基于CFD的進(jìn)水管布設(shè)位置對(duì)沉降式固體顆粒排污影響的數(shù)值模擬

薛博茹，李永鋒，胡藝萱1，，任效忠，趙云鵬，畢春偉

(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；3.大連海洋大學(xué) 水產(chǎn)與生命學(xué)院，遼寧 大連 116023；4.大連海洋大學(xué) 海洋科技與環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116023；5.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

大力推進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖機(jī)械裝備的科技創(chuàng)新是中國加快水產(chǎn)養(yǎng)殖機(jī)械化發(fā)展的戰(zhàn)略布局，中國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部計(jì)劃到2025年水產(chǎn)養(yǎng)殖機(jī)械化總體水平將達(dá)到50%以上。工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖是水產(chǎn)養(yǎng)殖機(jī)械化的重要養(yǎng)殖模式與載體，契合“藍(lán)色糧倉”國家漁業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略[1-4]。工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖生產(chǎn)實(shí)踐中，投入餌料與產(chǎn)出固體廢棄物(包括殘餌和糞便)的比例約為10∶3，長期滯留于養(yǎng)殖池底部的殘餌和糞便等固體顆粒物極易發(fā)酵變質(zhì)進(jìn)而危害養(yǎng)殖生物健康[5]。Oca等[6]采用物理模型試驗(yàn)的方法，分析了進(jìn)水方式對(duì)養(yǎng)殖池系統(tǒng)流場的影響，發(fā)現(xiàn)水平切向進(jìn)水方式可有效減少低流速旋渦區(qū)，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖池內(nèi)更高、更均勻的流場條件，便于防止污泥沉降；Klebert等[7]運(yùn)用數(shù)值模擬對(duì)封閉式海水網(wǎng)箱內(nèi)顆粒擴(kuò)散和固體沖刷進(jìn)行了研究，得到了兩者與池內(nèi)流場的關(guān)系；馮德軍等[8]通過物理模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬的方法，分析了不同射流角度與射流流速工況下養(yǎng)殖池內(nèi)流場與污物聚集的特點(diǎn)，檢驗(yàn)了數(shù)值模擬結(jié)果的正確性與可行性。

目前，國內(nèi)外關(guān)于池內(nèi)水動(dòng)力特性對(duì)養(yǎng)殖池系統(tǒng)集排污性能影響的數(shù)值研究較少，且以構(gòu)建單一液相模型優(yōu)化池內(nèi)流場條件為主[9-13]，于林平等[5]運(yùn)用數(shù)值模擬研究了進(jìn)水管布設(shè)位置對(duì)單排污通道養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)水動(dòng)力特性的影響，發(fā)現(xiàn)進(jìn)水管布設(shè)于弧壁位置有利于單排污通道矩形圓弧角養(yǎng)殖池系統(tǒng)獲得較優(yōu)的流場條件。以于林平等[5]流場研究為基礎(chǔ)，本文中構(gòu)建固-液兩相流數(shù)值計(jì)算模型，基于FLUENT離散相模型(DPM)對(duì)弧壁單管和直壁單管兩種進(jìn)水管布設(shè)位置下，不同密度和粒徑的沉降式固體粒子的沉降規(guī)律和排出效率進(jìn)行數(shù)值分析，旨在為完善養(yǎng)殖系統(tǒng)進(jìn)水結(jié)構(gòu)布設(shè)位置的選擇提供理論依據(jù)，同時(shí)為提高養(yǎng)殖池系統(tǒng)的集排污性能設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)值模型

1.1 數(shù)值模型的理論與求解方法

本研究中主要通過調(diào)整養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)水管布設(shè)位置，分析基于水動(dòng)力條件優(yōu)化對(duì)沉降式固體顆粒物沉降規(guī)律和排出效率的影響。首先構(gòu)建固-液兩相流數(shù)值計(jì)算模型，將流體作為連續(xù)介質(zhì)，顆粒相作為離散相處理。養(yǎng)殖池內(nèi)的流動(dòng)以旋轉(zhuǎn)和沉降為主，RNG k-ε湍流模型通過修正湍動(dòng)黏度，尤其考慮了平均流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)流動(dòng)情況，具有廣泛的適用性和合理的計(jì)算精度，能更好地處理應(yīng)變率高及流線彎曲程度較大的流動(dòng)，更精準(zhǔn)地模擬養(yǎng)殖池內(nèi)的流場[14-15]。養(yǎng)殖池系統(tǒng)構(gòu)建的固-液兩相模型，液相是主體，與液相相比固相占比較小，顆粒物的體積分?jǐn)?shù)占比遠(yuǎn)小于10%，且各顆粒沿自身軌道運(yùn)動(dòng)，可忽略顆粒物之間的相互作用，故FLUENT離散相(DPM)模型是其較優(yōu)選擇[16-17]。因此，本研究中選用RNG k-ε 湍流模型與離散相DPM模型相結(jié)合構(gòu)建養(yǎng)殖池系統(tǒng)的固-液兩相流數(shù)值計(jì)算模型，分析顆粒物的運(yùn)動(dòng)軌跡與排出效率。其中固-液兩相流數(shù)值計(jì)算的假設(shè)如下：

1)養(yǎng)殖池系統(tǒng)保持恒溫，不考慮溫度影響；

2)養(yǎng)殖池內(nèi)無養(yǎng)殖生物；

3)養(yǎng)殖池系統(tǒng)流體有黏性但不可壓縮；

4)忽略顆粒物運(yùn)動(dòng)質(zhì)量損失，即假設(shè)顆粒間不存在碰撞的質(zhì)量損失及顆粒物的分解現(xiàn)象；

5)考慮薩夫曼升力和壓力梯度力。

1.2 數(shù)值求解方法

本研究中，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)仿真軟件FLUENT 16.0平臺(tái)和戴爾服務(wù)器，根據(jù)試驗(yàn)及實(shí)際情況對(duì)池內(nèi)流場即單一液相模型求解選擇穩(wěn)態(tài)(steady)控制方式；向池內(nèi)添加固體顆粒物后即固-液兩相流模式，對(duì)連續(xù)相模型(液相模型)求解仍然選取穩(wěn)態(tài)(steady)控制方式，為更真實(shí)模擬固體顆粒物沉降規(guī)律和運(yùn)行軌跡，針對(duì)固相模型考慮固-液雙向耦合(interaction with continuous phase)，并開啟非定常粒子追蹤(unsteady particle tracking)方式。連續(xù)相和離散相均采用壓力隱式求解方法，壓力速度耦合方式選用SIMPLE算法，壓力、動(dòng)量基于二階迎風(fēng)離散格式(second order upwind)求解，湍流動(dòng)能、湍動(dòng)能耗散率基于一階迎風(fēng)離散格式(first order upwind)求解。設(shè)定壓力和動(dòng)量的亞松弛因子分別為0.3和0.7，湍動(dòng)能與湍流耗散率的亞松弛因子為0.8，其他項(xiàng)保持常規(guī)設(shè)置[18]。對(duì)矩形圓弧角養(yǎng)殖池?cái)?shù)值模型的進(jìn)出口邊界、交界面處理和壁面邊界等條件進(jìn)行設(shè)定。連續(xù)相模型和離散相顆粒的具體初始邊界條件設(shè)置如表1所示。

表1 數(shù)值計(jì)算初始邊界條件

2 系統(tǒng)的幾何構(gòu)建與網(wǎng)格劃分

2.1 矩形圓弧角養(yǎng)殖池模型建模

本研究中數(shù)值模擬所構(gòu)建的矩形圓弧角養(yǎng)殖池模型參照工廠生產(chǎn)實(shí)踐中養(yǎng)殖池的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行約為1∶8的比尺縮放，并對(duì)部分參數(shù)優(yōu)化處理，模型各部分結(jié)構(gòu)如圖1所示(進(jìn)水管布設(shè)于直邊壁中間位置定義為直壁單管，進(jìn)水管布設(shè)于弧邊壁中間位置定義為弧壁單管)。其中，長寬比L/B=1∶1，相對(duì)弧寬比R/B=0.25，徑深比B/H=5∶1，進(jìn)徑比Carc/Barc(弧壁單管)或C/B(直壁單管,其中C為射流孔位置到養(yǎng)殖池壁的水平距離，B為養(yǎng)殖池短邊邊長)為0.01。在不影響研究效果的前提下，將建模進(jìn)行簡化處理，養(yǎng)殖池高即為水深，且進(jìn)水管與養(yǎng)殖池同高(均為200 mm)。流量恒定為0.470 m3/h，射流速度(v)為1 m/s，進(jìn)水管結(jié)構(gòu)在水深范圍內(nèi)均勻開12孔。

圖1 矩形圓弧角養(yǎng)殖池模型圖

2.2 網(wǎng)格劃分與網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

網(wǎng)格劃分的質(zhì)量和數(shù)量直接影響控制方程離散和數(shù)值模擬的精準(zhǔn)度及計(jì)算時(shí)間，因而計(jì)算網(wǎng)格的分辨率應(yīng)足夠高，以保證數(shù)值求解的精度[19-21]。本研究中對(duì)固-液兩相流模型進(jìn)行數(shù)值模擬，為在保障計(jì)算精度的同時(shí)，兼顧提高計(jì)算效率與節(jié)約計(jì)算資源，選擇多區(qū)域網(wǎng)格劃分(muitizone)方式對(duì)養(yǎng)殖池內(nèi)流場進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理。養(yǎng)殖池主體部分采用六面體網(wǎng)格劃分，進(jìn)出水口等部分以四面體網(wǎng)格加密處理，并選用偏斜度(skewness)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定。經(jīng)網(wǎng)格質(zhì)量檢測得出，大部分網(wǎng)格的偏斜度為0～0.38，最大偏斜度為0.89，平均偏斜度為0.117 7，網(wǎng)格偏斜度滿足要求，整體網(wǎng)格質(zhì)量較高。圖2給出了區(qū)域分解和網(wǎng)格劃分示意圖。

圖2 固-液兩相流模型和網(wǎng)格劃分示意圖

本研究中重點(diǎn)分析矩形圓弧角養(yǎng)殖池內(nèi)的流場分布規(guī)律對(duì)養(yǎng)殖池系統(tǒng)集排污機(jī)制的影響。通過對(duì)比相同工況條件下，在同一位置處的監(jiān)測流速變化，來評(píng)估網(wǎng)格尺寸對(duì)養(yǎng)殖池內(nèi)流速分布模擬精度的影響，以獲取用于數(shù)值計(jì)算的合理網(wǎng)格數(shù)量，其中，監(jiān)測線是以養(yǎng)殖池中間層水平坐標(biāo)為(0,-0.45)和(0,0.45)兩點(diǎn)為端點(diǎn)的連線，即距離池底高度hz=0.1 m且進(jìn)水管所在直線，每間隔0.05 m取一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，共取19個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。監(jiān)測線布設(shè)位置和不同尺寸網(wǎng)格的監(jiān)測速度結(jié)果如圖3所示。其中，網(wǎng)格數(shù)達(dá)到559 214(mesh-C)時(shí)，養(yǎng)殖池內(nèi)整體流速大小和各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)速度分布的數(shù)值模擬結(jié)果均趨于穩(wěn)定，且不再隨網(wǎng)格數(shù)繼續(xù)增加而發(fā)生明顯變化。因此，選取網(wǎng)格數(shù)約為560 000，以此對(duì)各個(gè)研究工況進(jìn)行數(shù)值分析。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果

3 數(shù)值模擬試驗(yàn)

3.1 物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬的參數(shù)設(shè)置

3.1.1 物理驗(yàn)證試驗(yàn) 基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)可有效模擬池內(nèi)流場特性，但數(shù)值模擬結(jié)果與湍流模型的選擇、邊界條件的設(shè)定，以及離散域的劃分和相關(guān)監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)置等因素直接相關(guān)。為進(jìn)一步驗(yàn)證本文所構(gòu)建固-液兩相流模型的合理性，建立與數(shù)值模型主體尺寸相同的物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如圖4所示，進(jìn)水結(jié)構(gòu)為對(duì)直雙管(每管均勻開6孔，雙管共12孔，流量恒定0.470 m3/h)，用常興鲆鰈魚類2#沉性飼料代替顆粒污染物(殘餌)，通過比較數(shù)值模擬與物理模型試驗(yàn)，對(duì)比同一時(shí)刻固體顆粒物的累計(jì)排出效率，驗(yàn)證固-液兩相流數(shù)值計(jì)算模型。

圖4 物理模型試驗(yàn)實(shí)體圖

物理模型試驗(yàn)過程：待養(yǎng)殖池內(nèi)水體穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后(約20 min)，向池內(nèi)均勻撒入20 g飼料，從撒入時(shí)開始計(jì)時(shí)并每10 s拍攝一張監(jiān)測照片，連續(xù)拍攝3 min并記錄3 min內(nèi)固體顆粒物累計(jì)排出情況。用Matlab軟件將試驗(yàn)過程中拍攝的照片調(diào)整尺寸及清晰度后進(jìn)行相應(yīng)的分析，程序可自動(dòng)識(shí)別出拍攝圖片中顆粒物的總像素面積，再依據(jù)公式(1)計(jì)算出各時(shí)刻固體顆粒物累計(jì)排出率，且同一工況進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，觀測數(shù)據(jù)合理性并取平均值。固體顆粒物累計(jì)排出率(K)計(jì)算公式為

K=(S-St)/S×100%。

(1)

其中：S為20 g顆粒物總像素面積(m2)；St為各時(shí)刻池內(nèi)剩余顆粒物像素面積(m2)。

本研究中，通過比較數(shù)值模擬與物理模型試驗(yàn)同一時(shí)刻的固體顆粒物累計(jì)排出效率，驗(yàn)證固-液兩相流數(shù)值計(jì)算模型。數(shù)值模擬是通過檢測池內(nèi)平均流速和殘差曲線，在池內(nèi)流場達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行后向養(yǎng)殖池系統(tǒng)注入與物理模型試驗(yàn)同參數(shù)的固體顆粒物。數(shù)值模擬過程中可直接監(jiān)測出水口處顆粒物排出數(shù)量，以此計(jì)算固體顆粒物累計(jì)排出率。固體顆粒的物理性質(zhì)：顆粒直徑為2.0 mm，密度為1 250 kg/m3，形狀系數(shù)φ=0.85(飼料為類圓柱體小顆粒)，通過換算與人工計(jì)數(shù)驗(yàn)證，得出20 g常興鲆鰈魚類2#沉性飼料約有900個(gè)小顆粒。

3.1.2 不同密度顆粒物排出率的參數(shù)設(shè)置 沉降于養(yǎng)殖池底部的固體顆粒物能否順利排出，與養(yǎng)殖池底部流場特性尤其是底層流場流速可否達(dá)到顆粒物的起動(dòng)速度密切相關(guān)。于林平等[5]和薛博茹等[19]以往的研究結(jié)果已表明，進(jìn)徑比參數(shù)為0.01時(shí)，弧壁單管養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)平均流速明顯高于直壁單管系統(tǒng)，且養(yǎng)殖池系統(tǒng)流場均勻性尤其是底部流場特性也優(yōu)于直壁單管系統(tǒng)。為進(jìn)一步探索基于進(jìn)水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化改善養(yǎng)殖池內(nèi)尤其是池底流場條件，進(jìn)而對(duì)促進(jìn)矩形圓弧角養(yǎng)殖池系統(tǒng)的集排污性能的作用，本研究中選擇5種密度分別為1 100、1 200、1 300、1 400、1 500 kg/m3的沉性飼料開展流場特性對(duì)不同特性飼料排污性能影響的數(shù)值模擬研究，顆粒在數(shù)值模型中的注入方式是在養(yǎng)殖池水面(hz=0.2 m)，以池心為圓心、0.45 m為半徑的圓形范圍內(nèi)均勻撒布900個(gè)固體顆粒，養(yǎng)殖池內(nèi)固相顆粒物撒布分布和前180 s沉降匯聚過程軌跡如圖5所示。

圖5 數(shù)值模擬顆粒物撒布圖

此部分研究中涉及速度分布均勻性和顆粒沉降速度等的公式總結(jié)如下：

根據(jù)Masaló等[22]所定義的DU50參數(shù)分析養(yǎng)殖池流場速度均勻性，計(jì)算公式為

DU50=v50/vavg×100%。

(2)

其中:v50為養(yǎng)殖池中50%的較低速度的平均值(m/s)；vavg為養(yǎng)殖池中的平均速度(m/s)，該速度可以通過半徑加權(quán)計(jì)算獲得，即

vavg=∑viri/∑ri。

(3)

式中:vi為每個(gè)測量點(diǎn)的速度(m/s)；ri為測量點(diǎn)相對(duì)于養(yǎng)殖池中心的距離(m)。

顆粒沉降速度(vs，m/s)計(jì)算公式為

vs=H/ts

(4)

其中:H為養(yǎng)殖池水深(m)；ts為顆粒沉降至養(yǎng)殖池底部所需時(shí)間(s)。

3.1.3 不同粒徑顆粒物排出率的參數(shù)設(shè)置 為探究矩形圓弧角養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)水管布設(shè)位置對(duì)不同粒徑的沉降式固體顆粒物排除效率的影響，選擇7種粒徑分別為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 mm的沉降式固體顆粒(顆粒物密度固定為1 300 kg/m3)，開展數(shù)值模擬研究。

3.2 模型驗(yàn)證結(jié)果

圖6給出了不同時(shí)刻的數(shù)值模擬結(jié)果與物理模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，結(jié)果顯示，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的固體顆粒物累計(jì)排出率趨勢高度一致，且各個(gè)監(jiān)測時(shí)刻累計(jì)排出率的誤差均在4%以內(nèi)。可見，本研究中所構(gòu)建的數(shù)值模型合理，可用于進(jìn)水管布設(shè)位置對(duì)沉降式固體顆粒物排出率影響的數(shù)值研究。

圖6 物理模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果的比較

3.3 兩種進(jìn)水管位置工況下不同密度顆粒物的排出規(guī)律

從表2可見，注入固體粒子前后，養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)的平均流速和養(yǎng)殖池底部速度分布均勻性變化較小，主要原因是顆粒物的體積分?jǐn)?shù)占比較小且處于分散分布狀態(tài)，該系統(tǒng)內(nèi)固-液兩相流的作用主要體現(xiàn)在流場對(duì)固體顆粒的推動(dòng)運(yùn)動(dòng)，而固體顆粒對(duì)流場的影響非常微弱。循環(huán)水養(yǎng)殖生產(chǎn)實(shí)踐中，養(yǎng)殖池內(nèi)殘餌糞便等固體廢棄物所占體積分?jǐn)?shù)較小，亦不會(huì)對(duì)連續(xù)相即流體產(chǎn)生影響，證明本研究中固-液兩相流模型符合循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律。與直壁單管養(yǎng)殖池系統(tǒng)相比，注粒后弧壁單管養(yǎng)殖池內(nèi)的平均流速提高14.29%，池底速度分布均勻性提高12.88%。同體積固體顆粒物的密度越大，受重力作用影響越明顯，因而沉降速度也越快。因此，在一定密度范圍內(nèi)，較大密度顆粒受水流拖拽力和重力的雙重疊加影響，能快速沉降并排出池外，直接表現(xiàn)在顆粒物撒布初期(10 s內(nèi))，密度較大的顆粒排出率略高。

表2 固-液兩相流模型特征量統(tǒng)計(jì)

圖7給出了兩種進(jìn)水管布設(shè)位置工況下，不同密度顆粒物隨時(shí)間的排出效率，其中，90 s時(shí)不同密度的固體顆粒物的排出率逐步趨于穩(wěn)定，而150 s后固體顆粒物的排出率基本保持不變，故圖8所給出的固體顆粒物的累計(jì)排出率以180 s時(shí)刻統(tǒng)計(jì)，此時(shí)的累計(jì)排出率基本代表了池內(nèi)固體顆粒物的最終排出情況。與直壁單管養(yǎng)殖池系統(tǒng)相比，弧壁單管養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)1 100、1 200、1 300、1 400、1 500 kg/m35種密度的固體顆粒物累計(jì)排出率分別提高27.67%、32.80%、36.46%、29.62%和16.43%，充分說明池內(nèi)的水動(dòng)力條件與養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)固體顆粒物的排出效率密切相關(guān)，這是由于水動(dòng)力條件是固體顆粒物運(yùn)動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力，進(jìn)水管布設(shè)于弧壁位置有利于改善養(yǎng)殖池系統(tǒng)的集排污性能。此外，固體顆粒物的累計(jì)排出率與本身的屬性密切相關(guān)。前10 s時(shí)間范圍內(nèi)，固體顆粒物的累計(jì)排出效率幾乎不受密度影響，甚至密度較高的顆粒物累計(jì)排出率略高(圖7)。

從圖8可見：弧壁單管養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)，固體顆粒物最終累計(jì)排出率隨顆粒密度的增大呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，密度為1 300 kg/m3的顆粒物最終累計(jì)排出率較密度為1 100、1 200 kg/m3的顆粒物提高16.47%、4.70%，而當(dāng)顆粒密度增加到1 400、1 500 kg/m3時(shí)，最終累計(jì)排出率較密度為1 300 kg/m3的顆粒物降低18.31%、40.16%；直壁單管養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)，顆粒物密度越大其最終排出率越低，密度為1 500 kg/m3的顆粒物最終累計(jì)排出率較密度為1 100 kg/m3的顆粒物降低22.09%。

3.4 兩種進(jìn)水管位置工況下不同粒徑顆粒物的排出規(guī)律

圖9給出了兩種進(jìn)水管布設(shè)位置工況下，不同粒徑顆粒物隨時(shí)間的排出效率，固體顆粒物撒布初期，由于粒徑較大的顆粒物受重力作用明顯，排出率略高于小粒徑顆粒物的累計(jì)排出率。

圖9 不同粒徑固體顆粒物排出率隨時(shí)間的變化

圖10給出了固體顆粒物的累計(jì)排出率(180 s)，與直壁單管養(yǎng)殖池系統(tǒng)相比，弧壁單管養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)粒徑為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 mm的固體顆粒物排出率分別提高37.32%、39.42%、40.73%、39.77%、41.27%、33.40%、36.32%，進(jìn)一步驗(yàn)證了池內(nèi)的水動(dòng)力條件與養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)固體顆粒物的排出效率密切相關(guān)。兩種進(jìn)水結(jié)構(gòu)養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)，固體顆粒物最終累計(jì)排出率隨顆粒粒徑的增大均呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢；弧壁單管養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)，與粒徑為3.0 mm的顆粒物相比，粒徑為1.0、4.0 mm的顆粒物最終累計(jì)排出率分別提高9.70%、12.09%；直壁單管養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)，固體顆粒物排出率隨粒徑的增加，變化趨勢和排出率上升與下降區(qū)間與弧壁單管養(yǎng)殖池相同，粒徑為1.0、4.0 mm的顆粒物最終累計(jì)排出率較粒徑為3.0 mm的顆粒物分別提高15.44%、12.90%。

圖10 不同粒徑固體顆粒物的累計(jì)排出率

4 討論

4.1 進(jìn)水管布設(shè)位置對(duì)不同密度顆粒物排出率的影響

養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)的固體顆粒物主要由殘餌和糞便組成，盡管其沉降和排出與自身屬性密切相關(guān)[23]，但流場對(duì)其影響更為顯著。本研究表明，弧壁單管養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)的平均速度較高且均勻性較好，其固體顆粒物累計(jì)排出率峰值出現(xiàn)在1 300 kg/m3，既優(yōu)于低密度顆粒物(1 100、1 200 kg/m3)，也優(yōu)于高密度顆粒物(1 400、1 500 kg/m3)。與弧壁單管養(yǎng)殖池系統(tǒng)相比，直壁單管養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)流場條件較差，固體顆粒密度從1 100 kg/m3增大到1 500 kg/m3過程中，其累計(jì)排出率呈現(xiàn)逐步降低的趨勢，即當(dāng)顆粒物密度為1 500 kg/m3時(shí)，其累計(jì)排出率最低。養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)的固體顆粒物受重力、升力、水流的拖曳力和與池底的摩擦力共同作用，其中重力和摩擦力是阻礙顆粒運(yùn)動(dòng)的力，升力和拖曳力是啟動(dòng)力。當(dāng)養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)(尤其池底)的流速分布均勻且水體驅(qū)動(dòng)力足夠帶動(dòng)固體顆粒物運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，密度較小顆粒物受到的水流升力和拖曳力較強(qiáng)，故顆粒物隨水流在出水口附近旋轉(zhuǎn)而不易排出；而當(dāng)顆粒物密度較大時(shí)，其受重力作用較強(qiáng)，顆粒物沉降到池底后，水體驅(qū)動(dòng)力不足，難以達(dá)到其啟動(dòng)速度，無法帶動(dòng)其向池心匯聚，故超過一定密度后固體顆粒物排出效率也下降。

4.2 進(jìn)水管布設(shè)位置對(duì)不同粒徑顆粒物排出率的影響

本研究中發(fā)現(xiàn)，隨粒徑的增加，兩種進(jìn)水管布設(shè)位置下的固體顆粒排出率均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，當(dāng)顆粒物粒徑較小(1.0、1.5 mm)和較大(3.5、4.0 mm)時(shí)，養(yǎng)殖池系統(tǒng)排污效果較好。這是由于較小粒徑顆粒(1.0、1.5 mm)受水流驅(qū)動(dòng)力作用較強(qiáng)，部分顆粒物進(jìn)行離心運(yùn)動(dòng)，但由于顆粒物質(zhì)量較小受重力影響較弱，基本不會(huì)產(chǎn)生沉積，故此時(shí)具有較好的排污效果。當(dāng)顆粒物粒徑增大(2.0、2.5、3.0 mm)時(shí)，水流流態(tài)所提供的驅(qū)動(dòng)力讓粒子無法完全做向心運(yùn)動(dòng)，此時(shí)部分固體顆粒呈現(xiàn)離心運(yùn)動(dòng)，且由于其受重力作用增強(qiáng)，發(fā)生離心運(yùn)動(dòng)的固體顆粒物在遠(yuǎn)離養(yǎng)殖池中心的池底發(fā)生沉積，所沉積的部分區(qū)域水動(dòng)力條件較差，驅(qū)動(dòng)力不足以帶動(dòng)顆粒向心匯聚，因此，養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)固體顆粒物的排出率下降。而大粒徑顆粒物(3.5、4.0 mm)受養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)水力驅(qū)動(dòng)力的影響最弱，因此，較低的運(yùn)動(dòng)速度使其離心運(yùn)動(dòng)程度減弱，甚至無法發(fā)生離心運(yùn)動(dòng)，故呈現(xiàn)隨水流逐漸向養(yǎng)殖池中心排污口匯聚與排出的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

5 結(jié)論

本研究中，基于RNG k-ε湍流模型與離散相DPM模型相結(jié)合建立固-液兩相流數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)單通道排污矩形圓弧角養(yǎng)殖池內(nèi)進(jìn)水管布設(shè)位置下沉降式固體顆粒物的排污性能進(jìn)行分析，在本文建立的養(yǎng)殖池系統(tǒng)與設(shè)計(jì)工況下得出以下結(jié)論：

1)通過與物理模型試驗(yàn)對(duì)比，證明本文所構(gòu)建的固-液兩相流模型合理、計(jì)算精度高，適用于循環(huán)水養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)固體顆粒物沉降規(guī)律和排污性能的研究。

2)單通道排污養(yǎng)殖池系統(tǒng)，進(jìn)徑比參數(shù)為0.01時(shí)，弧壁單管養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)同密度與同粒徑固體顆粒物的累計(jì)排出效率均高于直壁單管養(yǎng)殖池系統(tǒng)且差異明顯；同時(shí)，弧壁單管養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)流場條件優(yōu)于直壁單管養(yǎng)殖池系統(tǒng)，充分說明固體顆粒物的累計(jì)排出率與池內(nèi)流場特性密切相關(guān)，弧壁單管進(jìn)水結(jié)構(gòu)是優(yōu)選布設(shè)位置。

3)養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)固體顆粒物的累計(jì)排出效率與顆粒本身屬性密切相關(guān)，池內(nèi)流場分布均勻且池底流速可以達(dá)到顆粒物驅(qū)動(dòng)力時(shí)，受重力和水流共同影響，固體顆粒物的密度越大其累計(jì)排出效率越高；若池內(nèi)流場條件均勻性較差且驅(qū)動(dòng)力不足時(shí)，固體顆粒物密度越大其對(duì)應(yīng)的累計(jì)排出率越低。

4)數(shù)值模擬計(jì)算中，固體顆粒累計(jì)排出率隨粒徑增大呈現(xiàn)先減后增長的趨勢，不同粒徑顆粒物受流場驅(qū)動(dòng)力呈現(xiàn)不同程度的向心運(yùn)動(dòng)和離心運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，兩種主要運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的強(qiáng)弱變化形成了不同的排污性能。本研究中固體顆粒物粒徑為1.0、4.0 mm時(shí)，系統(tǒng)排污效果均較好。構(gòu)建養(yǎng)殖池系統(tǒng)時(shí)需綜合考慮養(yǎng)殖池內(nèi)部流態(tài)和主要污物的自身特性，優(yōu)化系統(tǒng)、改善流場均勻性并構(gòu)建與污染物特性匹配較好的水動(dòng)力條件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的良好的排污性能。