基于STAR-CCM+的圓形循環(huán)水養(yǎng)殖池進(jìn)水管布設(shè)位置優(yōu)化

胡佳俊，朱 放，姚 榕，桂福坤，劉 博，張澤坤，馮德軍

基于STAR-CCM+的圓形循環(huán)水養(yǎng)殖池進(jìn)水管布設(shè)位置優(yōu)化

胡佳俊1，朱 放2，姚 榕3，桂福坤1，劉 博3，張澤坤3，馮德軍1※

（1.浙江海洋大學(xué)國(guó)家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心，舟山 316022；2.浙江海洋大學(xué)船舶與海運(yùn)學(xué)院，舟山 316022； 3. 浙江海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，舟山 316022）

為探究圓形循環(huán)水養(yǎng)殖池進(jìn)水管布設(shè)位置對(duì)池內(nèi)的流場(chǎng)分布以及殘餌糞便等固體顆粒物排出的影響。該研究基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）技術(shù)，采用STAR-CCM+軟件系統(tǒng)地模擬進(jìn)水管在常見(jiàn)布設(shè)角度（0°、45°），不同布設(shè)位置（=0、1/8、1/4、3/8、1/2，為射流管與池壁的距離，為養(yǎng)殖池半徑）工況下，養(yǎng)殖池內(nèi)的流場(chǎng)分布特性和固體顆粒物的運(yùn)動(dòng)特性，并以固體顆粒物的排出率為主要性能指標(biāo)，對(duì)進(jìn)水管布設(shè)位置進(jìn)行優(yōu)化分析。監(jiān)測(cè)了距離池底2、16.5、31 cm（底層、中層、頂層）水層的流場(chǎng)分布特性并利用固-液-氣三相流模型詳細(xì)地模擬了固體顆粒物在養(yǎng)殖池內(nèi)的運(yùn)動(dòng)和匯集過(guò)程。結(jié)果表明：在水力停留時(shí)間為20 min下，進(jìn)水管設(shè)置位置明顯影響固體顆粒物的排出率，=0°時(shí)，當(dāng)布設(shè)距離設(shè)置為=0時(shí)，固體顆粒物的排出率最低，其余布設(shè)距離工況下，排出率均較高（＞90%）且相差不大，在=3/8時(shí)取得最大值95.0%；=45°時(shí)，當(dāng)布設(shè)距離設(shè)置為=1/2時(shí)，固體顆粒物的排出率最低，其余布設(shè)距離工況下，排出率均較高（＞90%）且相差不大，在=0時(shí)取得最大值94.3%。因此當(dāng)進(jìn)水管布設(shè)角度=0°時(shí)，建議不要貼近養(yǎng)殖池邊壁；當(dāng)進(jìn)水管布設(shè)角度=45°時(shí)，建議距離養(yǎng)殖池邊壁不要超過(guò)半徑的1/2。研究結(jié)果可為優(yōu)化工廠化圓形循環(huán)水養(yǎng)殖池的進(jìn)水管布設(shè)距離提供參考，提升循環(huán)水養(yǎng)殖的綜合性能。

養(yǎng)殖；顆粒物；固-液-氣三相流模型；排出率；圓形養(yǎng)殖池

0 引 言

工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖（Recirculatory Aquaculture System, RAS）是一種高效集約和環(huán)境友好型的現(xiàn)代化養(yǎng)殖模式，近年來(lái)在中國(guó)發(fā)展迅速。中國(guó)漁業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)表明，養(yǎng)殖產(chǎn)品與捕撈產(chǎn)品的產(chǎn)值比例為79.8：20.2，可見(jiàn)人工養(yǎng)殖已經(jīng)成為獲得海產(chǎn)品的主要方式[1]。循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的目標(biāo)是通過(guò)工程技術(shù)手段創(chuàng)造可控的養(yǎng)殖條件，提高魚(yú)類品質(zhì)，并最大限度地減少用水量。但是，養(yǎng)殖過(guò)程中需要投喂大量飼料，而其中未被食用的飼料和魚(yú)類產(chǎn)生的糞便等固體顆粒物很容易沉積在養(yǎng)殖池池底，若不及時(shí)排出養(yǎng)殖池則會(huì)分解產(chǎn)生有害物質(zhì)污染水體并消耗溶解氧，進(jìn)而影響魚(yú)類健康。因此，如何有效及時(shí)地將養(yǎng)殖池內(nèi)的殘餌糞便等固體顆粒物排出養(yǎng)殖池是循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的問(wèn)題[2]。

Davidson等[3]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析了康奈爾雙通道養(yǎng)殖池進(jìn)水結(jié)構(gòu)對(duì)水力混合性能與固體顆粒物運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響，研究表明適當(dāng)提高池壁、池底的流速更有利于固體廢棄物實(shí)現(xiàn)預(yù)期的去除效率。汪翔等[4]運(yùn)用稠密離散相模型對(duì)跑道式養(yǎng)殖池塘內(nèi)的流速以及不同直徑的懸浮固體顆粒進(jìn)行仿真模擬，明確了顆粒物在池塘內(nèi)的沉積分布特點(diǎn)。Joan等[5]測(cè)量了不同進(jìn)水方式下，矩形養(yǎng)殖池內(nèi)的流場(chǎng)分布，結(jié)果顯示水平切向進(jìn)水方式可以有效減少低流速漩渦區(qū)，獲得更高、更均勻的流場(chǎng)分布。于林平等[6]運(yùn)用數(shù)值模擬的方法研究了進(jìn)水管布設(shè)位置對(duì)單排污通道方形圓弧角養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)水動(dòng)力特性的影響，研究表明進(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(chǎng)條件。趙樂(lè)[7]通過(guò)物理模型試驗(yàn)研究了工廠化對(duì)蝦養(yǎng)殖池及魚(yú)類養(yǎng)殖池的集排污水力特性。綜上所述，已有的研究主要以研究循環(huán)水養(yǎng)殖池內(nèi)優(yōu)化水動(dòng)力特性為主，關(guān)于圓形養(yǎng)殖池固體顆粒物排出率的數(shù)值模擬研究較少，難以為圓形養(yǎng)殖池設(shè)計(jì)方式提供參考與依據(jù)。

該研究以工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖池圓形循環(huán)水養(yǎng)殖池為研究對(duì)象，基于STAR-CCM+仿真模擬軟件，采用Re-Normalization Group（簡(jiǎn)稱RNG）湍流模型、多相流模型建立固-液-氣三相流動(dòng)數(shù)值計(jì)算模型，探索在不同雙管多孔射流管布設(shè)位置下，圓形循環(huán)水養(yǎng)殖池內(nèi)的流場(chǎng)分布規(guī)律和沉降式固體顆粒的沉降規(guī)律和排出率，以期為完善養(yǎng)殖系統(tǒng)進(jìn)水結(jié)構(gòu)布設(shè)位置的選擇提供依據(jù)，也為提高養(yǎng)殖池系統(tǒng)的集排污性能設(shè)計(jì)提供參考。

1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

1.1 圓形養(yǎng)殖池模型

該文在STAR-CCM+軟件中構(gòu)建簡(jiǎn)化圓形養(yǎng)殖池系統(tǒng)模型，參照現(xiàn)有工廠化養(yǎng)殖池常用結(jié)構(gòu)，進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)進(jìn)行了一定尺度的縮小。模型各部分如圖1所示。養(yǎng)殖池半徑=50 cm，池壁高=50 cm，水深為40 cm，且進(jìn)水管與養(yǎng)殖池同高，底部圓形排污口半徑1=2.5 cm。該池兩只進(jìn)水管以池心為中心對(duì)稱，沿水深垂直方向布置，從下至上分別在進(jìn)水管2、16.5和31 cm處開(kāi)3個(gè)相同的射流孔，射流孔半徑2=0.3 cm。

1. 養(yǎng)殖池 2. 射流管 3. 射流孔 4. 排水口

1. Aquaculture tank 2. Inlet pipe 3. Jet hole 4. Outfall

注：為射流管與池壁的距離，cm；為進(jìn)水管設(shè)置角度，(°)；為養(yǎng)殖池的高度，cm；1、2、3分別為3個(gè)射流孔距離池底面的高度，cm；為養(yǎng)殖池半徑，cm；1為排水口半徑，cm。

Note:is the distance between the inlet pipe and tank wall, cm;is the deployment angle of the inlet pipe, (°);is the height of the aquaculture tank, cm;1,2and3are the height of the three jet holes from the bottom of the tank, cm;is the radius of aquaculture tank, cm;1is the radius of the outfall, cm.

圖1 圓形循環(huán)水養(yǎng)殖池模型圖

Fig.1 Model drawing of circular recirculating aquaculture tank

1.2 網(wǎng)格劃分與網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

模型面網(wǎng)格導(dǎo)入STAR-CCM+軟件中，進(jìn)行表面重構(gòu)，自動(dòng)表面修復(fù)處理，體網(wǎng)格處理（多面體網(wǎng)格和棱柱層網(wǎng)格），分配至區(qū)域[8-9]，同時(shí)對(duì)進(jìn)水管、排水口進(jìn)行網(wǎng)格加密，采用自適應(yīng)網(wǎng)格以增加計(jì)算精度。研究采用固-液-氣三相流模型進(jìn)行數(shù)值模擬，系統(tǒng)網(wǎng)格劃分如圖2所示。

網(wǎng)格質(zhì)量的優(yōu)劣影響數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，過(guò)多的網(wǎng)格數(shù)量會(huì)增加運(yùn)行時(shí)間。本研究在其余設(shè)置相同的情況下，系統(tǒng)地對(duì)比研究了373 750（mesh-A）、983 362（mesh-B）和2 215 827（mesh-C）3種網(wǎng)格數(shù)不同的養(yǎng)殖池模型內(nèi)固體顆粒物的排出率。從圖3可以看出，mesh-A設(shè)置條件下的固體顆粒物累計(jì)排出率的模擬預(yù)測(cè)值明顯低于mesh-B和mesh-C網(wǎng)格的模擬預(yù)測(cè)結(jié)果，而mesh-B和mesh-C網(wǎng)格模擬趨勢(shì)與數(shù)值呈現(xiàn)出高度一致性。在同樣計(jì)算精度下，mesh-B網(wǎng)格單元數(shù)小于mesh-C網(wǎng)格單元數(shù)，因此之后的數(shù)值模型均按照mesh-B標(biāo)準(zhǔn)做網(wǎng)格處理即網(wǎng)格數(shù)量約為1 000 000個(gè)，用于圓形養(yǎng)殖池內(nèi)固體顆粒物運(yùn)動(dòng)規(guī)律與累計(jì)排出效率的計(jì)算分析。

1. 養(yǎng)殖池 2.排水口 3. 射流管

注：設(shè)置驗(yàn)證工況：θ=0°，d=1/4r。mesh-A、mesh-B、mesh-C分別為網(wǎng)格數(shù)量373 750、983 362、2 215 827。

2 固-液-氣三相流模型

2.1 數(shù)值模型選擇

2.1.1 湍流模型

流體流動(dòng)模型選用RNG湍流模型。與采用標(biāo)準(zhǔn)的湍流模型相比，RNG湍流模型在處理應(yīng)變率高以及流線彎曲程度較大的流動(dòng)方面有優(yōu)勢(shì)[10]，該模型修正了湍流黏度，考慮了實(shí)際情況中湍流的各向異性和平均流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)流動(dòng)情況，RNG模型中的產(chǎn)生項(xiàng)與流動(dòng)和空間位置相關(guān)。以上改進(jìn)使得RNG模型相較于模型得到更準(zhǔn)確的結(jié)果[11-12]。

采用RNG湍流模型建立流體數(shù)值模型，湍流動(dòng)能方程和湍流耗散率方程的表達(dá)式如下：

湍流動(dòng)能方程：

湍流耗散率方程：

式中為時(shí)間，s；為流體密度，kg/m2；為位移分量，m；為速度矢量，m/s；，為張量指標(biāo)，取值范圍（1,2,3）；為流體動(dòng)力黏度，·；t為湍流黏度系數(shù)，·；k和ε分別為湍動(dòng)能和耗散率的有效湍流普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)；k表示由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)；1ε和2ε為模型經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值為：1ε=1.44，2ε=1.92。

2.1.2 多相流模型

本文主要研究進(jìn)水管布設(shè)距離對(duì)養(yǎng)殖池內(nèi)沉降式固體顆粒物運(yùn)動(dòng)匯集的影響。其中將流體視作連續(xù)介質(zhì)，固體顆粒相作為離散相來(lái)處理，通過(guò)求解離散相模型（Discrete Phase Model，DPM）獲取顆粒物的統(tǒng)計(jì)量。水是養(yǎng)殖池內(nèi)的主體，固體顆粒物占比總體較小（＜10%），且固體顆粒沿自身軌跡運(yùn)動(dòng)，適合采用拉格朗日法進(jìn)行建模計(jì)算，因此本研究選用DPM模型進(jìn)行固體顆粒物的數(shù)值計(jì)算分析[13-15]。

該方法求解顆粒軌跡是通過(guò)計(jì)算Lagrange坐標(biāo)下作用于顆粒的運(yùn)動(dòng)微分方程積分式而得，固體顆粒受力的微分方程如下：

式中p為顆粒速度，m/s；p為顆粒密度，kg/m2；D(–p)為單位質(zhì)量顆粒受到的曳力，N；g(p–)/p為單位質(zhì)量粒子受到的重力，N；F表示其他各個(gè)作用力在方向的分力，N。

式中P為顆粒直徑，mm；D為曳力系數(shù)；為顆粒的相對(duì)雷諾數(shù)。

液-氣之間利用VOF（Volume of Fluid）模型即流體體積函數(shù)進(jìn)行處理，該函數(shù)定義為目標(biāo)流體的體積與網(wǎng)格體積的比值。只要知道這個(gè)函數(shù)在每個(gè)網(wǎng)格上的值，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)界面的追蹤。跟蹤相之間的界面是通過(guò)求解單相或者多相的容積比率的連續(xù)方程來(lái)完成 的[16-18]。對(duì)第相，有

2.1.3 數(shù)值模擬設(shè)置

該文基于STAR-CCM+仿真軟件開(kāi)展數(shù)值模擬計(jì)算，離散相模型（DPM）將流體視為連續(xù)相、固體顆粒視為離散相。求解選擇隱式非定?？刂品绞剑会槍?duì)固相模型考慮固-液雙向耦合（Interaction with Continuous Phase），真實(shí)模擬固體顆粒物沉降和運(yùn)行。離散相固體顆?？紤]重力、阻力、剪切升力、旋轉(zhuǎn)升力；連續(xù)相流體密度為997.56 kg/m3，黏度為1.03×10-3kg/m3，湍動(dòng)能和湍流耗散率的亞松弛因子為0.8。初始速度設(shè)置為0.46 m/s，湍流強(qiáng)度為0.01；出口設(shè)置為壓力出口；池底邊界和池壁均采用固體壁面邊界且假設(shè)無(wú)剪切（Stational Wall），物理?xiàng)l件模式選擇反彈。數(shù)值模擬所設(shè)置固相顆粒為球形顆粒，密度為1 100 kg/m3；不考慮顆粒物運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量損失，即假設(shè)顆粒間不存在碰撞的質(zhì)量損失，不存在顆粒物的分解現(xiàn)象。粒間與粒壁的接觸模型采用適用于含濕物料的Hertz-Mindlin模型。顆粒在數(shù)值模型中注入方式：在距離養(yǎng)殖池底面0.48 m處，以池心為圓心，以0.5 m為半徑的范圍內(nèi)均勻撒布1 000個(gè)固體顆粒，利用公式（6）分析不同時(shí)刻養(yǎng)殖池內(nèi)固體顆粒的排出率。

固體顆粒物累計(jì)排出率：

式中t為各時(shí)刻池內(nèi)剩余顆粒數(shù)。

0°和45°是圓形循環(huán)水養(yǎng)殖池內(nèi)最常見(jiàn)的2個(gè)進(jìn)水管設(shè)置角度，但是對(duì)其相應(yīng)的布設(shè)距離的設(shè)置以及兩者之間集污性能的優(yōu)劣一直沒(méi)有明確的結(jié)論[16-17]?；诖?，該模擬在0°和45°進(jìn)水管布設(shè)角度下設(shè)置5個(gè)布設(shè)距離=0、1/8、1/4、3/8、1/2共10個(gè)研究工況。

2.2 數(shù)值模擬驗(yàn)證

該文通過(guò)比較同一時(shí)刻數(shù)值模擬與物理模型試驗(yàn)中固體顆粒物的累計(jì)排出效率，驗(yàn)證數(shù)值模擬試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)過(guò)程：調(diào)節(jié)進(jìn)水管距離=0，布設(shè)角度=45°，依據(jù)流量計(jì)調(diào)節(jié)進(jìn)水管閥門(mén)（單個(gè)進(jìn)水管流量= 10.46 L/min），約30 min水體穩(wěn)定，然后打開(kāi)設(shè)置在養(yǎng)殖池正上方的攝像頭，快速均勻地將100粒直徑2.5 mm，長(zhǎng)度3.0～4.0 mm，密度1 100 kg/m3的沉性飼料，撒入養(yǎng)殖池內(nèi)并同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)（此時(shí)時(shí)間記為=0），觀察池內(nèi)污物匯集情況和規(guī)律（試驗(yàn)重復(fù)3次）。數(shù)值模擬過(guò)程中監(jiān)測(cè)出水口處顆粒物排出個(gè)數(shù)，利用公式（6）計(jì)算固體顆粒物累計(jì)排出率。

圖4顯示了各個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)刻數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)的固體顆粒物累計(jì)排出率。

1. 養(yǎng)殖池 2.刻度盤(pán) 3.進(jìn)水管 4. 排水口

1. Aquaculture tank 2. Dial 3. Inlet pipe 4. Outlet

注：設(shè)置驗(yàn)證工況：=45°，=0下數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

Note: The verification conditions set in this document: Comparison between numerical simulation and experimental results at=45°,= 0.

圖4 數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果比較

Fig.4 Comparison between numerical and experimental results

從圖4中可以看出2種研究方法下固體顆粒物累計(jì)排出率非常接近（誤差＜5%）。因此，該試驗(yàn)構(gòu)建的數(shù)值模型合理、精度滿足要求，可用于圓形養(yǎng)殖池集污排出率影響的數(shù)值計(jì)算研究。

3 結(jié)果與分析

3.1 進(jìn)水管布設(shè)距離對(duì)流場(chǎng)的影響

不同工況下，養(yǎng)殖池底層（距池底2 cm）、中層（距池底16.5 cm）、頂層（距池底31 cm）的流場(chǎng)可視化結(jié)果如圖5所示。

1）養(yǎng)殖池內(nèi)整體流場(chǎng)分布

當(dāng)=0°時(shí)：進(jìn)水管布設(shè)距離=0時(shí)，進(jìn)水方向附近流速較大，進(jìn)水口高速水流流出進(jìn)水管時(shí)與池壁接觸產(chǎn)生了大量損耗，速度快速衰減，至排水口附近稍有增大。隨著進(jìn)水管布設(shè)距離的增大（=1/8～3/8），進(jìn)水口與池壁之間的距離逐漸增大，進(jìn)水口高速水流與池壁的碰撞消耗逐漸減弱，排水口附近高速區(qū)域面積逐漸增大。當(dāng)=45°時(shí)：增加射流角度，對(duì)降低低速區(qū)面積效果明顯，但兩支對(duì)稱分布的射流管射出的流水會(huì)在中心區(qū)域接觸形成亂流。

2）養(yǎng)殖池內(nèi)不同水層的流場(chǎng)變化特性

當(dāng)=0°時(shí)：在=0貼近池壁該工況下，從底層、中層、上層速度云圖中可以直觀看出整個(gè)流場(chǎng)區(qū)域高速區(qū)域隨著進(jìn)水管布設(shè)距離逐漸增大，底層、中層、上層中心區(qū)域都會(huì)出現(xiàn)高速環(huán)流區(qū)，越靠近上層，中心高速區(qū)域的面積越大。當(dāng)=45°時(shí)：底層、中層、上層中心區(qū)域由于水流向心速度分量增大導(dǎo)致高速環(huán)流區(qū)逐漸向養(yǎng)殖池中間區(qū)域遷移，貼近池壁區(qū)域流速逐漸減小。越靠近上層，排水口附近的高速區(qū)面積越大，池邊壁的高速區(qū)面積逐漸減小。

表1統(tǒng)計(jì)顯示了各工況下不同水層內(nèi)的平均流速。進(jìn)水管設(shè)置角度=0°，當(dāng)=0時(shí)，3個(gè)橫截面處的平均流速都是最小，此時(shí)流場(chǎng)水動(dòng)力特性較差；除貼近池壁=0和=1/8工況外，其余各距離工況各平面平均流速隨平面高度的增加逐漸變大；進(jìn)水管設(shè)置角度=45°，在=1/8～1/2時(shí)，0.01 m處橫截面的平均流速呈下降趨勢(shì)；在貼近池壁=0工況下，0.165和0.31 m處橫截面平均流速大于其他工況。分析各工況下的橫截面平均流速，=0°和=3/8及=45°和=0養(yǎng)殖池內(nèi)平均流速較大，水動(dòng)力特性較好。

表1 各工況下養(yǎng)殖池不同橫截面平均流速

3.2 進(jìn)水管布設(shè)距離對(duì)固體顆粒物排出率的影響

不同進(jìn)水管布設(shè)設(shè)置下固體顆粒物的排出率如圖6所示，從圖6中可以看出進(jìn)水管布設(shè)角度和布設(shè)距離都會(huì)影響?zhàn)B殖池固體顆粒的排出率。當(dāng)進(jìn)水管設(shè)置角度=0°、=0時(shí)累計(jì)排出率不足80%；當(dāng)進(jìn)水管設(shè)置角度=45°、=1/2時(shí)，集污效果差，累計(jì)排出率最低，其余工況下的累計(jì)排出率相差不大。這一現(xiàn)象充分說(shuō)明養(yǎng)殖池系統(tǒng)的集排污性能除了與進(jìn)水管角度有關(guān)外，還與進(jìn)水管布設(shè)距離密切相關(guān)。

不同進(jìn)水布設(shè)距離下，養(yǎng)殖池內(nèi)的固體顆粒物運(yùn)動(dòng)匯集隨時(shí)間的變化分別如圖7a（=0°）和圖7b（=45°）所示。通過(guò)距離底面高度為0.48 m的養(yǎng)殖池平面進(jìn)行觀測(cè)，具體分析0～40 s內(nèi)的污物運(yùn)動(dòng)匯集情況。

圖7a可以看出=0°、=0時(shí)，由于進(jìn)水口高速水流剛流出進(jìn)水管時(shí)與池側(cè)壁發(fā)生直接劇烈碰撞導(dǎo)致能量消耗較高，起動(dòng)動(dòng)力不足而無(wú)法向池心排水口匯聚，前40 s累計(jì)剩余顆粒都聚集在小漩渦區(qū)。其余工況集污前期，養(yǎng)殖池內(nèi)顆粒呈現(xiàn)均勻分散分布狀態(tài)，顆粒幾乎沒(méi)有發(fā)生變化，但有向內(nèi)聚集的趨勢(shì)。集污中期（10～30 s）受水流拖拽力和重力的雙重疊加影響，沉降于池底的固體顆粒物向池心排污口匯聚現(xiàn)象明顯，固體顆粒物數(shù)量明顯減少。集污后期，固體顆粒大部分排出，部分顆粒散落在臨近池壁的低流速區(qū)域。圖7b可以看出=45°、=0時(shí)，前期累計(jì)剩余顆粒與=0°時(shí)截然不同，形成的高速環(huán)流區(qū)使固體顆粒物受到二次流的影響，顆粒順利從排水口流出，顆粒物數(shù)量快速減少，池邊壁少量殘留顆粒形成“集污盲區(qū)”。

不同進(jìn)水管設(shè)置方式下，養(yǎng)殖池內(nèi)最后的污物匯集效果也不同。在=0°、=0的工況下，污物殘留較多，集污效果最差；在=3/8處污物殘留明顯少于其他進(jìn)水管布設(shè)位置。在=45°、=1/2的工況下，池邊壁口附近區(qū)域污物的殘留較多，產(chǎn)生了堆積，集污的效果最差；隨著進(jìn)水管布設(shè)距離越貼近排水口，集污的效果越差，池邊壁剩余的顆粒物數(shù)量也越多。通過(guò)比對(duì)圖5，充分說(shuō)明養(yǎng)殖池系統(tǒng)的集排污性能與流場(chǎng)速度有關(guān)，水動(dòng)力特性好能實(shí)現(xiàn)較好的集排污性能。進(jìn)水管角度也是影響系統(tǒng)集排污性能的因素，適宜的進(jìn)水管角度能夠形成較大區(qū)域高速旋轉(zhuǎn)渦流，讓粒子在池中心形成高速環(huán)形運(yùn)動(dòng)軌跡而順利進(jìn)入排水口。

表2給出不同工況下前 60 s 固體顆粒累計(jì)排出率。當(dāng)=0°時(shí)，=3/8時(shí)累計(jì)排出率取得最大值95.0%，當(dāng)=45°時(shí)，布設(shè)距離越接近排水口，排出率越低，=0時(shí)取得最大值94.3%。與=0°工況下養(yǎng)殖池系統(tǒng)相比，=45°時(shí)圓形養(yǎng)殖池系統(tǒng)內(nèi)=0、1/8、1/4固體顆粒的排出率分別增加了約18.8、1.8、1.7個(gè)百分點(diǎn)，而在3/8 r和1/2 r位置時(shí)排出率減少了1.2和5.0個(gè)百分點(diǎn)。

圖6 不同布設(shè)距離和角度養(yǎng)殖池顆粒沉降排出率

表2 各工況下前60 s累計(jì)排出率

4 討 論

水動(dòng)力條件可以影響整個(gè)養(yǎng)殖池的集污效率。在方形圓切角養(yǎng)殖池內(nèi)，桂福坤等[19]通過(guò)相機(jī)采集池底污物分布圖像、聲學(xué)多普勒流速儀測(cè)量養(yǎng)殖池內(nèi)流場(chǎng)分布研究了水車式增氧機(jī)驅(qū)動(dòng)下方形圓切角養(yǎng)殖池集污水動(dòng)力特性，與本文所模擬的=45°時(shí)污物匯集效果隨著布設(shè)距離比的增大而增強(qiáng)，但是池壁處逐漸出現(xiàn)集污死角的情形高度一致。本文模擬表明較小的射流角度，可以顯著帶動(dòng)近壁處水體流動(dòng)，但由于摩擦的原因，近壁水體在帶動(dòng)內(nèi)層水體流動(dòng)時(shí)，一部分動(dòng)能勢(shì)必會(huì)因?yàn)槟Σ恋囊蛩剞D(zhuǎn)化為內(nèi)能，動(dòng)能逐漸衰減，而此時(shí)高速水體距池心較遠(yuǎn)，故在遠(yuǎn)離池壁處（池心除外）出現(xiàn)較大的低速區(qū)影響污物的運(yùn)動(dòng)匯集[20]。

Summerfelt等[21-23]利用CFD模擬圓形養(yǎng)殖池幾何形狀、養(yǎng)殖池進(jìn)出水結(jié)構(gòu)對(duì)圓形養(yǎng)殖池的顆粒沖洗和水力混合性能的影響，其中都僅設(shè)置了=0°單個(gè)進(jìn)水管布設(shè)角度，而在實(shí)際生產(chǎn)中=0°和45°是圓形循環(huán)水養(yǎng)殖池內(nèi)最常見(jiàn)的2個(gè)進(jìn)水管設(shè)置角度，本研究著重針對(duì)這2個(gè)角度進(jìn)行研究。朱炯威[24]的養(yǎng)殖水池水流運(yùn)動(dòng)特性研究，僅研究固-液兩相流情形下的固體顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而張俊等[25]以典型的方形切角養(yǎng)殖池為研究對(duì)象，也只建立了液固兩相流場(chǎng)的數(shù)值模型。因此，本模擬基于固-液-氣三相流模型研究進(jìn)水管設(shè)置距離對(duì)養(yǎng)殖池內(nèi)的流場(chǎng)和固體顆粒物排出率的影響更符合生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)于評(píng)價(jià)魚(yú)類生存的水動(dòng)力學(xué)條件，解決水循環(huán)效能低和集排污率差等問(wèn)題具有更重要科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

提高養(yǎng)殖池自清洗能力的重點(diǎn)是做到高效的集排污，高效的集排污又需要池內(nèi)形成有效的“二次流”。接下來(lái)將在引入殘餌糞便的固體模型后，重點(diǎn)探索“二次流”與集排污效果間的內(nèi)在機(jī)理。Gorle等[26]指出水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)越來(lái)越致力于使用近1 000 m3的大型養(yǎng)殖池來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。Carvalho等[27]也指出水的速度隨著進(jìn)水流量的增加而增加，進(jìn)水流量及進(jìn)水速度極大地影響?zhàn)B殖池的集污效率，后續(xù)研究中，將系統(tǒng)研究養(yǎng)殖池尺寸，水力停留時(shí)間，進(jìn)水管布設(shè)方式對(duì)養(yǎng)殖池自清洗能力的影響。

5 結(jié) 論

良好的水動(dòng)力特性是獲得較好集污效果的重要前提，適合的布設(shè)角度和布設(shè)位置都有助于提高集污效率。本研究中建立了固-液-氣三相流模型數(shù)值計(jì)算模型并進(jìn)行了驗(yàn)證，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算探究了常見(jiàn)布設(shè)角度（=0°、45°），不同布設(shè)位置工況下養(yǎng)殖池的流場(chǎng)分布特性和集污排出率的影響，得到以下結(jié)論：

1）通過(guò)與物理模型試驗(yàn)對(duì)比，計(jì)算誤差結(jié)果顯示各個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)刻累計(jì)排出率的誤差均在5%以內(nèi)證明本文所構(gòu)建的固-液-氣三相流模型合理、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，為分析養(yǎng)殖池系統(tǒng)的流場(chǎng)特性對(duì)集排污性能的影響和改進(jìn)系統(tǒng)提供了一個(gè)有效的數(shù)值模型和研究方法。

2）在快速循環(huán)模式下（水力停留時(shí)間為20 min），進(jìn)水管布設(shè)角度為=0°和45°，分別在布設(shè)距離=3/8和=0時(shí)取得最優(yōu)的排出率（95.0%和94.3%）。在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)與本研究類似的養(yǎng)殖池建議按照該模式設(shè)置進(jìn)水管布設(shè)方式。

接下來(lái)將針對(duì)大型養(yǎng)殖池，不同水流循環(huán)速度，不同物理性質(zhì)的固體顆粒物進(jìn)行數(shù)值模擬研究，進(jìn)一步為工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖池進(jìn)水管布設(shè)提供科學(xué)指導(dǎo)。

[1] 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)漁政管理局，全國(guó)水產(chǎn)技術(shù)推廣總站，中國(guó)水產(chǎn)學(xué)會(huì)編制．中國(guó)漁業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒［M］．北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2021．

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Optimization of the inlet pipe layout of circular recirculating water aquaculture tank based on STAR-CCM+

Hu Jiajun1, Zhu Fang2, Yao Rong3, Gui Fukun1, Liu Bo3, Zhang Zekun3, Feng Dejun1※

(1.316022;2.316022;3.316022)

An industrialized Recirculation Aquaculture System (RAS) has been widely used in an efficient, intensive, and environment-friendly way for modern aquaculture. A large amount of feed needs to be added to the system during the breeding process. Some solid residuals can be easily deposited at the bottom of the breeding pond, such as the uneaten feed and feces produced by fish. These residuals can then be decomposed and produce harmful substances to pollute the water body, while consuming the dissolved oxygen, if they cannot be discharged in time. As such, a great threat has been posed to the health of fish. Therefore, it is very necessary to effectively and timely remove these solid particles in the RAS tank. In this study, a solid-liquid-gas three-phase flow model was constructed to optimize the layout of inlet pipes in a RAS tank using Computational Fluid Dynamics (CFD) technology. A STAR-CCM+ software was also selected to systematically simulate the common layout angle of inlet pipe(=0° and 45°,was the deployment angle of inlet pipe), under different layout positions (=0, 1/8, 1/4, 3/8, and 1/2,was the distance between the jet pipe and the tank wall,is the radius of the aquaculture tank). The error of cumulative removal efficiency at each monitoring time was less than 5percentage point, indicating a high calculation accuracy in the numerical simulation, compared with the experimental. A systematic investigation was made to explore the layout influence of water inlet pipes in the circular RAS tank on the flow field distribution in the tank, as well as the removal efficiency of solid particles. The results show that the position of inlet pipes outstandingly determined the removal efficiency of solid particles. The lowest removal efficiency of solid particles was obtained, when the layout distance was set to be=0 and=0° under the rapid circulation (low hydraulic retention time). Furthermore, the removal efficiency was much higher (>90%) with small difference in the rest of the layout distance. Consequently, the maximum removal efficiencies were achieved in 94.8% and 94.3%, respectively, where=45°,=3/8, and=0, whereas, the lowest removal efficiency of solid particles was found, when the layout distance was set to be=1/2. Therefore, it can be recommended not to be close to the side wall of the breeding tank in practice, when the inlet pipe was arranged at an angle=0°. By contrast, it can be recommended not to be too far from the side wall of the breeding tank, when the layout angle of the inlet pipe=45°. Anyway, the optimal collection efficiencies of solid particles with the inlet pipe layout angle of 0 and 45° were achieved similarly to be 95.0% and 94.3%, respectively, when the inlet velocity was 0.46 m/s (large water circulation velocity). At this time, the layout distances of the inlet pipe were=1/8and=0, respectively. The findings can provide a strong reference to optimize the layout distance of inlet pipes in an industrialized RAS tank, thereby improving the comprehensive performance of circulating water aquaculture.

aquaculture; particles; solid-liquid-gas three-phase flow model; removal efficiency; circular recirculating aquaculture tank

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.028

S238

A

1002-6819(2021)-21-0244-08

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Hu Jiajun, Zhu Fang, Yao Rong, et al. Optimization of the inlet pipe layout of circular recirculating water aquaculture tank based on STAR-CCM+[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(21): 244-251. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.028 http://www.tcsae.org

2021-08-29

2021-10-27

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31902425)；浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LGN21C190010)；舟山市科技項(xiàng)目（2020C21003）；國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（202010340011）

胡佳俊，研究方向?yàn)楣S化水產(chǎn)養(yǎng)殖工程。Email: 247809880@qq.com

馮德軍，博士，副教授，研究方向?yàn)樵O(shè)施養(yǎng)殖工程。Email: fengdj@zjou.edu.cn