文丘里曝气器布置对循环水体增氧效率的影响

文丘里曝气器布置对循环水体增氧效率的影响*

程香菊1邝韵琪1林雯昕1谢骏2许挺达1

(1.华南理工大学 土木与交通学院, 广东 广州 510640； 2.中国水产科学研究院 珠江水产研究所, 广东 广州 510380)

摘要：为实现封闭循环水养殖系统中溶解氧的动态平衡，运用“对冲流动”理念与文丘里曝气器的自吸气增氧原理，设定15种工况，探究文丘里曝气器的对冲方式对水体增氧的影响.结果表明：氧体积传质系数与循环水体流量成正比；在同一流量条件下，氧体积传质系数与文丘里曝气器淹没深度成反比.结合增氧效果与对冲循环流场特性，建议在养殖初期与后期将文丘里曝气器安装为A—B层错层对冲，而在养殖中期调整为A—C层错层对冲.

关键词：文丘里曝气器；循环水养殖系统；增氧；对冲流动

中图分类号：S9；X1

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2015.03.018

溶解氧(DO)作为水中鱼类生长不可或缺的元素，其含量的多少直接影响着水产养殖的好坏.淡水养殖中DO质量浓度在4～12mg/L为宜[1].现阶段国内外水产养殖鱼类产业逐步向有限空间内养殖高密度鱼类发展，使水中的DO浓度远远不能够满足鱼类需求.因此，如何有效地提高有限空间内的DO浓度，维持DO的动态平衡，已成为研究的热点.

封闭循环水养殖系统因其节约土地和水、环保、高产以及产品安全可控等特点，成为当前和未来推动水产养殖可持续发展主要养殖模式之一[2].美国德克萨斯州一公司提出在封闭循环水养殖系统中采用“对冲流动”的增氧方法[3]，即在养殖水池底部安装曝气棒，利用空压机将空气压入水体；在水池两侧壁设置不等间距的小孔，在抽水水泵的带动下，水从小孔流入，使池塘水体形成对冲流动形态.该“对冲流动”特殊流场构建的目的可以总结为两点：①有效地促进了残饵和粪便的聚集和排出；②增加了水体紊动强度，使水体混合均匀，提高了增氧效率，使养殖产量大幅提高.该方法已广泛应用于美国Iowa、Minnesota等州的养殖工厂中.尽管该方法养殖效果较为明显，但是，从循环养殖系统的装置发现：一方面，池底曝气棒充氧需要一个外接空压机；另一方面，使水流循环又需要一个外接水泵.增氧空压机的存在使养殖环境噪声增大，鱼类可能出现烦躁不安的运动行为，会导致鱼类听力、生长受阻[4-5]；此外，还增加了能源的额外使用和消耗.在追求“低碳”的今天，同时也为了降低养殖成本和提高养殖水平，如果能找到一种较优的循环水体养殖模式，既能形成“对冲流动”的特殊流场特性，促进残饵和粪便的聚集和排放，还能在此基础上顺带增加溶解氧，节约能源，降低能耗，那将是循环养殖行业的一个重大创新.

文丘里管本身是测量管道中流量大小的一种装置，Baylar、Emiroglu等[6-12]利用水流在文丘里管喉管部位形成的负压对文丘里管进行改进，在喉管处开孔使其与外接空气相连，在大气压作用下压入空气到水体中与水体形成水气混合体，对其增氧效果进行了一系列的试验研究，发现能有效地提高水体溶氧量；这种改进后的文丘里管被称其称为文丘里曝气器.从Ozkan和Baylar等[9-12]的试验数据可以看出，利用文丘里曝气器增氧，吸气量与入水量的比值范围约为0.15～0.60，可见其吸气量足够，增氧潜力可观.因此文中基于文丘里曝气器的自动吸氧原理，结合“对冲流动”的循环装置，探讨了仅用一外接水泵就能充分增氧的方法；并针对文丘里曝气器的布置深度、对冲射流方式等作一系列试验研究，探寻增氧效果较优的文丘里曝气器布置方式，可为推广文丘里曝气器在封闭循环水养殖系统中的应用提供理论依据.

1基本理论1.1文丘里曝气器吸气原理

文丘里曝气器工作结构如图1所示.其中，D1为入口端断面直径，D2为收缩段断面直径.收缩段有效地将压强水头转变为流速水头，突扩段则将流速水头转变为压强水头.由于收缩喉部段管径较小，使得流速增大，气压减小，扩张尾部段管径较大，流速与压强逐渐恢复到与入口端一致，水头损失较小[12].入口端与喉部间的伯努利方程为

(1)

式中：下标1、2分别为图1中相应断面；p为压强；z为位置水头；v为水体平均流速；hw为水流通过1—1和2—2断面的水头损失，由于两断面相距较近，可忽略不计；ρ为水的密度；g为重力加速度.

从式(1)可知，文丘里曝气器吸入空气的原理是：由于在喉管断面的管径突然减小，断面平均流速v2增大，压强p2突然减小，当其小于大气压时，空气从气孔进入并掺入水流，形成许多大大小小的气泡.由于尾部管径增大，含气水体流速减小，恢复到原来入口端水压，水气混合体被射入水体.

图1　文丘里曝气器结构示意图 Fig.1　Schematic diagram of Venturi aerator structure

1.2文丘里空气射流增氧理论

根据气液传质双膜理论[13-14]，文丘里空气射流增氧主要来自两个途径：一方面，从文丘里喉管处的气孔吸入空气进到水里，形成许多大小不一的气泡，气泡在循环水流作用下迁移至水体一定水深处，在水体静压的作用下，气泡内的空气在水气界面不断地与周围水体进行质量传输，释放空气溶于水中，导致水体DO含量增加；文丘里射流器不同的布置水深、对冲射流方式都可能引起吸气量、气泡数量及大小、气泡与水体的接触时间等发生变化，从而影响气泡—水界面的传质及增氧效率.另一方面，在对冲射流过程中水体紊动增强，水面附近的涡体以较大的能量向自由表面处随机游动，造成自由表面的凸凹不平，甚至使自由表面破碎;水体表面与空气充分接触时，在气相与液相之间的界面上、下存在空气与水体两层薄膜，无论水体紊动多么强烈，气膜、液膜总是存在，在紧贴大气的液膜表面总能得到充足的大气量，空气通过液膜表面总能源源不断地进入水体并成为溶解氧.

美国土木工程协会(ASCE)提出了DO质量输移模型(如式(2)所示)，将水—气自由界面传质和气泡—水界面传质统一考虑，采用氧体积传质系数衡量水体增氧效率.

(2)

(3)

式中，C0为DO初始质量浓度.

氧体积传质系数一般随温度而变化，为了统一温度以作比较，根据ASCE[15]，氧体积传质系数由试验温度换算为标准温度20°C的关系式为

(KLa)20=(KLa)θ×1.024(20-θ)

(4)

式中，(KLa)20为20℃下的氧体积传质系数.

2试验装置及测量

循环水增氧试验装置如图2所示，主要包括玻璃水池、文丘里曝气器、涡轮流量计、空气流量计、水泵、连接管道等.由有机玻璃板(厚度为15mm)拼装成尺寸为2m×0.8m× 0.8m(长×宽×高)的试验玻璃水池(水池左右侧壁为对称装置).采用广州创环臭氧电器设备有限公司生产的CH25100型文丘里曝气器，进水和出水口内径D1为9mm，喉部内径D2为3.5mm.在水池纵向侧壁上钻孔，使文丘里曝气器对称安置于孔口，分3层布置，每层各有8个文丘里曝气器，共3×8×2=48个，且均安装有阀门以控制其开闭.文丘里射流器距池表面从上往下依次为20、40、60cm，并称为A层、B层和C层，文丘里射流器自远离水泵一侧至靠近水泵一侧依次称为1-8列，纵向间距为22cm.水循环系统由水泵、回水装置、涡轮流量计、文丘里射流器、连接管道组成.

图2　试验装置照片 Fig.2　Picture of experimental device

1—水泵； 2—文丘里曝气器； 3—粗调阀门； 4—微调阀门； 5—文丘里曝气器开关； 6—输水管； 7—抽水管；8—回水管； 9—涡轮流量计； 10—空气流量计

表1本试验各工况示意图
Table1Schematicdiagramsofallconditionsinthetest

对冲类型工况层数俯视图侧视图对称碰撞对冲1A—A2B—B3C—C错层对冲4A—C5A—B6B—C

续表1

试验采用自来水，水深70cm.由于循环水增氧试验装置基本不改变原有水体中物质成分与含量，且起到使水体混合均匀的效果，所以根据ASCE标准[15]对水体DO含量进行测量.水循环系统开始运转之前，在水体中加入相应量的Na2SO3溶液和催化剂CoCl2，充分搅拌，使水体初始DO质量浓度接近为0.打开水泵阀门和文丘里曝气器阀门，调节入水流量，使水体通过文丘里曝气器，吸气混掺后射入水体中增氧曝气，直到DO质量浓度趋于稳定为止.DO质量浓度、水温、压强的测量采用两台YSIProODO光学溶解氧测量仪，并与电脑连接，通过专业软件，每隔5s读取DO、压强、水温随时间的变化值.两台溶氧仪等间距放置在水池中央.入水流量通过涡轮流量计读取；吸气量Qa通过连接在气孔塑料软管的空气流量计读取.为探讨文丘里曝气器的布置以及对冲方式对循环水体增氧效率的影响，本试验共设定了15种工况，如表1所示.为保证试验的对比性，每个工况的文丘里管工作数量均为16个.其中，文丘里曝气器错位对冲试验根据错位方向不同，可分为错层对冲与错列对冲.错列对冲试验则可分为四列错位对冲、两列错位对冲以及单列错位对冲3种工况.每个工况调节5组不同的入水流量以拟合各工况下溶解氧质量浓度随流量的变化.

3试验结果与分析

根据式(3)，应用高斯-牛顿法的非线性回归分析方法，对试验数据进行计算，得到不同工况下的氧体积传质系数(KLa)θ.采用式(4)对(KLa)θ进行温度修正，得到各工况标准温度20°C时的(KLa)20.

3.1各层碰撞对冲试验结果

分别有A—A层、B—B层与C—C层3种工况，如表1中工况1-3所示.各工况下共有5组不同的入水流量，每组流量各对应一条溶解氧浓度随时间变化的曲线，文中仅展示A—A层碰撞对冲工况下不同流量溶解氧浓度随时间的变化曲线，如图3所示.利用数理统计方法计算各组流量对应的氧体积传质系数(KLa)20的值，拟合相关系数r2接近于 1，说明采用该方法拟合氧体积传质系数是合理可行的[16].比较碰撞对冲3种工况，由图3、4可以看出，在同一深度条件下，无论是A层、B层还是C层，流量与氧体积传质系数均呈线性递增关系，即流量越大，溶解氧质量浓度随时间的变化曲线斜率越大，达到溶解氧饱和值所需的时间越短.这主要是因为，随着循环水体流量增大，池内水体紊动强度增大，使得水体自由表面旋滚强烈，与空气的接触面积增大，有利于水—自由表面的氧传质[17-18]；另一方面，由于文丘里曝气器的特殊结构，水体流量越大，吸气量越大，进入到水中的气泡也越多，气泡与水的接触面积越大，越有利于气泡—水界面的传质.从图4也可以看出，在同一流量条件下，氧体积传质系数与文丘里射流器淹没深度呈线性递减关系.当入射流量恒定不变时，随着淹没深度的递增，文丘里射流器喉管处受到的静水压强也增大[9]，导致其与大气压的压差变小，吸气量也减少，氧溶解于水中的效率也逐渐降低.

图3　A—A层碰撞对冲DO质量浓度随时间的变化 Fig.3　Changes of DO concentrations with time under the condition of A—A layer opposing flow

图4　各层碰撞对冲下氧体积传质系数随流量的变化 Fig.4　Changes of volumetric mass transfer coefficient with flow rates under the condition of symmetrical flow

3.2错位对冲试验结果

3.2.1错层对冲试验结果

错层对冲分别有A—B、A—C和B—C层3种工况，如表1工况4-6所示.试验结果如图5所示.由碰撞对冲试验得知，在流量相同的情况下，越靠近水面的层数吸气量越大，即A、B、C层吸气量依次递减.当流量较小时，A—B层因所处水深较浅，吸气量较大，提高了气泡中氧气与水体相际传质的潜力；同时，A—B层更接近水体表面，表面凹凸不平现象更为明显，与空气接触面积增大，有利于水—自由表面的氧传质；且射流错位喷射促进了水体上下交换，使水中DO充分混合，提高了溶氧效率；A—C层吸气量次之，且由于位置相隔较远，等同于A—C层各自单向喷射，水体紊动较弱，湍动扩散不明显，增氧效果不理想；B—C层因处于水箱底部，虽气泡与水接触时间最长，但文丘里射流管出口处受水压较大，吸气量最少，溶解氧体积传质效果也略差.当流量较大时，水体紊动强度加剧，A—C层工况下气泡对水体的搅拌作用愈加明显，湍动扩散效果逐渐提高，上下水体得到有效地混合，提高了空气泡与水的传质速率；在A—B层工况下，虽然入气量最多，但因漩涡较接近水面，气泡溢出水面的量也多，在湍流漩涡的干扰下，气泡连续不断地加速上升[19-20]，与水体接触时间减少，氧气未得到充分溶解就已逸出水面，水体传质速率逐渐减缓，到一定流量值后与B—C层工况越趋接近；B—C层由于接近底部，气泡从底部至水面有充分的时间与水体接触并溶解，水体流量越大，含气水体湍动扩散、气液搅拌混合作用越明显，氧体积传质系数提高.

图5　错层对冲下氧体积传质系数随流量的变化 Fig.5　Changes of volumetric mass transfer coefficients with flow rates under the condition of stagger flow between layers

3.2.2错列对冲试验结果

错列对冲共有3种工况，分别为四列错位对冲、两列错位对冲和单列错位对冲.如图2所示，从远离水泵一侧至靠近水泵一侧依次将文丘里曝气器分为1-8列，四列错位对冲为分别打开装置两侧的1、2、3、4列文丘里射流器，两列错位对冲为打开1、2、5、6列文丘里射流器，单列错位对冲为打开1、3、5、7列文丘里射流器，3种工况均打开四列两层文丘里射流器，共16个.此时，3种工况都分别做A—B层、B—C层、A—C层3组试验，图6-8给出了3组试验结果.

图6　四列错位对冲下氧体积传质系数随流量的变化 Fig.6　Changes of volumetric mass transfer coefficients with flow rates under the condition of stagger flow in four columns

图7　两列错位对冲下氧体积传质系数随流量的变化 Fig.7　Changes of volumetric mass transfer coefficients with flow rates under the condition of stagger flow in two columns

图8　单列错位对冲下氧传体积质系数随流量的变化 Fig.8　Changes of volumetric mass transfer coefficients with flow rates under the condition of stagger flow in one column

由图6-8发现，错列对冲试验中3种工况的趋势与错层对冲有相似的结果，即：当小流量时，A—B层组合占优，大流量时A—C层组合较好，这再次验证了3.2.1节中的原理分析.

对比四列错位对冲、两列错位对冲与单列错位对冲的结果，发现四列错位对冲工况较优，溶解氧体积传质系数约为11h-1，两列与单列错位对冲结果相近，约为9.8h-1，表明四列错位对冲工况更有利于水体搅拌，提高了气泡—水界面传质效率.

四列错位对冲工况下，两组文丘里曝气器相互影响较低，水体紊动强度主要由射流流量大小所决定.单列错位对冲工况下，由于文丘里曝气器的对向布置较四列工况时更密，异组文丘里曝气器相互影响较高.此时水体紊动强度主要由气液两相间剧烈的剪切摩擦作用与射流流量所决定.与四列错位对冲工况相比，单列错位工况下水体湍动程度较强，雷诺数较高，形成的漩涡尺度较小，湍流中主要由小涡体占据，属统计平衡区，获得的单位能量大部分与能量耗散率相平衡[17-19]，水体单位净能量较四列错位工况小，湍动扩散效果与气液搅拌混合均较弱，气泡中的氧气与水体传质效率不高.

四列错位对冲工况与错层对冲工况相比，尽管小流量时两者增氧效果持平，但大流量时，后者的增氧趋势更为明显，溶解氧体积传质系数可达12h-1或以上，且错层对冲更有利于上下水体搅拌作用，避免因错列对冲所造成的水中溶解氧分层分布的现象.因此，错层对冲比错列对冲工况更优.

3.3较优增氧模式分析

从上述分析可知，在一定流量范围下，水体湍动程度越剧烈，含气水体湍动扩散越快，气液间搅拌混合作用越明显，越有助于气泡中的氧气溶于水中.但当湍动强度达到某一临界值时，气泡逸出量也会增多，氧气未得到充分溶解就已逸出水面，增氧效率降低.因此，文丘里曝气器增氧效果存在一个最优湍动强度值.该最优湍动强度值主要受射流流量、文丘里曝气器位置分布等因素影响.对比上述碰撞对冲和错位对冲的15种工况试验下，发现了较优的3种工况，分别为A—A层碰撞对冲、A—C层错层对冲与A—B层错层对冲，结果对比如图9所示.由图9可知，A—B层错层对冲对增氧效果与A—A层碰撞对冲工况类似.在小流量情况下，适宜将文丘里管设置为A—B层错层对冲或A—A层碰撞对冲；在大流量情况下，适宜将文丘里管设置为A—C层错层对冲.

潘树良、梁玉芬等[21-22]认为，在鱼苗养殖初期，残饵和粪便产量较少，同时鱼苗也需要适应流水环境，因此水流应控制为缓流水；在养殖中期，残饵和粪便产量增加，为更好地促进残饵和粪便的聚集和排放，防止水质恶化，循环水体流场需强化，循环水流量需加大；而到了养殖后期，为减少鱼类体力消耗，水体流速应放缓，即流量应相应减小.考虑到碰撞对冲工况可能会使鱼类身体受损，因此文中建议，在养殖初期与后期，即循环水体需控制为缓流水时，将文丘里曝气器安装为A—B层错层对冲，而在养殖中期，即流量需增大时，调整为A—C层错层对冲.

图9　试验中最优组合氧体积传质系数随流量的变化 Fig.9　Change of volumetric mass transfer coefficient with the flow rates in optimal conditions

4结论

文中基于在封闭循环水养殖系统中的“对冲流动”理念，依据文丘里曝气器的自吸气原理，对文丘里曝气器不同的布置深度、对冲射流方式等对增氧的影响进行了一系列的室内模拟试验，分析得到如下结论：

(1)在文丘里曝气器对冲增氧系统中，氧体积传质系数与循环水体流量成正比；在同一流量条件下，氧体积传质系数与文丘里射流器淹没深度呈线性递减关系.

(2)在错层对冲喷射试验中，当喷射流量较小时，A—B层较A—C层、B—C层增氧效果占优；随着喷射流量的增加，A—C层上下水体得到有效地混合，气泡与水的传质速率增加，增氧效果占优.

(3)在错列对冲试验中，当小流量时，A—B层组合占优，大流量时A—C层组合较好；而四列错位对冲与两列错位对冲和单列错位对冲相比增氧效果较优.

(4)对比碰撞对冲和错位对冲的15种工况试验结果，提炼出增氧效果较优的3种工况，分别为A—A层碰撞对冲、A—C层错层对冲与A—B层错层对冲.结合增氧效果与残饵和粪便的聚集效果，建议在养殖初期与后期，将文丘里曝气器安装为A—B层错层对冲，而在养殖中期，调整为A—C层错层对冲.

文丘里曝气器的自吸气原理使本试验既达到了水体“对冲流动”状态，促进了残饵和粪便的聚集，又有效地增加了水体的DO含量.但是，在气液两相流对冲流动过程中，一方面，残饵和粪便的有效聚集与水体循环流场密切相关，另一方面，水体的增氧受水流结构、气泡大小、数量等因素的影响，如何从机理上更深入地分析射流器的布置对残饵聚集和有效增氧的影响，则需要对文丘里曝气器不同的布置所产生的流场进行详细的测量和分析，这是笔者下一步研究的重点.

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EffectsofArrangementofVenturiAeratorsonAerationinRe-CirculatingWater

Cheng Xiang-ju1KuangYun-qi1LinWen-xin1XieJun2XuTing-da1

(1.SchoolofCivilEngineeringandTransportation,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,Guangdong,China;

2.PearlRiverFisheriesResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Guangzhou510380,Guangdong,China)

Abstract:In order to achieve dynamic balance in a re-circulating aquaculture system (RAS), the idea of“opposing flow”and the principle of Venturi air entrainment were adopted, and 15 experimental conditions were determined to investigate the effect of opposing flow on the aeration in water with different Venturi settings. The results show that the volumetric mass transfer coefficient of oxygen is proportional to water flow rate, but is inversely proportional to Venturi setting depth at the same flow rate. By comprehensively considering the aeration effect and the re-circulating opposing flow characteristics, it is suggested that Venturi aerator should be set as A—B stagger layer at the beginning and the end of cultivation, while it should be switched to A—C stagger layer in the mid-term cultivation.

Keywords:Venturiaerator;re-circulatingaquaculturesystem;aeration;opposingflow