方形圓弧角養(yǎng)殖池射流間距對(duì)流場(chǎng)特性的影響

季 川，李 健，陳 釗，戰(zhàn)文斌

(1 中國(guó)海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，山東 青島，266003；2 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)院黃海水產(chǎn)研究所，山東 青島，266071)

工廠(chǎng)化循環(huán)水養(yǎng)殖是現(xiàn)代漁業(yè)的重要發(fā)展方向，是一種結(jié)合生物技術(shù)、工程技術(shù)以及控制儀表等方法為一體的健康養(yǎng)殖模式[1]。當(dāng)前，工廠(chǎng)化循環(huán)水養(yǎng)殖因其飼養(yǎng)密度高、投喂量大等原因，使得較多的養(yǎng)殖生物糞便、殘飼沉積池底，對(duì)養(yǎng)殖池內(nèi)部的生態(tài)環(huán)境造成較大污染[2]。及時(shí)清除殘飼、糞便，維持良好的養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)水質(zhì)條件成了當(dāng)前急需解決的首要問(wèn)題[3-4]。養(yǎng)殖池作為循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的重要組成部分，通過(guò)對(duì)養(yǎng)殖池內(nèi)的水動(dòng)力特性進(jìn)行研究，可以為工廠(chǎng)化循環(huán)水養(yǎng)殖池優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有力的技術(shù)保障[5-7]。進(jìn)水結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)對(duì)養(yǎng)殖池內(nèi)的流場(chǎng)特性影響較大[8-9]，部分研究人員運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)水結(jié)構(gòu)(射流位置、射流方向、射流孔面積、噴嘴形狀等方面)改善了養(yǎng)殖內(nèi)部的水力混合特性，優(yōu)化了水動(dòng)力條件，進(jìn)一步證明了CFD技術(shù)應(yīng)用于養(yǎng)殖池水動(dòng)力模擬方面的可行性[10-13]。

隨著數(shù)值模擬技術(shù)不斷步入成熟階段，其作用也日益凸顯[14]，CFD計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于集排污、流場(chǎng)特性、生物濾器等領(lǐng)域[15-16]。相比于物理模型試驗(yàn)，CFD技術(shù)不僅能夠較易地改變養(yǎng)殖池結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化養(yǎng)殖池系統(tǒng)[17]，而且可以更加細(xì)致地反映出養(yǎng)殖池內(nèi)的流場(chǎng)分布狀況，此項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)用在提高養(yǎng)殖技術(shù)水平、降低成本、提高效率方面意義重大。目前，工廠(chǎng)化循環(huán)水養(yǎng)殖池有多種形式，主要有圓形養(yǎng)殖池、矩形養(yǎng)殖池、八角形養(yǎng)殖池以及方形圓弧角養(yǎng)殖池等，而方形圓弧角養(yǎng)殖池以其較高的空間利用率和產(chǎn)出率，池內(nèi)的流場(chǎng)特征符合集污、排污性能要求，成為當(dāng)前使用較多的池型種類(lèi)[18]。

選取方形圓弧角養(yǎng)殖池作為研究對(duì)象，探討不同射流間距對(duì)流場(chǎng)特性的影響，為養(yǎng)殖池進(jìn)水結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供一定的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 模型的建立

以弧邊對(duì)側(cè)雙管道出流的養(yǎng)殖池作為研究對(duì)象，為了更加方便地與物理模型實(shí)體做相關(guān)參數(shù)的對(duì)比，數(shù)值模型參數(shù)基于現(xiàn)有循環(huán)水養(yǎng)殖池1∶6等比例縮小，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行部分參數(shù)優(yōu)化，各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

模型長(zhǎng)寬比1∶1分別為 1.2 m×1.2 m，深度0.6 m(徑深比為3∶1)[19-20]，圓弧角半徑與池體寬度之比為0.25，池底中心處有一排污口，排污口內(nèi)徑為0.04 m，入水管直徑為0.02 m。進(jìn)水系統(tǒng)為雙管射流系統(tǒng)，分別設(shè)置在養(yǎng)殖池對(duì)角處弧邊的中間位置，垂直并緊貼養(yǎng)殖池邊壁，射流角度為30°(射流角度為進(jìn)水管道中心處距離最短的弧面上的一點(diǎn)的切線(xiàn)與射流方向線(xiàn)的夾角)進(jìn)水系統(tǒng)的射流速度設(shè)定為0.3 m/s。規(guī)定hz為養(yǎng)殖池內(nèi)水面的高度(從養(yǎng)殖池直壁的最底部開(kāi)始計(jì)算，此時(shí)記為hz=0 m)。根據(jù)出水口的間距不同分為7組(間距長(zhǎng)度記為L(zhǎng))L=0、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06 m(規(guī)定L為水深0.4 m時(shí)且最下方出水口位置緊貼池壁底部時(shí)各個(gè)出水口之間的距離)。

1.2 數(shù)值求解方法

基于A(yíng)NSYS19.0平臺(tái)進(jìn)行仿真模擬，采用穩(wěn)態(tài)壓力基作為求解器，速度耦合方式為無(wú)壓力修正的SIMPLIC[23]，湍動(dòng)能采用一階迎風(fēng)離散格式進(jìn)行計(jì)算。RNGk-ε湍流模型因其具有適用性廣泛、計(jì)算精度合理，能夠更好地處理應(yīng)變率高及流線(xiàn)彎曲程度大的流動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)[24-25]，故本研究采用該模型，模型各項(xiàng)參數(shù)保持默認(rèn)(圖1)。表1給出數(shù)值計(jì)算模型的初始邊界條件。

圖1 養(yǎng)殖池模型及入射流間距示意圖

表1 初始邊界條件

1.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確程度有較大影響[21-22]。本研究以Meshing網(wǎng)格軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在進(jìn)水管以及射流入口處和排水口處進(jìn)行網(wǎng)格加密。為了方便數(shù)據(jù)交換，統(tǒng)一采用四面體網(wǎng)格劃分方法對(duì)模型進(jìn)行劃分，總計(jì)得到133 842節(jié)點(diǎn)數(shù)以及 712 493網(wǎng)格數(shù)，網(wǎng)格細(xì)化后(網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為298 960，網(wǎng)格數(shù)為1 617 558)計(jì)算結(jié)果無(wú)明顯變化。圖2為射流間距L=0.06 m、截取水面高度hz=0 m(即養(yǎng)殖池底部)的流場(chǎng)分布云圖。

圖2 網(wǎng)格數(shù)分別為712 493(A)和1 617 558(B)的速度分布云圖

1.4 水動(dòng)力學(xué)特征量

水動(dòng)力學(xué)特征量可以用來(lái)描述流場(chǎng)特性，以下為本研究所用到的特征量，計(jì)算公式如下：

Q=SV

(1)

式中：Q為每秒從管口流出的液體的體積，m3/s；S為射流口的橫截面積,m2；V為射流速度，m/s。

Fi=ρQ(Vin-Vavg)

(2)

式中：Fi為入口沖擊力[26]，N；ρ為海水的密度,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)的平均速度,m/s。

Ct=2Q(Vin-Vavg)/(A×Vavg2)

(3)

式中：Ct為養(yǎng)殖池內(nèi)的阻力系數(shù)[27]；A為濕周 (池底和側(cè)壁的表面積之和) ，m2。

U50=V50/Vavg×100

(4)

式中：U50為養(yǎng)殖池中循環(huán)速度較低的50%面積的平均值V50(m/s)與整個(gè)養(yǎng)殖池的平均速度Vavg(m/s)的比值[28]。

ηe=km1Vavg2/m2Vin2

(5)

式中：ηe為能量有效利用系數(shù)[29]；m1為養(yǎng)殖池水體循環(huán)總質(zhì)量(kg)，m2為射流口提供的水體總質(zhì)量(kg)，k為常數(shù)是根據(jù)池型結(jié)構(gòu)設(shè)定的可變參數(shù)。本研究數(shù)值模擬假設(shè)m1=m2，方形圓弧角養(yǎng)殖池k=90。

2 結(jié)果

2.1 數(shù)值模型的驗(yàn)證

數(shù)值模型的驗(yàn)證模型為單通道方形圓弧角養(yǎng)殖池，該驗(yàn)證模型的各項(xiàng)參數(shù)與數(shù)值模擬模型各項(xiàng)參數(shù)相同。利用聲學(xué)多普勒流速儀(ADV)監(jiān)測(cè)在入射流間距L=0.06 m，距離池底高度hz= 0.20 m所在橫截面與過(guò)池中心且與射流方向平行的一條直線(xiàn)上每隔0.1 m測(cè)量流速共計(jì)13個(gè)測(cè)量點(diǎn)，物理模型實(shí)體圖如圖3所示。

圖3 物理模型實(shí)體圖

物理模型試驗(yàn)對(duì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)持續(xù)測(cè)量1 min，每0.01 s讀數(shù)一次，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)共測(cè)量6 000次后取平均值。數(shù)值模擬試驗(yàn)設(shè)置同一位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)在監(jiān)測(cè)流場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后取監(jiān)測(cè)速度的平均值。

圖4給出數(shù)值模擬計(jì)算與物理模型試驗(yàn)對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的速度對(duì)比圖。

圖4 模擬數(shù)據(jù)與測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比圖

由圖4可以看出，模擬數(shù)據(jù)與測(cè)量數(shù)據(jù)整體變化趨勢(shì)相同且吻合性較好，兩組數(shù)據(jù)的均方根誤差相差8.785 1%，相對(duì)誤差較小，故該模型設(shè)計(jì)合理且精度滿(mǎn)足要求，可以用于圓弧角養(yǎng)殖池的數(shù)值模擬的研究。

2.2 入射流間距對(duì)養(yǎng)殖池水動(dòng)力特征量的影響

養(yǎng)殖池不同深度處水動(dòng)力特征量參數(shù)統(tǒng)計(jì)圖如圖5所示。

圖5 不同養(yǎng)殖池深度處水動(dòng)力特征量參數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

隨著射流間距從0～0.05 m逐步增大，養(yǎng)殖池內(nèi)的能量有效利用系數(shù)也逐步增大，每增加0.01 m能量有效利用系數(shù)以0 m處的0.736為基準(zhǔn)分別提高了7.23%、0.65%、2.64%、5.46%、1.81%，在射流口間距0.05 m處時(shí)達(dá)到最大值0.875 1。當(dāng)射流間距繼續(xù)增大至0.06 m時(shí)，能量有效利用系數(shù)降為0.865 7，降低了0.75%。同樣，速度分布均勻系數(shù)DU50從間距0～0.06 m也是先增大后減小，在射流間距為0.05 m時(shí)出現(xiàn)了最大值0.684 6。速度均勻系數(shù)表示的是養(yǎng)殖池內(nèi)水流速度的均勻程度，通過(guò)圖上數(shù)據(jù)可以看出，在射流間距為0.04 m、0.05 m、0.06 m時(shí)養(yǎng)殖池內(nèi)的流速較為均勻。養(yǎng)殖池阻力系數(shù)與能量有效利用系數(shù)以及速度分布均勻系數(shù)趨勢(shì)相反，養(yǎng)殖池的阻力系數(shù)從間距0～0.05 m呈現(xiàn)緩慢的單調(diào)遞減趨勢(shì)，而后于0.06 m處時(shí)稍有升高，在射流間距0.05 m時(shí)最低。

2.3 入射流間距對(duì)養(yǎng)殖池流速大小的影響

養(yǎng)殖池的流場(chǎng)分布特征對(duì)養(yǎng)殖池內(nèi)(尤其是養(yǎng)殖池底部)固體顆粒物(殘飼、糞便等)遷移有著重要的影響。良好的養(yǎng)殖池流場(chǎng)不僅要求有著較高的養(yǎng)殖池平均流速，且養(yǎng)殖池底流速越高，低流速區(qū)速度值越大，速度分布均勻性越好，就能夠使養(yǎng)殖池更好地發(fā)揮其自?xún)糇饔?。由?可以看出，當(dāng)入射流間距在0 m、0.01 m時(shí)，此時(shí)射流口都聚集在水體下部，池內(nèi)擁有較高的底層速度(V1)，但同時(shí)因其養(yǎng)殖池阻力系數(shù)較大，故這兩種入射流間距下的養(yǎng)殖池平均流速Vavg以及循環(huán)速度較低的50%面積的平均速度V50都比較小。與這兩種射流間距結(jié)果相反，當(dāng)入射流間距在0.04～0.06 m時(shí)，由于射流口在養(yǎng)殖池內(nèi)上下分布間距較大，入射流與池底的摩擦阻力以及射流間的撞擊損耗相對(duì)較小，養(yǎng)殖池的整體流速較高，池內(nèi)流速分布也比較均勻。而當(dāng)射流間距位于中間部分，即間距0.02 m、0.03 m時(shí)雖然射流位置靠近水池底部，但此時(shí)入射流之間距離仍然較近，射流對(duì)養(yǎng)殖池底部流速的升高值低于射流間碰撞帶來(lái)的流速降低值，故在這兩種射流間距下出現(xiàn)了底層平均流速最低的情況，且這兩種布置方式下的養(yǎng)殖池平均速度以及循環(huán)速度較低的50%面積的速度也都處于較低水平。結(jié)合圖4結(jié)論可以初步得出：在入射流間距0.04 m、0.05 m、0.06 m時(shí)能夠獲得較好的養(yǎng)殖池流場(chǎng)分布狀態(tài)以及較高的養(yǎng)殖池排污效率。

表2 養(yǎng)殖池系統(tǒng)(不同入射流間距)流速統(tǒng)計(jì)表

2.4 入射流間距對(duì)養(yǎng)殖池流場(chǎng)分布的影響

為了找出射流間距在0.04 m、0.05 m、0.06 m時(shí)的最佳方案，通過(guò)其速度云圖進(jìn)行進(jìn)一步分析。不同入射流間距在0.04 m、0.05 m、0.06 m時(shí)的速度分布云圖如圖6所示，從左至右分別表示的是養(yǎng)殖池從底部到表層的流場(chǎng)圖。從圖6可以看出，當(dāng)L=0.04 m時(shí)，由于此時(shí)的射流位置偏下，養(yǎng)殖池的底部流場(chǎng)(hz=0 m，hz=0.1 m)的循環(huán)速度較高，速度變化梯度較為明顯，此時(shí)污物在底部的向心趨勢(shì)更加顯著，而在L=0.05，L=0.06時(shí)，底部流場(chǎng)的低流速區(qū)域加大，流速降低，并且隨著射流間距的加大，這種變化趨勢(shì)更加明顯。養(yǎng)殖池的中部流場(chǎng)(hz=0.2 m)在L=0.05 m處時(shí)流場(chǎng)分布最佳，不僅在養(yǎng)殖池中心處低流速區(qū)域更小，且在養(yǎng)殖池四周弧壁處也不存在明顯的低流速區(qū)，這就避免了養(yǎng)殖池內(nèi)的污物在弧壁處聚集沉淀。中上層流場(chǎng)(hz=0.3 m)則是隨著入射流間距的增加不僅在射流速度方面出現(xiàn)了較大的增長(zhǎng)，且低流速區(qū)無(wú)論是在面積上還是在分布上都有利于中上層的固體顆粒物向中心聚集，因此在中層流場(chǎng)中L=0.06 m是優(yōu)選布置，但是當(dāng)hz=0.4 m時(shí)，入射流間距在0.05 m處流場(chǎng)的分布狀況最優(yōu)，原因是當(dāng)射流間距在0.06 m時(shí)，最上部分的射流口較為接近水面，最上方的射流射出后并沒(méi)有完全做功于養(yǎng)殖池內(nèi)的水體，表層水的較大波動(dòng)損耗了射流的一部分能量，使得其表層流場(chǎng)的低流速區(qū)反而增大。通過(guò)3種不同射流間距的速度分布云圖我們可以發(fā)現(xiàn)，L=0.04 m時(shí)的下層流場(chǎng)分布較為合理，有利于污物的集中與排出，L=0.05 m則是中層流場(chǎng)，L=0.06是中上層流場(chǎng)更為符合要求。養(yǎng)殖池的集排污效率不僅受養(yǎng)殖池內(nèi)的整體流速影響，底流流場(chǎng)的分布對(duì)其影響更加顯著，但與間距0.05 m相比，當(dāng)間距在0.04 m時(shí)的養(yǎng)殖池整體流速較低，且速度分布的均勻程度也較差。所以，結(jié)合不同深度不同射流間距的速度云圖的分析可以得出，在L=0.05 m處時(shí)不僅可以獲得較好的養(yǎng)殖池底部流場(chǎng)，且養(yǎng)殖池內(nèi)的整體水流循環(huán)分布都更加合理，有利于提高養(yǎng)殖池的自?xún)裟芰Α?/p>

圖6 不同入射流間距在養(yǎng)殖池內(nèi)不同深度處的速度分布云圖

3 討論

3.1 養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)能量分布情況

養(yǎng)殖池內(nèi)的能量是由入射流提供，進(jìn)入系統(tǒng)的能量主要用于克服養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)的阻力損耗和流體質(zhì)點(diǎn)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、碰撞造成的能量損失，從而維持養(yǎng)殖池內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)[32]。養(yǎng)殖池的阻力消耗包括摩擦消耗(養(yǎng)殖池側(cè)壁和底壁)，池壁的撞擊消耗兩部分。

3.2 射流間距對(duì)流場(chǎng)對(duì)流場(chǎng)特性影響分析

當(dāng)入射流間距較小時(shí)(間距在0～0.03 m),射流口聚集于養(yǎng)殖池的底部，射流射出后，大量的入射流與池底發(fā)生碰撞、摩擦，造成了較大的阻力損耗。此外，由于射流口距離較近，射流射出后互相撞擊，也消耗了一部分系統(tǒng)能量。雖然在此射流間距下有著較大的底層速度，但根據(jù)Despers等人[33]的研究表明，過(guò)大的底層速度容易導(dǎo)致強(qiáng)烈的中心旋渦的產(chǎn)生，易破壞池底二次流的形態(tài)，從而導(dǎo)致顆粒物重新懸浮，不利于污物向池底處匯聚。射流間距在此范圍時(shí)呈現(xiàn)整體流速較低，中上層流速較低，速度上下層分布差異較大的狀態(tài)，養(yǎng)殖池的能量有效利用系數(shù)較低，不符合高效、低碳排污的要求[34]。

當(dāng)射流間距在0.04～0.06 m時(shí)，此時(shí)射流間距較大，射流對(duì)養(yǎng)殖池內(nèi)水流的推動(dòng)作用上下分布比較均勻，受養(yǎng)殖池池底的摩擦力的影響也較小，養(yǎng)殖池內(nèi)的整體流速較高，根據(jù)湛含輝[35]在二次流現(xiàn)象中得出的結(jié)果顯示，養(yǎng)殖池內(nèi)的水流推力接近理論牛頓公式(F=ma)，質(zhì)量較小的顆粒物因其所受離心力較小，因此與離心力方向相反的水流推力對(duì)顆粒物的搬移起到?jīng)Q定性的作用，故養(yǎng)殖池整體流速較高時(shí)，水流推動(dòng)作用也會(huì)隨之增大，對(duì)顆粒物的搬移效果也就越好。當(dāng)射流間距處0.04～0.06 m時(shí)，向心推力較大，有利于池內(nèi)污物的聚集。在入射流間距為0.05 m時(shí)，養(yǎng)殖池內(nèi)的流場(chǎng)分布情況最佳，在與射流相反方向的相鄰圓弧角不易出現(xiàn)低流速區(qū)及小旋渦區(qū)。養(yǎng)殖池整體流場(chǎng)分布更加均勻，速度向心變化梯度更大，低流速區(qū)向排污中心聚集，有利于固體殘餌、糞便向中心處聚集。因此，在此射流區(qū)間內(nèi)，射流間距0.05 m是優(yōu)選參數(shù)。

4 結(jié)論

模型驗(yàn)證結(jié)果顯示，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高，證明了該實(shí)驗(yàn)數(shù)值模型的合理性以及精確性，可用于方形圓弧角養(yǎng)殖池的水動(dòng)力特性研究。本研究選取7組入射流間距進(jìn)行流場(chǎng)特性研究，結(jié)果顯示：當(dāng)進(jìn)水流量及射流速度恒定，入射流間距在0～0.03 m時(shí)，養(yǎng)殖池阻力消耗較大，循環(huán)速度較低。當(dāng)入射流間距在0.04～0.06 m區(qū)間時(shí)，養(yǎng)殖池系統(tǒng)的阻力較小，池內(nèi)的平均流速較高，并在射流間距為0.05 m時(shí)，養(yǎng)殖池的集排污效果最好，各項(xiàng)水動(dòng)力條件最符合循環(huán)水工廠(chǎng)化養(yǎng)殖池系統(tǒng)的構(gòu)建和養(yǎng)殖生物的綜合需求。故在雙管射流模式下，射流位置位于圓弧角，且射流角度為30° 時(shí)的方形圓弧角養(yǎng)殖選擇射流間距為0.05 m是兼具效率和成本的方案。本研究成果有利于養(yǎng)殖池水動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，對(duì)工廠(chǎng)化養(yǎng)殖池節(jié)能減排有著重要的意義。由于本研究中未考慮不同養(yǎng)殖池的大小、不同材料池壁和池底的粗糙程度、殘留糞便、飼料顆粒物的大小以及養(yǎng)殖生物對(duì)池內(nèi)的流場(chǎng)的影響，故在上述不同條件下養(yǎng)殖池的流場(chǎng)特性和聚污效果仍需進(jìn)一步的研究。

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