不同池型結構循環水養殖池水動力特性研究

張 俊 王明華 賈廣臣 曹守啟

(1.上海海洋大學工程學院， 上海 201306； 2.國家遠洋漁業工程技術研究中心， 上海 201306；3.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室， 大連 116024)

0 引言

循環水養殖系統(Recirculation aquaculture system，RAS)具有節水、高產、環保等優點，受到了水產養殖業的廣泛關注。近年來，隨著RAS養殖模式的迅速發展，養殖池水動力狀況不理想而出現的集污排污效能差、水循環過程中的能量利用率和空間利用率低等問題日益凸顯，已成為RAS模式進一步發展的技術瓶頸[1]。作為循環水養殖系統的重要組成部分，養殖池的結構合理設計是創立最佳養殖對象生長條件、提高自凈化效能及空間利用率的關鍵。在全封閉或半封閉RAS中，矩形和圓形養殖池應用廣泛。SUMMERFELT等[2]指出矩形池易于管理、成本低、空間利用率高，但水體混合能力與集污排污能力差。圓形池具有良好的水流均勻性和水體混合性，自凈化能力強，但空間利用率低[3]。因此，如何設計和優化養殖池的結構參數，使養殖池既保持良好的水動力條件，又能擁有較高的空間利用率，是當前RAS領域的重點研究方向[4-5]。

國內外學者針對RAS養殖池的結構優化和進出水裝置改進等開展了大量研究[6-18]。主要針對RAS養殖池的結構設計、水動力特性和自凈效能，但對切角、圓角參數對水動力特性的影響以及不同池型結構對養殖池綜合性能影響的研究較少。本文以正方形、六邊形、八邊形、圓形、方形切角、方形圓弧角6類RAS養殖池為研究對象，通過與實驗數據對比分析，驗證計算方法的有效性，研究不同池型養殖池的水動力學特性。首先，建立六邊形、圓形、不同切角距離和圓角半徑方形養殖池的結構模型，基于計算流體力學(Computational fluid dynamics, CFD)方法建立三維流場模型；其次，利用不同的流場指標，包括速度分布、渦量分布、流動均勻性指數等，全面分析不同池型結構養殖池的流場特性，研究池型結構對養殖池水體混合均勻性、排污能力、能量利用效率的影響；最后，從適漁性、循環水的利用效率、養殖空間利用率角度評估不同池型結構養殖池的綜合性能。

1 計算模型

1.1 結構模型

以一種雙通道排水RAS養殖池為研究對象，其結構模型如圖1所示。

圖1 養殖池結構示意圖Fig.1 Structure diagrams of aquaculture pond

建立12組同體積、不同池型結構的養殖池三維模型，并具有相同位置和結構參數的進水口和出水口，無底部坡度。進水裝置為單進水管結構，底部中心座標如圖1a所示，其中坐標系原點為養殖池底部中心點，模型高度為2 000 mm，最底部進水口(直徑30 mm)中心與池底距離為80 mm，縱向排列共25個，間距為67 mm，如圖1b所示；雙通道排水裝置包括中心溢流口(直徑220 mm)和底流口(直徑140 mm)，如圖1c所示，養殖水體在通過底流口前要先流入集污斗(直徑480 mm)，集污斗上方距池底80 mm處安裝了圓形板(直徑800 mm)，有利于固體顆粒物的排出[19]。

為便于比較，得到綜合性能最好的池型參數，將方形切角養殖池中切角距離與半寬比定義為k1，在正方形(k1=0)與正八邊形(k1=0.585 8)之間取3組k1值；將方形圓角養殖池中的圓角半徑與半寬比定義為k2，在正方形(k2=0)與圓形(k2=1)之間取5組k2值；其中養殖池寬度為對邊距離(圓形養殖池寬度為直徑)，則12組養殖池結構參數如表1所示。在同體積下，養殖池寬度越小，空間利用率越高，從表1可看出，切角距離和圓角半徑小的養殖池具有更高的空間利用率。

表1 RAS養殖池結構參數Tab.1 Structure parameters of RAS pond

1.2 控制方程與湍流模型

將流場中的液相、氣相、固相視為具有不可壓縮性和連續性的混合流體相，其三維非定常復雜流動過程滿足連續性方程和動量守恒方程

(1)

(2)

式中x、y、z——坐標分量

ρ——混合流體連續相的密度，kg/m3

μ——混合流體連續相的動力黏度，Pa·s

Fx、Fy、Fz——直角坐標系下3個體積力分量，N

u、v、w——直角坐標系下3個速度分量，m/s

采用RNGk-ε兩方程湍流模型，該模型考慮了渦流和低雷諾數對湍流的影響，提高了存在旋渦流動的計算精度，尤其適用于描述具有大應變率剪切流、有旋流、分離等復雜流動現象，湍流動能k及湍流耗散率ε方程為

(3)

(4)

(5)

式中ui、uj——速度分量

xi、xj——坐標分量

Sk、Sε——根據實際情況選擇的自定義源項

σk、σε——與k、ε相關的湍流普朗特數

Gb——由浮力產生的湍流動能，J

Ym——可壓縮湍流中波動膨脹對總耗散率的貢獻

Gk——平均速度梯度引起的湍流動能生成項

μt——湍動黏性系數

C1、C2、Cμ——經驗系數

1.3 計算方法

采取基于壓力耦合的SIMPLEC算法，使速度場與壓力場的迭代同步進行，湍流動能及湍流耗散率均采用二階迎風格式，收斂精度為10-5。將進水口設置為速度入口，射流速度為1.5 m/s，溢流口和底流口均采用壓力出口，養殖池壁面和管道壁面設置為固體壁面，假設水面無剪切力和滑移速度，按自由液面處理，壓力值為標準大氣壓。為研究不同池型養殖池內部流場特性，設置1個通過池中心并平行于OYZ坐標平面的垂直監測面，在該監測面的0.2、1.0、1.8 m處設置速度監測線，設置5個平行于養殖池底部的水平監測面，高度分別為0.2、0.6、1.0、1.4、1.8 m，如圖2所示。

圖2 監測線和監測面Fig.2 Monitoring lines and planes

2 方法有效性驗證

依據GORLE等[17]提出的Cornell-type雙通道養殖池試驗模型和試驗數據驗證數值計算方法的有效性，試驗模型如圖3所示。

圖3 試驗驗證模型Fig.3 Experimental verification model

為滿足數值計算精度要求且提高計算效率，進行網格無關性驗證。劃分四面體網格，在養殖池的進水管、射流口、溢流口、底流口等部位進行網格加密，選擇兩種數量的網格模型進行驗證，其中mesh1和mesh2網格數量分別為144萬和197萬。從圖4中可以看出兩種網格劃分方案計算結果的速度曲線基本吻合，因此本文采用140萬網格數量進行計算。參照文獻[17]的試驗結果，在Y=0.1 m平面的3個深度線上各選12個速度監測點，數值計算與試驗結果見圖4。從圖4中可看出，數值計算結果與試驗結果的整體趨勢基本一致，絕大多數監測點誤差在10%以內，存在個別點誤差較大，但平均誤差在15%以內，驗證了本文采取的數值計算方法有效可行。

圖4 監測點速度的數值計算與試驗結果對比Fig.4 Comparison between numerical calculation and experimental results of monitoring point velocity

3 計算結果與分析

3.1 池型結構對速度分布的影響

圖5為不同池型結構的養殖池各監測線上的速度分布曲線。總體來看，由于射流速度導致的水流旋轉，養殖池水體呈現外圍速度大、中間速度小的規律。對比正方形、正六邊形、正八邊形到圓形養殖池的速度分布曲線可以發現：當養殖池趨于圓形，各檢測線上的速度絕對值增大，不同高度檢測線的速度分布也逐漸相似，除正方形養殖池外，其他3種養殖池檢測線速度都表現出明顯的“M”型對稱分布規律。對比圖5a、5c、5d、5e、5f可以看出：當方形養殖池的切角距離較小時，速度產生了較大的不規則波動，各監測線上的速度差別較大，這是由于水流經過池壁后，水體質點之間的相互作用使得湍流動能和渦流粘度增大，對速度了產生較大擾動。對比圖5a、5g、5h、5i、5j、5k、5l可以發現：當方形圓角養殖池的k2從0增加到0.166 7時，速度的變化較小；當k2=0.5時，各監測線上的速度差異最大，說明此種情況的養殖池中的流速大且流動混亂；隨著圓角半徑繼續增大，養殖池速度分布不均勻現象逐漸好轉，流速基本呈對稱分布，表明養殖池內的水流均勻穩定，形成了強度較高的渦流；當方形養殖池切角距離和圓角半徑較大或養殖池趨于圓形時，均勻的速度分布和較高的底部速度將更有利于顆粒物的排出，從而確保良好的水質條件。

圖5 不同池型結構的養殖池各監測線上的速度分布Fig.5 Velocity distributions of monitoring lines in ponds with different structures

3.2 池型結構對渦流結構的影響

圖6 不同池型結構養殖池的渦量分布Fig.6 Vorticity distributions of aquaculture ponds with different structures

總體來看，池型結構對于渦流的空間分布和結構形態有明顯影響。正方形養殖池形成的渦柱和渦環特征不明顯，渦絲分布紊亂；隨著養殖池趨于圓形，有旋流動現象凸顯，渦柱和渦環體積逐漸增大，同時由于旋轉流與池壁的作用力減小，渦絲量減少，渦流強度逐步增大。對比圖6a、6c、6d、6e、6f可以發現：隨著養殖池切角距離的增加，即切角距離與養殖池半寬比k1增大，渦柱、渦環體積增大，池內環流運動逐漸明顯，低速混合區逐漸減少；同時，靠近池壁的水流速度大、池中心速度較小的特征也逐漸顯現。對比圖6a、6g、6i、6j、6k、6l可以看出：隨著養殖池的圓角半徑增加，即圓角半徑與養殖池半寬比k2增大，養殖池流場呈現出與上述相似的規律；渦流形態和強度影響養殖池中固體顆粒分散和沖洗速率[19]；當方形養殖池切角距離和圓角半徑增大或養殖池趨于圓形時，水體混合更加均勻，死水區減少，有助于提高養殖池的自凈能力；然而，渦流強度過大也會增加養殖生物的應激水平[22]。

圖7為不同池型結構養殖池的三維流線圖，結果表明：方形養殖池的切角距離和圓角半徑較小時，水體質點運動規律性差、流態紊亂，隨著方形養殖池切角距離和圓角半徑的增加，切角和圓角對水流的引導作用加強，減少了水體質點與壁面間的正向碰撞，水體質點之間的不規則碰撞也相對減少，其運動軌跡逐漸轉為圍繞養殖池中心的有旋流動，流態較為穩定。

圖7 不同池型結構養殖池的流線圖Fig.7 Velocity streamlines of aquaculture ponds with different structures

此外，由于主旋轉流和養殖池底部的無滑移條件，養殖池內會產生二次流。二次流由池底的內徑向流和養殖池表面外徑向流構成，通過“通道渦原理”促進了養殖池中水體混合作用，其中內徑向流沿著池底攜帶沉淀固體顆粒物至水池中心排水口，從而實現養殖水體自凈。垂直面的流線圖(圖8)顯示了二次流的存在。由于養殖池型結構的不同，垂直平面中次旋轉流的分布和強度表現出顯著差異。圖8b、8c、8h、8k、8l中二次流特征明顯，在溢流管兩側分布也較為均勻和對稱；圖8f、8j中的二次流強度相對較弱；圖8a、8d、8e、8g、8i中二次流被破壞，強度降低。二次流的強度是水流產生混合作用的重要因素之一，固體顆粒被水流帶走而無法沉積在池底，從而確保養殖池中的水質均勻[23]。因此，能否產生強度高的二次流是評價養殖池性能的重要指標。

圖8 不同池型結構養殖池垂直監測面流線圖Fig.8 Streamline diagrams of vertical monitoring planes in aquaculture ponds with different structures

結合圖6～8可以發現：方形養殖池切角距離和圓角半徑較小時，水體質點之間以及水體與養殖池壁之間存在大量不規則碰撞和摩擦，引起較大的能量損耗，導致養殖池內出現許多低速混合區，池內水體混合性較差，不利于溶解氧等物質的均勻擴散，另一方面也使得池內湍流強度增大，水流紊亂，不利于固體顆粒物的沉淀和排出；當方形養殖池切角距離和圓角半徑增加或養殖池趨于圓形時，池內有旋流動逐漸凸顯，呈現出圍繞養殖池中心的規律性環流運動，渦流強度更高，二次流現象明顯，使得池內水體混合均勻性更好，促進溶解氧等物質的擴散和顆粒物的排出，從而創造更有利養殖生物生長的水環境。

3.3 水流均勻性指數特征

水流均勻性指數可作為衡量養殖池性能的水動力學指標和評估養殖生物生存條件的水文參數。在循環水養殖系統中，養殖池的水流均勻性指數越高，流動均勻性越好，對養殖生物的生長更有利[24]。另外，提高流動均勻性是減少大直徑顆粒物破碎的方法之一[17]。水流均勻性指數計算式為[18, 25]

(6)

式中γ——水流均勻性指數

uavg——橫截面上的加權平均速度，m/s

u′——橫截面上的流體微元速度，m/s

A——橫截面面積，m2

圖9a表明正方形養殖池各截面的水流均勻性指數γ相對較小，h=0.6 m的水平截面γ最小，低于0.7，正六邊形、正八邊形和圓形養殖池的γ普遍大于0.85，隨著養殖池趨于圓形，γ變化不大。圖9b表明隨著切角距離與養殖池半寬之比k1增大，方形切角養殖池各截面水流均勻性指數γ總體呈現先平穩后快速增加的趨勢。從圖9c看出，當方形圓角養殖池的圓角半徑與養殖池的半寬比k2<0.5時，γ隨k2增大呈現一定的波動，增長趨勢不明顯，當k2從0.5到1.0時，水流均勻性指數有明顯增長趨勢。從不同高度來看，h=1.8 m橫截面上的水流均勻性指數整體較高，隨著池型改變而增長的趨勢較小，這可能是由于養殖池頂部進水口的高度為1.7 m，射流對該橫截面上流場影響較小，速度相對穩定變化不大；另外，二次流對該橫截面上速度變化的影響較小，減小了流動不均勻性。

圖9 不同池型結構養殖池水平監測面的水流均勻性指數Fig.9 Flow uniformity indexes of horizontal monitoring planes in aquaculture ponds with different structures

3.4 能量利用效率特征

水體環流運動的能量主要由進水口射流提供，能量損耗主要來自于克服養殖池阻力和水體質點間相對運動的粘性阻力。利用體積加權水體速度vavg與射流速度vin的比值評估不同池型結構養殖池的能量利用率，如圖10所示。整體來看，當方形養殖池k1和k2增大或養殖池趨于圓形時，vavg/vin呈上升趨勢。圖10a表明，養殖池從正方形到正六邊形，vavg/vin大幅增長，而從正六邊形、正八邊形到圓形養殖池，vavg/vin增長緩慢。圖10b表明，隨著方形養殖池的切角距離與養殖池半寬比k1增大，vavg/vin呈先慢后快的增長趨勢。圖10c表明，隨著圓角半徑與養殖池半寬比k2的增大，vavg/vin增長速率呈現與圖10b相似的變化特征，但k2從0.833 3到1.0對vavg/vin影響不大。因此，由于大距離切角和大半徑圓角對于水流的引導作用更強，減少了水流與池壁的撞擊能量消耗，同時使水體質點軌跡趨于有規律的環流運動，減小了湍流動能和渦流粘度，提高了能量利用效率。由于不同池型結構養殖池能量利用率不同，要維持相同的適合水生物生長的水動力條件，就要調整養殖池的入口流量，與圓形養殖池相比，k1和k2較小的養殖池會產生更多廢水，水循環利用效率低。綜合分析可知，正六邊形養殖池、0.439 6

圖10 池型結構對能量利用效率的影響Fig.10 Effects of pond structures on energy efficiency

4 討論

本文研究了不同池型養殖池在1.5 m/s的射流速度下的水動力學特性。一般來說，養殖池最佳水流回轉速度可取每秒0.5～2.0倍的魚身長度，既能維持魚的正常呼吸又能促進肌肉的增強[26]。另外， TIMMONS等[27]研究表明：為達到期望的顆粒物去除效率，應適當提高底流流速，且池壁處的流速至少為15 cm/s。在養殖系統實際運行中，可根據養殖生物的生長需求、顆粒物沉淀及排出要求調整入口流量，獲得最佳的速度分布等水動力條件，文中速度分布特征及能量利用效率分析可為調整流量過程提供參考。

在構建節能、減排、高效的循環水養殖系統過程中，要綜合考慮養殖池的水動力特性、水體混合、自凈化能力、能量利用效率、土地利用率等因素。本文研究了不同池型結構養殖池的速度、渦量、流線分布特征，得到了流動均勻性指數、平均速度等參數，分析了養殖池水體混合及排污能力、能量及循環水利用效率、空間利用率，以此評估不同池型養殖池的綜合性能。養殖池水體混合及排污能力可通過溶解氧、顆粒廢物分布特征來體現，該方面有待進一步研究。另外，本研究得到的是理想狀態下的流場，未考慮養殖生物的影響。養殖生物的存在影響水體速度及固相顆粒的沉積[28]，因此，有養殖生物分布的養殖池水動力特性是下一步的研究方向。

5 結論

(1)從適漁性角度來看，在相同的養殖體積下，較大切角距離和圓角半徑的方形養殖池或池型趨于圓形的養殖池具有更好的水動力特性，包括均勻的速度分布、更高的底流速度、良好的水體混合性能和水體流動均勻性，高強度的渦流和二次流，這種水環境有助于溶解氧的混合和固體顆粒物的集聚和排出，實現最佳的養殖對象生長條件。

(2)從循環水利用效率來看，當切角距離與養殖池半寬比k1和圓角半徑與養殖池半寬比k2較小時，養殖水體平均速度較低，對射流的輸入能量利用效率低，要維持適宜的速度范圍就要增大射流速度，進而產生更多廢水，降低了循環水養殖系統的循環水利用率和經濟效益。

(3)從養殖池的空間利用率來看，在相同的養殖體積下，方形養殖池的切角距離和圓角半徑較大或養殖池趨于圓形時，養殖池的寬度也越大，不利于提高養殖空間的利用率。綜合分析可知，正六邊形養殖池、0.439 6