huán)阻力并且會(huì)影響流速分布變化。但是對于魚群對池內(nèi)各點(diǎn)的具體水動(dòng)力特性影響機(jī)理并不明確。在數(shù)值模擬中增加魚群游泳行為特征將是嘗試解決這一問題的方法。同時(shí)，這種模型還可以模擬不同種類魚群與流場的相互影響，依據(jù)不同的魚群特征開展研究，為修建專用養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)備提供技術(shù)支持。

2.養(yǎng)殖池系統(tǒng)多相流模型的建立

養(yǎng)殖池內(nèi)殘餌、糞便等固體顆粒物排出情況和含氧量一直是養(yǎng)殖池優(yōu)化的重點(diǎn)，在以往的研究中，養(yǎng)殖池內(nèi)固體和氣體通常被忽略不計(jì)。目前，在養(yǎng)殖池水動(dòng)力特性的研究中建立固液氣三相三維模型的研究成果還非常少，建立固液氣三相三維數(shù)值計(jì)算模型綜合考慮養(yǎng)殖池系統(tǒng)固相、液相、氣相間的相互影響機(jī)制，預(yù)測不同養(yǎng)殖系統(tǒng)中氣體和固體的含量、分布和運(yùn)動(dòng)趨勢，進(jìn)而評估和優(yōu)化養(yǎng)殖池系統(tǒng)的含氧量和自凈能力。

3.養(yǎng)殖池系統(tǒng)中氨氮和溶氧等污染物及營業(yè)物質(zhì)的擴(kuò)散模擬

只有在低氨氮、高溶氧的良好水體環(huán)境中，養(yǎng)殖的魚才能健康、快速生長。通過數(shù)值模擬方法模擬水體中氨氮和溶氧的擴(kuò)散與累積，尋求提高系統(tǒng)內(nèi)氨氮和溶氧等污染物及營養(yǎng)物質(zhì)的分布均勻性，減少水體空間水質(zhì)微環(huán)境的差異性。優(yōu)化獲得能夠促進(jìn)魚類健康生長的流態(tài)和高溶氧供給，低氨氮的水體環(huán)境擴(kuò)散與循環(huán)，建立適宜的高密度養(yǎng)殖環(huán)境。