雙通道排水系統對矩形圓弧角養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 大連海洋大學設施漁業教育部重點實驗室，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)

循環水養殖系統(RAS)由于其在提高生產效率、養殖風險控制和環境保護等方面的突出優勢，在水產養殖領域受到越來越多的重視[1-3]。福利化養殖是未來水產養殖業發展的必然方向[4]。然而養殖池中水體運動所產生的剪切力會導致生物固體的分解，從而惡化池內水質[5]。因此，減少池內剪切力是優化養殖環境的關鍵，改善養殖池內流場均勻性至關重要。Oca等[6]提出了速度計算模型以便于研究養殖池內的流場特性，Masaló等[7]提出的均勻系數DC50是池內流場均勻性量化研究的重要參數。Gorle等[8]發現流動邊界條件對養殖池有限空間內的流體動力學有顯著影響，而雙通道排水系統是控制養殖池內流量的方法之一，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)作為雙通道養殖池的重要參數被廣泛研究，并表明其對側壁邊界層外緣的切向速度沒有影響，但會明顯影響池內其他徑向位置的切向速度[12-13]。

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

1 數值模型

1.1 控制方程

基于黏性不可壓縮流體的假設，連續性方程和納維—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，m2/s。

RNGk-ε模型和標準k-ε模型是養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，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。相關參數取值如下：αk=αε=1.39；C1ε=1.42；C2ε=1.68。

1.2 水動力特征分析

通過改變入口的沖力Fi，可以優化池內的速度和流場分布。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—養殖池內平均速度，m/s。

在湍流狀態下，養殖池中對水循環的總阻力Ft為：

(6)

式中：A—濕周，即與水接觸的池壁面積，m2。

假設養殖系統在穩態運行條件下，養殖池阻力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]定義了養殖池內阻力系數Ct：

(7)

為研究雙通道排水系統對養殖池內流場均勻性的影響，以判別參數UC50作為參考：

(8)

式中：UC50—養殖池均勻系數；vL50—養殖池中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代表低流速區的平均值與高流速區的平均值越接近，養殖池內的整體流場均勻性越好。截取養殖池上、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)，每個截面設置32個測點，測點間距為10 cm，96個測點的監測速度用于計算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

為驗證數值模型建立的正確性和模擬結果的精度，與Davidson等[24]研究的 Cornell-type雙通道養殖池結構試驗結果進行了比較。驗證模型設計參數：圓形養殖池直徑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6個進水口，從上到下前4個進水口設向左45°彎頭，第5個進水口設向下45°彎頭，第6個(最下側)進水口不設置彎頭。

圖2 Cornell-type 雙通道養殖池模型

參照Davidson等[24]設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)進行速度監測，將不同深度相同位置監測值取平均值作為養殖池內相應徑向位置速度的代表值。數值計算與試驗結果對比見圖3。

圖3 流速對比圖

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

2.2 模型參數

以矩形圓弧角養殖池為研究對象，分別對單、雙管進水系統和單、雙通道排水系統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。進水管設置在養殖池直邊壁的中間且沿池壁垂直布設，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)，進水系統沿切向入流(射流方向與養殖池壁成0°夾角)。在單管進水系統中，進水管自上而下均勻開18個孔；而在雙管進水系統中，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，其內徑為0.02 m。中心立管為池中心溢流排污通道，其內徑為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

以四面體網格對養殖池系統模型進行劃分，在進水孔、排水口位置進行加密處理(圖5)。數值模擬計算基于計算流體力學技術中Fluent模塊(穩態計算，迭代次數為12 000)，入口邊界設置為速度入口，進口速度設置為1 m/s，流速均勻分布；出口邊界設置為自由出流；養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 網格劃分示意圖

3 結果與討論

3.1 雙通道排水系統對單管入流的養殖池內流場特性的影響

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

表1 單進水管養殖池內流場特性

底部單通道排水系統養殖池在水流循環流動的過程中在池中心產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，養殖池四角也會由于水流轉向與池壁發生碰撞，造成能量損失而出現低流速區，在這兩個因素的共同作用下，養殖池整體流速較低，阻力系數較高，流場均勻性較差(圖6a為單通道)。而雙通道排水系統養殖池由于中心立管的存在，循環流動水體與中心立管產生圓柱繞流現象，因而減小了養殖池中心的渦旋強度，池中心低流速區域大幅度減少。即使底流分流比為100%(即養殖池中排水量完全經由底部出水口流出，中心立管上的溢流口出水比為0%)，池內流場特性相較于單通道養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，在中心立管中產生了強渦旋和高速水流，致使養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，養殖池四角區域也由于出流效應而加速了循環流動，減小了低流速區域面積，進而提高了養殖池平均速度，降低了阻力系數，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 單進水管養殖池速度分布云圖和速度矢量圖

3.2 雙通道排水系統對雙管入流的養殖池內流場特性的影響

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

表2 雙進水管養殖池內流場特性

圖7所示，在總進水流量不變的情況下，雙管入流使得養殖池總能量一分為二，入口處高流速區明顯減少，這是導致雙進水管養殖池的平均速度比單進水管養殖池略低的主要原因。但雙進水管養殖池由于其規則的對稱結構，能量接力輸送更好地帶動了養殖池內水體的循環流動，池內水體質點運動較為穩定，因而養殖池內流場特性優于單管入流的養殖池。而雙通道排水系統的優勢在雙進水管養殖池中也同樣得到了體現，中心立管起到了減小養殖池中心渦旋強度的作用，而且溢流也使池內水體因受到溢流口出流效應的影響而流速增大，有效地減少了養殖池內的低流速區，提高了池內的平均速度，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 雙進水管養殖池速度分布云圖和速度矢量圖

4 結論

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