基于PIV 技術的圓形循環水養殖池流場

朱 放，胡佳俊，孔劍橋，桂福坤，潘訓然，馮德軍※

（1. 浙江海洋大學船舶與海運學院，舟山 316022；2. 浙江海洋大學國家海洋設施養殖工程技術研究中心，舟山 316022；3. 浙江海洋大學水產學院，舟山 316022）

0 引 言

循環水養殖系統（Recirculating Aquaculture System，RAS）是目前世界水產養殖技術水平高且養殖環境可控的先進水產養殖模式。目前，在部分歐美發達國家已經建立起一套比較成熟的工廠化循環水養殖體系，由于中國起步較晚，這種先進的水產養殖模式還未在中國得到廣泛應用[1-2]。隨著工廠化循環水養殖技術的提升，工廠化循環水養殖將會在中國占據越來越多的市場份額，是中國水產養殖的發展趨勢[3-4]。工廠化循環水養殖的密度高，飼料投放量大，在養殖過程中極易產生殘餌糞便等污物，如果不及時處理將會嚴重影響養殖對象的生長[5-7]。在實際的養殖生產中，一般通過設置進出水方式來調節池內流場情況從而達到高效集污的目的，因此，研究養殖池內的流場水動力特性對于提高養殖池的集排污能力具有重要的意義。

養殖池內流場與養殖池內固體顆粒物的運動匯集有密切的關系，是養殖池自清洗能力的主要驅動力來源[8-9]。Plew 等[10]的研究表明池壁、池底的流速與養殖池的污物排出能力呈正相關。Oca 等[11]分析了影響池內流場的設計參數，并建立了評估速度分布的模型。上述研究表明養殖池水動力特性對循環水養殖排污具有重要意義。Liu 等[12]建立了八角形循環水養殖水池的三維數值模型，應用顆粒軌道模型（Discrete Phase Model，DPM）方法得到顆粒運動軌跡，研究了養殖池凈化效能。數值模擬技術逐步應用于循環養殖池流場特征，集排污等方面的研究，Papá?ek 等[13]和Gorle 等[14]利用計算流體力學研究了顆粒在養殖池內顆粒運動情況，研究表明進水管設置角度與養殖池自清洗能力密切相關。薛博茹等[15-16]研究了進徑比對方形圓切角養殖池內流場特性的影響，結果表明進徑比在0.02～0.04 區間養殖池內水動力系數最優。胡佳俊等[17]的數值模擬研究結果表明進水管布設角度為0°和45°，分別在布設距離為d=3/8r和d=0 時取得最優的流場效果。相較與數值模擬研究，試驗測量研究相對較少。趙樂等[18]通過試驗研究了進水管貼近池壁設置下的進水管設置角度和流量對方形圓弧角養殖池的污物匯集特性和流場特性的影響，結果表明進水管設置角度為40°時養殖池內的污物匯集和水動力特性最優。任效忠等[19]通過試驗研究了進水管貼近池壁設置下的進水管數量、相對位置、設置角度和流量對方形圓弧角養殖池流場特性的影響，結果表明進水管設置角度為50°時養殖池流速最高。Oca 等[11]利用聲學多普勒流速儀（Acoustic Doppler Velocimetry，ADV）測量了不同進出水方式下養殖池內流場，發現將進水方式由垂直改成水平可以產生更佳的流場效果。上述研究中均通過ADV 流速儀布點測量養殖池內流場分布，但是該測量方式是一種介入式測量方法，測量中需要將測量探頭放入水體，會對測量點附近的流場產生干擾，尤其是在小尺度模型試驗中極可能會影響結果的準確性。此外，該測量方式只能進行單點測量，測量效率低。因此，本研究采用PIV 技術測量了養殖池內底層的流場，PIV 試驗中撒入池中的示蹤粒子跟隨水流一起運動，激光照射試驗平面的示蹤粒子位置即為監測點位置。PIV 技術可以在同一時刻記錄整個平面的流場信息，提供豐富的流動空間結構。因此，通過PIV 技術測量養殖池內的流場，可以更全面地了解養殖池內整體流場的分布特性。

此前研究中作者已經詳細分析了雙管貼壁（d=0）進水模式下進水管設置角度對養殖池水動力特性的影響，結果表明進水管設置角度為40°～45°時養殖池水動力特性最優[20]。實際生產中并非都是將進水管貼壁放置，本文將在上述研究的基礎上研究進水管設置距離與其對應的進水管設置角度對養殖池水動力特性的影響，探究最優進水管設置距離和最優進水管設置角度之間的關系，從而確定最佳進水管設置方式。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

實際生產中圓形養殖池的直徑變化范圍較大，從1米至幾十米[21-22]，目前文獻中報道的圓形養殖池最大直徑已達40 m[23]。本研究采用作者已發表的文章中的圓形養殖池試驗裝置開展研究[20]。試驗共設計3 組進水管設置距離：d=0、1/4r、1/2r（d為進水管與池壁的最近距離，0、12.3、24.5 cm；r為養殖池半徑，49 cm）；8 組進水管設置角度：α=0°、10°、20°、30°、40°、45°、50°、60°，共24 組試驗工況。養殖池內污物運動匯集與底層流場密切相關[10]，因此本研究主要分析養殖池底層流場特性，測量每個試驗工況下距養殖池底1 cm 水層的流場。PIV 系統中，圖像采集為5 120×3 800 像素，相鄰兩幀圖像的時間間隔為0.125 s。試驗開始前安裝調試好試驗設備，然后開啟水泵，依據流量計調節試驗所需進水流量，調節激光高度，等待約30 min 養殖池內水體平穩后開啟激光器，操作PIV 系統開始采集圖像，采集完成后進行下一組試驗。

1.2 數據處理

流場分布特性測量試驗數據處理方法如下：首先利用MATLAB 將PIV 軟件測量得到的各點流速數據繪制成流場圖，定性分析進水管設置方式對養殖池內流場分布特性的影響。為了進一步定量描述和比較不同工況下養殖池內水動力特性，本研究通過養殖池內平均流速vavg（養殖池內各測量點流速的平均值，m/s）和速度分布均勻系數U[21]這2 個水動力學特征量對流場進行具體分析：

式中U為養殖池內流速分布均勻系數，越接近100 代表水流速度分布越均勻。v50為各監測點速度前50%速度較低的平均值，m/s；vi為監測點的速度，m/s；ri為監測點距池心的距離，m。v是由vi和ri計算得出的平均加權速度，m/s；

2 結果與分析

2.1 進水管設置方式對流場分布的影響

不同進水管設置方式下養殖池內流場分布如圖1 所示。圖中最外層的黑色圓代表養殖池邊壁，由于水體對激光有削弱作用，遠離激光一側的邊壁附近激光強度較弱，不能清晰地顯現出該部分的示蹤粒子即不能準確測量到邊壁附近的流場。因此，本研究中不深入分析距池壁4 cm 范圍內（圖中黑色圓內側的白色區域）的流場及水動力特性。另外，試驗過程由于角度調節裝置的遮擋產生了部分測量盲區（流場圖左右兩側深藍色區域），該部分區域內的流場也不做深入分析。

通過圖1 可以非常清晰地觀察到進水管設置方式會明顯影響養殖池內流場的分布。進水管設置角度α=0°～45°時，養殖池內均可以形成高速環形水流，隨進水管設置距離的增加，進水口與池壁之間的距離逐漸增大，進水口高速水流與池壁的碰撞消耗逐漸減弱，高速環形水流面積隨進水管設置距離的增加先增大后減小，排水口附近高速區域面積隨進水管設置距離增加逐漸增大，高速環流位置隨進水管設置距離增加逐漸向養殖池中心移動；進水管設置角度α=45°～60°時，進水管設置距離d=0時無法在養殖池內形成高速環流，隨進水管設置距離增加高速區向養殖池中心移動逐漸又形成了高速環流，進水管設置距離增加至d=1/2r時，高速環流與排水口附近高速區重疊，排水口附近高速區域面積隨進水管設置距離的增加逐漸增大。

進水管設置距離d=0 和1/4r時，高速環流面積隨進水管設置角度的增大先增大后減小，高速環流區域逐漸向養殖池中心移動。進水管設置距離d=1/2r時，高速環流面積隨進水管設置角度的增大逐漸減小，高速環流區域逐漸向養殖池中心移動。

2.2 進水管設置方式對水動力特征量的影響

PIV 系統利用示蹤粒子的運動間接測量養殖池內的流場，根據每個示蹤粒子的運動信息可以對養殖池內水動力特性進行定量分析[24]。根據PIV 測量得到各試驗工況下的平均流速，結果如圖2a 所示。當進水管設置距離d=0 時，平均流速均隨進水管設置角度的增大先增大后減小，α=45°左右達到最大，此時養殖池內的平均流速最大，有利于污物的起動以及匯集排出；進水管設置距離d=1/4r時，進水管設置角度α=0°～40°時，平均流速均處于較大水平且變化不明顯，α=30°時流場平均流速略大于其他角度；進水管設置角度α=40°～60°，流場平均流速逐漸降低；進水管設置距離d=1/2r時，平均流速隨進水管設置角度增大逐漸減小，在α=0°時取得最大值。此外，3 種進水管設置距離工況中，d=1/4r時各角度工況下的平均流速均高于其余進水管設置距離下的工況。

根據公式（1）計算得到各試驗工況下速度分布均勻系數U如圖2b 所示。速度分布均勻系數表示養殖池內速度梯度差，速度分布均勻系數越高表示養殖池內流場均勻性越好，養殖池內溶解氧的分布以及養殖對象的分布越均勻，越有利于養殖對象生長。不同進水管設置距離下流場均勻系數隨進水管設置角度變化趨勢各不相同。進水管設置距離d=0 時，速度分布均勻系數隨進水管設置角度增大而整體增大，在α=60°時取得最大值，但是此時養殖池內的平均流速已經非常小，不利于污物的匯集排出；進水管設置距離d=1/4r時，均勻系數隨進水管設置角度增大而先增大后減小，在α=40°時取得最大值，此時養殖池內的平均流速處于較高水平；進水管設置距離d=1/2r時，均勻系數整體趨勢隨進水管設置角度增大逐漸減小，在α=0°時取得最大值，此時養殖池內的平均流速處于較優水平。

綜合分析圖2 并根據平均流速越大流場均勻系數越大越有利于養殖池內的污物匯集排出的原則，可以得到如下較優的養殖池進水管設置方式：當d=0 時，建議進水管角度α設置在45°附近；當d=1/4r時，建議進水管角度α設置在30°至40°附近；d=1/2r時，建議進水管角度α設置在0°附近；上述3 種進水方式中以d=1/4r,α為30°～40°附近時為最優。趙樂等[18]和任效忠等[19]通過物理模型試驗研究了雙管貼壁進水模式下進水管設置角度對方形圓弧角養殖池內水動力特性的影響，結果表明進水管設置角度分別為40°和50°時，養殖池內水動力特性最優，這與本文進水管設置距離d=0 時最優進水管設置角度相似。然而，相較與傳統的介入式多次單點流速測量技術，本研究中采用的非浸入式PIV 流速平面測量技術可以直接同時測量并直觀地顯示測量平面的整體流場分布特性，具有不干擾原有流場，同步性高，效率高以及準確度高等優點。此外，從圖3 還可以看出，3 種設置距離下的各水動力特征量并不是在相同的角度取得最優值，如d=1/4r時，平均流速和流場均勻系數分別在α=40°和30°時取得最優值。這有可能是因試驗模型尺寸較小而引起的試驗誤差，也有可能是因未考慮養殖池邊壁附近以及角度調節裝置下方附近的流場而引起的試驗誤差。目前，還沒有相關的研究可以對比，這也是接下來需要重點研究探索的內容。

3 結 論

本研究將PIV 流速測量技術應用到養殖池內流場的測量，擴展了養殖池水動力特性的研究方法，有效地提升了研究結果的精度和準確度。研究結果表明進水管設置方式明顯影響養殖池的水動力特性；進水管設置距離d=0 時，進水管設置角度為45°附近時養殖池內水動力特性最優；進水管設置距離d=1/4r時，進水管設置角度為30°～40°附近時養殖池內水動力特性最優；進水管設置距離d=1/2r時，進水管設置角度為0°附近時養殖池內水動力特性最優；綜合比較所有工況下養殖池的水動力特性，進水管設置距離d=1/4r，進水管設置角度為30°～40°時養殖池內水動力特性最優。由于本研究是物理模型試驗研究，對實際養殖池進行了一定比例的縮放，最優進水管設置方式可能與大型養殖池有細微差別，下一步將研究進水管設置方式對大型養殖池的水動力特性影響，更加科學地指導生產實踐。