養殖工船高壓增氧錐外形優選及配件開發

王 君，謝永和，李德堂，高煒鵬，陳 卿，張佳奇，王云杰，洪永強

1. 浙江海洋大學 a. 海洋工程裝備學院，b. 船舶與海運學院，浙江 舟山 316022

2. 中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，上海 200092

隨著養殖技術水平的不斷提升，水產養殖業正逐漸朝工廠化、集約化方向發展[1-4]。根據中國漁業統計年鑒數據[5]，2022 年我國海水養殖產量占總養殖產量的四成以上，海水養殖面積增長率為淡水養殖的2.4 倍以上，且主要集中在近海。增大海水養殖面積，減少環境污染，向深遠海要空間，是我國海水養殖業結構轉型的重要方向[6-7]。發展深遠海養殖，對保障糧食安全、促進水產行業供給側改革和近岸海域生態修復意義重大，具有廣闊的市場前景和重要的戰略意義[8-10]。然而，目前我國海水養殖設備研發水平仍較落后，生產效率不高。隨著深遠海養殖浪潮的興起，其配套裝備的開發已迫在眉睫[11-14]。早在20 世紀70 年代末，隨著“未來海洋牧場”概念被提出，養殖工船這一構想應運而生，并在近年取得了顯著的理論成果[15-16]。其中，以養殖工船為代表的深遠海養殖裝備及其相關設備的創新與開發，是建設“藍色糧倉”的重要舉措。

增氧錐由 Speece 博士于 1969 年發明，并以“Speece Cone”作為專有名詞命名[17]。增氧錐安裝時無需與養殖池直接接觸，且不占據養殖空間；若有2 臺以上增氧錐，可實現設備檢查維護時不停產。增氧錐本身無動力設備，其增氧時需用水泵向錐體內部自上而下供水，使養殖乏氧水流經整個增氧錐，同時有外接氧氣瓶或是制氧機的曝氣管向錐體輸送氧氣。借由上窄下寬的結構外形，形成頂部流速大、底部流速小的流場結構。根據流體力學原理[18]，進入增氧錐內部的氧氣氣泡會始終在頂部波動，實現氣液接觸，不停地與進入錐體的低溶解氧水進行混合，從而增加水中的溶解氧，達到向水體增氧的目的。同時因其密閉的結構，多余未溶解的氧氣也不會擴散到空氣中，而是在錐體內持續波動，或通過特殊的回收管道回收再次參與混合[19]。完成氣液混合的高溶氧水由增氧錐下方的出水口流出，整個過程中氧氣的利用率最高可達到90%，符合節能高效的綠色生產模式。

在對增氧錐的相關研究中，Ashley 等[17]通過試驗驗證了增氧錐在不同高度及不同氣液流量比情況下的增氧效果，優選了常規情況下增氧效率較高的氧錐設計參數。Ashley 等[20]試驗測試了不同水流量和氣體流量情況下增氧錐的氧氣利用率，并比較了純氧增氧與傳統空氣增氧的效率差別。陳有光等[21]試驗分析了氧氣流量與增氧錐增氧效率的關系，推算了增氧錐的氧氣利用率關系式，為增氧錐工作時根據養殖情況設置合理的氧氣輸入量和水流量提供了理論依據。然而，針對養殖工船這一特種高密度養殖方式，常規的增氧錐設計方案仍有優化的余地。本研究通過增大增氧錐溶解氧壓力以提升增氧效果，利用公式及軟件模擬分析高壓情況下增氧錐截面角度對內部流場的影響，并開發相應配件輔助其增氧；通過自主設計的軟件控制模塊，搭建出整體試驗系統，并于模擬水池進行試驗，驗證配件的開發效果，以期為以養殖工船為代表的深遠海養殖增氧設備的設計與生產提供參考。

1 流場分析軟件與方程求解方法

隨著計算流體動力學 (Computational Fluid Dynamics, CFD) 的應用場景越來越多，各種建模仿真軟件開始開發適配于自家基礎功能的流體仿真分析插件，利用流體仿真軟件進行數值模擬，能夠較為快速、直觀地獲得流體的運動軌跡圖和壓力、速度等物理性質的分布圖，在實際圖像的基礎上進行分析優化，可大幅減少試驗研究的工作量[22]。達索公司開發的軟件SolidWorks，作為三維設計軟件中應用最廣泛、兼容性最佳的產品，主要用于機械設計，同時還具有大量可應用于各種行業的功能性插件。本文采用 SolidWorks 軟件繪制出三維模型后導入到Flow simulation 插件中，運用其快速分析的特點，不過于追求仿真的準確性，主要突出對比不同外形模型的效果，進行配件選型、外形選優的研究工作。

根據氣液兩相流原理可知，氧錐在工作時，增氧效果主要取決于氣泡與水接觸的充分程度[23]。增氧錐模型與傳統文丘里管結構相似，唯一不同在于文丘里管是借助其結構產生的負壓吸入氣體，而增氧錐靠外界壓力輸送氣體；歸根結底二者都是氣液兩相流的雙流體模型。同時，因為增氧錐自上而下流通面積的增大，液體速度徑向分布的均勻性較差，導致其內部的流場結構也較為復雜，易產生非對稱湍流。下面根據其氣液雙流體模型與混合湍流性質進行理論公式的推導。

1.1 守恒方程

氣液兩相流模型的連續性方程表達為 (b 為氣相，l 為液相)：

式中：t為液相與氣相的交流時間；εl和εb分別為液相和氣相在氧錐內所占的體積分數；ρl和ρb為液相和氣相的密度；υl和υb為液相和氣相在氧錐內的流動速度。

動量守恒方程表達為：

1.2 混合湍流模型

因高壓增氧錐內氣液兩相流速均較大，層流被破壞，相鄰流層間產生混合，形成多相流湍流，可利用混合湍流模型進行描述。混合湍流模型是單相k?ε模型的擴展，適配于氧錐內的分層多相流。運用混合物的性質和速度可有效捕捉湍流現象。

式中：k為湍流動能；ε為混合體積分數；ρm為混合密度；vm為混合速度；μt,m為混合黏度；Ck,m為平均速度梯度產生的湍流能；C1ε和C2ε是常量；σk和σε是k方程和ε方程的湍流普朗特數。

2 增氧錐優選方向與仿真結果分析

針對某養殖工船技術指標：增氧錐溶氧壓力為0.7 MPa、增氧錐流量大于45 m3·h?1即可滿足使用要求，圍繞這2 個物理屬性，對增氧錐的外形及相關輔助配件進行優選和開發。

2.1 利用單一液相流體仿真優化增氧錐外型

傳統的增氧錐因在露天安裝，無需考慮其空間問題，而養殖工船由于空間緊湊，需要優化設計其外型，使其既滿足養殖需要又能減小空間占用。選擇在同一高度下，對增氧錐的角度進行對比分析，優選特定工況下增氧效果最佳的角度。參考文丘里管慢速端設計角度介于23°～35°，且減少空間占用取偶數角度，最終選定截面角度分別為24°、28°、32°，將SolidWorks 軟件繪制的3 個不同角度的增氧錐置于同一建模環境，設置其出入水口的邊界條件參數相同，采用Flow simulation 插件進行網格化分析，進行單一液相的流體仿真 (圖1)。

圖1 24°、28°、32° 截面角度的流體仿真分析圖Fig. 1 Analysis diagram of fluid simulation at 24°, 28° and 32° section angles

結果顯示，相較于其他2 個角度，增氧錐截面角度為28° 時，其錐內流體的最大速度值最高。根據伯努利原理，增氧錐中水的流速越大，氣泡受到的壓強則越小，流速自上而下越來越慢，而壓強則自上而下越來越大，迫使氣泡向上聚集，最終處于受力平衡的動態懸浮狀態，極大地延長了氣液接觸時間。氣泡的懸浮波動和接觸時間的延長，更有利于氧氣與水的混合交換，增加了氧氣的利用率，從而提高了增氧錐的溶氧效率。

本研究同時還發現，由于增氧錐喉管附近的液體速度較大，隨著增氧錐橫截面面積的增加，錐內液體流速逐步降低，液速徑向分布的均勻性較差[24]，液體發生了偏流現象 (圖2-a)。隨著增氧錐角度的改變，所產生的偏流現象也發生了變化，增氧錐的角度越大則偏流效果越小。并非要完全避免偏流現象才能使其工作效率最高，適當的偏流現象反而有助于底部氣泡向上聚集。經亞克力增氧錐模型試驗 (圖2-b) 發現，喉管偏下處位置水流與氣泡偏流現象較明顯，可看出右側氣泡波峰明顯高于左側。同時為切合節能環保型的綠色生產原則，較之其他角度，增氧錐截面角度為28°時具有較高的水流速度，也因適當的偏流現象帶來了較好的溶氧效果；并且在加工過程中發現，28° 的圓錐展開扇形角度約為88°，這在生產加工上有一定的優勢 (1 張整圓鋼板可生產4 臺氧錐的錐形筒，從而使余料最小)。

圖2 增氧錐發生的偏流、回流現象和實驗模擬過程中發生的偏流Fig. 2 Partial flow and reflux in speece cone and biased flow occurred during experimental simulation

2.2 利用氣液兩相流體仿真開發增氧錐配件

傳統增氧錐曝氣設備通常安裝在一側或是安裝在水流經管的增氧錐內部，這會破壞增氧錐內流體的穩定性。且部分曝氣設備由于進氣口單一，產生的氣泡較大，不如微氣泡表面積大、氣含率高、上升速度慢、溶解速度快且更容易溶解于水[25]。根據文丘里管原理和微氣泡理論，筆者設計開發了一款新式多孔結構環形微孔曝氣射流器[26-27](圖3-a)：

圖3 微孔曝氣射流器截面圖和流體仿真圖Fig. 3 Cross-sectional view and fluid simulation diagram of microporous aeration jet

環形進氣結構可以最大限度地保持原有液體的流動軌跡；微孔結構能夠產生大量微氣泡，使氣液交換更加充分；結合房燕等[19]的研究結果，調整氧氣輸送位置，置于氣泡黏連效果影響最小的喉管上方，盡可能保持微氣泡的品質和數量。當氧氣由曝氣裝置流出時，通過文丘里結構產生的負壓與水流進行氣液交換，剩余未溶于水的氣泡一部分仍停留在曝氣管內與水體交換，另一部分則進入增氧錐中，與未發生交換或交換后氧氣發生逃逸的水體進行再次交換。

對微孔曝氣射流器進行流體仿真，采用進水壓力0.7 MPa、進氣壓力0.2 MPa 的增氧錐作業，觀察內腔壓力流速等分布情況，由此分析該配件的合理性，檢驗是否會因進水壓力過大導致水流進入氣管引發功能失效。圖3-b 的仿真結果顯示，根據其文丘里特性，水流經管曝氣管喉管位置產生的負壓區仍在喉管處內部，其壓力也低于輸氣管道壓力，故不會發生水流誤入氣管的情況。

3 增氧錐設備整體仿真及試驗模型驗證

3.1 增氧錐設備整體仿真

以上對增氧錐的溶解氧壓力指標要求進行了分析。現對增氧錐及其配套管路采用SolidWorks 進行建模裝配：進出水管路尺寸為DN80 (公稱直徑80 mm)，使用3 個90° 通件依次連接水管和曝氣射流器，壓力突變部分、射流器與增氧錐之間采用可靠性更高的法蘭連接；隨后進入Flow simulation 進行流體仿真分析，設定其進口壓力為0.7 MPa，連接觀察其出水的速度，同時經由仿真軟件模擬出水在增氧錐內的流動情況，以便確定其流量技術要求是否達標。

設置增氧錐進水壓力為0.7 MPa 進行仿真，由圖4-a 可知，該工況下增氧錐內的流速平均值為2.6 m·s?1；根據管徑、流速、流量對照表 (表1)，當管徑規格為DN80、液體流速為2.6 m·s?1時，流量為48 m3·h?1，滿足預先規定的技術指標(大于45 m3·h?1)；通過觀察Flow simulation 生成的增氧錐內部液體流動軌跡圖 (圖4-b)，得出其內部液體走向也符合預期。

表1 管徑、速度、流量對照表Table 1 Check list of caliber, velocity and rate of flow

圖4 增氧錐整體速度分布圖和內液體流動軌跡圖Fig. 4 Overall velocity distribution plot and diagram of liquid flow trajectories in speece cone

3.2 增氧錐實驗模型驗證

采用如圖5-a 所示的系統裝置進行試驗。增氧錐自動控制系統由監測系統、控制系統與氣液混合系統組成。以溶解氧傳感器等組成的溶解氧監測系統可通過測量水中的溶解氧濃度進行輸入數據的采集處理。結合蔣建明等[28]、周紅標[29]和史兵[30]的研究成果，以可編程邏輯控制器 (Programmable logic controller, PLC) 為控制系統，采用Matlab R2016a 軟件設計水質監測程序，對傳感器的數據與當前需氧量進行對比，再將判定結果傳輸到水泵變頻器，以控制高溶氧水的流量，從而調節水中溶解氧水平[31]。實際水池試驗如圖5-b 所示，通過PLC 控制氧氣瓶氧氣的流量，與水泵供水從水池左側吸入的水同時進入增氧錐，最后于增氧錐中進行氣液混合，流出的高含氧水體于右側進入水池，經水體的流動擴散開來，達到全局增氧的效果。

如圖6 所示，根據某養殖工船養殖艙內08:00—16:00 的溶解氧監測數據發現，溶解氧質量濃度達到10 mg·L?1時，即可滿足大部分時間的溶解氧需求。故以10 mg·L?1為檢驗指標，在其他條件相同的情況下，比較了有無微孔曝氣裝置的增氧錐內水體溶解氧的質量濃度從5 mg·L?1到達10 mg·L?1的速度。由圖7 可得，當增氧錐安裝微孔曝氣射流器時，對水體溶解氧提升速度較為明顯。

圖7 增氧錐內溶解氧提升速度對比Fig. 7 Comparison of dissolved oxygen enhancement rates in speece cone

4 討論與小結

目前針對增氧錐開展的研究較少，僅見個別研究對增氧錐進行了CFD 數值模擬[32]，與其較為平整的仿真結果不同的是，本試驗的仿真結果偏流現象明顯，這可能是由于兩種數值模擬軟件的偏差以及仿真時邊界條件的參數設置不同所致。本試驗增氧錐的壓力較一般的增氧錐更大些，且因曝氣管的文丘里喉管區域流速過快，導致偏流現象嚴重。此外，溶解氧傳感器的放置位置也是造成差異的原因之一，監測位置離出水口越近，傳感器的讀數變化越明顯，這是本試驗結果與其他研究不同的原因之一。

因客觀條件所限，本試驗并未對設備的氧氣利用率進行深入探究。同時在試驗過程中也發現，溶解氧傳感器的精確度及增氧錐增氧系統軟硬件的配合性對增氧系統溶解氧效果的影響較大，后續有待深入研究溶解氧傳感器精度的補償性算法及增氧錐系統的智能控制方法，軟硬件同步適配開發也是后續研究的重點和難點。

根據Flow simulation 流體仿真數值模擬及實際數據分析，本文提出了增氧錐截面角度為28° 結構優化方案及環形微孔曝氣射流器配件開發，其在一定條件下能夠有效提高增氧錐的增氧效果。作為針對養殖工船特定工作環境開發的配件，對于積極推進深遠海養殖業發展具有重要現實意義，并可為養殖工船等深遠海養殖設施的增氧設備設計與生產提供參考。