方形圆弧角养殖池射流间距对流场特性的影响

季 川，李 健，陈 钊，战文斌

(1 中国海洋大学水产学院，山东 青岛，266003；2 中国水产科学院黄海水产研究所，山东 青岛，266071)

工厂化循环水养殖是现代渔业的重要发展方向，是一种结合生物技术、工程技术以及控制仪表等方法为一体的健康养殖模式[1]。当前，工厂化循环水养殖因其饲养密度高、投喂量大等原因，使得较多的养殖生物粪便、残饲沉积池底，对养殖池内部的生态环境造成较大污染[2]。及时清除残饲、粪便，维持良好的养殖系统内水质条件成了当前急需解决的首要问题[3-4]。养殖池作为循环水养殖系统的重要组成部分，通过对养殖池内的水动力特性进行研究，可以为工厂化循环水养殖池优化设计提供有力的技术保障[5-7]。进水结构参数的设计对养殖池内的流场特性影响较大[8-9]，部分研究人员运用计算流体力学(CFD)方法，通过调节进水结构(射流位置、射流方向、射流孔面积、喷嘴形状等方面)改善了养殖内部的水力混合特性，优化了水动力条件，进一步证明了CFD技术应用于养殖池水动力模拟方面的可行性[10-13]。

随着数值模拟技术不断步入成熟阶段，其作用也日益凸显[14]，CFD计算流体力学技术已经广泛应用于集排污、流场特性、生物滤器等领域[15-16]。相比于物理模型试验，CFD技术不仅能够较易地改变养殖池结构参数，优化养殖池系统[17]，而且可以更加细致地反映出养殖池内的流场分布状况，此项技术的运用在提高养殖技术水平、降低成本、提高效率方面意义重大。目前，工厂化循环水养殖池有多种形式，主要有圆形养殖池、矩形养殖池、八角形养殖池以及方形圆弧角养殖池等，而方形圆弧角养殖池以其较高的空间利用率和产出率，池内的流场特征符合集污、排污性能要求，成为当前使用较多的池型种类[18]。

选取方形圆弧角养殖池作为研究对象，探讨不同射流间距对流场特性的影响，为养殖池进水结构的优化提供一定的参考依据。

1 材料与方法

1.1 模型的建立

以弧边对侧双管道出流的养殖池作为研究对象，为了更加方便地与物理模型实体做相关参数的对比，数值模型参数基于现有循环水养殖池1∶6等比例缩小，并在此基础上进行部分参数优化，各项设计参数如下：

模型长宽比1∶1分别为 1.2 m×1.2 m，深度0.6 m(径深比为3∶1)[19-20]，圆弧角半径与池体宽度之比为0.25，池底中心处有一排污口，排污口内径为0.04 m，入水管直径为0.02 m。进水系统为双管射流系统，分别设置在养殖池对角处弧边的中间位置，垂直并紧贴养殖池边壁，射流角度为30°(射流角度为进水管道中心处距离最短的弧面上的一点的切线与射流方向线的夹角)进水系统的射流速度设定为0.3 m/s。规定hz为养殖池内水面的高度(从养殖池直壁的最底部开始计算，此时记为hz=0 m)。根据出水口的间距不同分为7组(间距长度记为L)L=0、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06 m(规定L为水深0.4 m时且最下方出水口位置紧贴池壁底部时各个出水口之间的距离)。

1.2 数值求解方法

基于ANSYS19.0平台进行仿真模拟，采用稳态压力基作为求解器，速度耦合方式为无压力修正的SIMPLIC[23]，湍动能采用一阶迎风离散格式进行计算。RNGk-ε湍流模型因其具有适用性广泛、计算精度合理，能够更好地处理应变率高及流线弯曲程度大的流动的优点[24-25]，故本研究采用该模型，模型各项参数保持默认(图1)。表1给出数值计算模型的初始边界条件。

图1 养殖池模型及入射流间距示意图

表1 初始边界条件

1.3 网格划分

网格质量对数值模拟结果的准确程度有较大影响[21-22]。本研究以Meshing网格软件对模型进行网格划分，在进水管以及射流入口处和排水口处进行网格加密。为了方便数据交换，统一采用四面体网格划分方法对模型进行划分，总计得到133 842节点数以及 712 493网格数，网格细化后(网格节点数为298 960，网格数为1 617 558)计算结果无明显变化。图2为射流间距L=0.06 m、截取水面高度hz=0 m(即养殖池底部)的流场分布云图。

图2 网格数分别为712 493(A)和1 617 558(B)的速度分布云图

1.4 水动力学特征量

水动力学特征量可以用来描述流场特性，以下为本研究所用到的特征量，计算公式如下：

Q=SV

(1)

式中：Q为每秒从管口流出的液体的体积，m3/s；S为射流口的横截面积,m2；V为射流速度，m/s。

Fi=ρQ(Vin-Vavg)

(2)

式中：Fi为入口冲击力[26]，N；ρ为海水的密度,kg/m3；Q为进水流量,m3/s ；Vin为进水速度,m/s；Vavg为养殖池内的平均速度,m/s。

Ct=2Q(Vin-Vavg)/(A×Vavg2)

(3)

式中：Ct为养殖池内的阻力系数[27]；A为湿周 (池底和侧壁的表面积之和) ，m2。

U50=V50/Vavg×100

(4)

式中：U50为养殖池中循环速度较低的50%面积的平均值V50(m/s)与整个养殖池的平均速度Vavg(m/s)的比值[28]。

ηe=km1Vavg2/m2Vin2

(5)

式中：ηe为能量有效利用系数[29]；m1为养殖池水体循环总质量(kg)，m2为射流口提供的水体总质量(kg)，k为常数是根据池型结构设定的可变参数。本研究数值模拟假设m1=m2，方形圆弧角养殖池k=90。

2 结果

2.1 数值模型的验证

数值模型的验证模型为单通道方形圆弧角养殖池，该验证模型的各项参数与数值模拟模型各项参数相同。利用声学多普勒流速仪(ADV)监测在入射流间距L=0.06 m，距离池底高度hz= 0.20 m所在横截面与过池中心且与射流方向平行的一条直线上每隔0.1 m测量流速共计13个测量点，物理模型实体图如图3所示。

图3 物理模型实体图

物理模型试验对每个测量点持续测量1 min，每0.01 s读数一次，每个测量点共测量6 000次后取平均值。数值模拟试验设置同一位置监测点在监测流场达到稳定状态后取监测速度的平均值。

图4给出数值模拟计算与物理模型试验对应监测点的速度对比图。

图4 模拟数据与测量数据对比图

由图4可以看出，模拟数据与测量数据整体变化趋势相同且吻合性较好，两组数据的均方根误差相差8.785 1%，相对误差较小，故该模型设计合理且精度满足要求，可以用于圆弧角养殖池的数值模拟的研究。

2.2 入射流间距对养殖池水动力特征量的影响

养殖池不同深度处水动力特征量参数统计图如图5所示。

图5 不同养殖池深度处水动力特征量参数统计图

随着射流间距从0～0.05 m逐步增大，养殖池内的能量有效利用系数也逐步增大，每增加0.01 m能量有效利用系数以0 m处的0.736为基准分别提高了7.23%、0.65%、2.64%、5.46%、1.81%，在射流口间距0.05 m处时达到最大值0.875 1。当射流间距继续增大至0.06 m时，能量有效利用系数降为0.865 7，降低了0.75%。同样，速度分布均匀系数DU50从间距0～0.06 m也是先增大后减小，在射流间距为0.05 m时出现了最大值0.684 6。速度均匀系数表示的是养殖池内水流速度的均匀程度，通过图上数据可以看出，在射流间距为0.04 m、0.05 m、0.06 m时养殖池内的流速较为均匀。养殖池阻力系数与能量有效利用系数以及速度分布均匀系数趋势相反，养殖池的阻力系数从间距0～0.05 m呈现缓慢的单调递减趋势，而后于0.06 m处时稍有升高，在射流间距0.05 m时最低。

2.3 入射流间距对养殖池流速大小的影响

养殖池的流场分布特征对养殖池内(尤其是养殖池底部)固体颗粒物(残饲、粪便等)迁移有着重要的影响。良好的养殖池流场不仅要求有着较高的养殖池平均流速，且养殖池底流速越高，低流速区速度值越大，速度分布均匀性越好，就能够使养殖池更好地发挥其自净作用。由表2可以看出，当入射流间距在0 m、0.01 m时，此时射流口都聚集在水体下部，池内拥有较高的底层速度(V1)，但同时因其养殖池阻力系数较大，故这两种入射流间距下的养殖池平均流速Vavg以及循环速度较低的50%面积的平均速度V50都比较小。与这两种射流间距结果相反，当入射流间距在0.04～0.06 m时，由于射流口在养殖池内上下分布间距较大，入射流与池底的摩擦阻力以及射流间的撞击损耗相对较小，养殖池的整体流速较高，池内流速分布也比较均匀。而当射流间距位于中间部分，即间距0.02 m、0.03 m时虽然射流位置靠近水池底部，但此时入射流之间距离仍然较近，射流对养殖池底部流速的升高值低于射流间碰撞带来的流速降低值，故在这两种射流间距下出现了底层平均流速最低的情况，且这两种布置方式下的养殖池平均速度以及循环速度较低的50%面积的速度也都处于较低水平。结合图4结论可以初步得出：在入射流间距0.04 m、0.05 m、0.06 m时能够获得较好的养殖池流场分布状态以及较高的养殖池排污效率。

表2 养殖池系统(不同入射流间距)流速统计表

2.4 入射流间距对养殖池流场分布的影响

为了找出射流间距在0.04 m、0.05 m、0.06 m时的最佳方案，通过其速度云图进行进一步分析。不同入射流间距在0.04 m、0.05 m、0.06 m时的速度分布云图如图6所示，从左至右分别表示的是养殖池从底部到表层的流场图。从图6可以看出，当L=0.04 m时，由于此时的射流位置偏下，养殖池的底部流场(hz=0 m，hz=0.1 m)的循环速度较高，速度变化梯度较为明显，此时污物在底部的向心趋势更加显著，而在L=0.05，L=0.06时，底部流场的低流速区域加大，流速降低，并且随着射流间距的加大，这种变化趋势更加明显。养殖池的中部流场(hz=0.2 m)在L=0.05 m处时流场分布最佳，不仅在养殖池中心处低流速区域更小，且在养殖池四周弧壁处也不存在明显的低流速区，这就避免了养殖池内的污物在弧壁处聚集沉淀。中上层流场(hz=0.3 m)则是随着入射流间距的增加不仅在射流速度方面出现了较大的增长，且低流速区无论是在面积上还是在分布上都有利于中上层的固体颗粒物向中心聚集，因此在中层流场中L=0.06 m是优选布置，但是当hz=0.4 m时，入射流间距在0.05 m处流场的分布状况最优，原因是当射流间距在0.06 m时，最上部分的射流口较为接近水面，最上方的射流射出后并没有完全做功于养殖池内的水体，表层水的较大波动损耗了射流的一部分能量，使得其表层流场的低流速区反而增大。通过3种不同射流间距的速度分布云图我们可以发现，L=0.04 m时的下层流场分布较为合理，有利于污物的集中与排出，L=0.05 m则是中层流场，L=0.06是中上层流场更为符合要求。养殖池的集排污效率不仅受养殖池内的整体流速影响，底流流场的分布对其影响更加显著，但与间距0.05 m相比，当间距在0.04 m时的养殖池整体流速较低，且速度分布的均匀程度也较差。所以，结合不同深度不同射流间距的速度云图的分析可以得出，在L=0.05 m处时不仅可以获得较好的养殖池底部流场，且养殖池内的整体水流循环分布都更加合理，有利于提高养殖池的自净能力。

图6 不同入射流间距在养殖池内不同深度处的速度分布云图

3 讨论

3.1 养殖系统内能量分布情况

养殖池内的能量是由入射流提供，进入系统的能量主要用于克服养殖池系统内的阻力损耗和流体质点间的相对运动、碰撞造成的能量损失，从而维持养殖池内流体的运动[32]。养殖池的阻力消耗包括摩擦消耗(养殖池侧壁和底壁)，池壁的撞击消耗两部分。

3.2 射流间距对流场对流场特性影响分析

当入射流间距较小时(间距在0～0.03 m),射流口聚集于养殖池的底部，射流射出后，大量的入射流与池底发生碰撞、摩擦，造成了较大的阻力损耗。此外，由于射流口距离较近，射流射出后互相撞击，也消耗了一部分系统能量。虽然在此射流间距下有着较大的底层速度，但根据Despers等人[33]的研究表明，过大的底层速度容易导致强烈的中心旋涡的产生，易破坏池底二次流的形态，从而导致颗粒物重新悬浮，不利于污物向池底处汇聚。射流间距在此范围时呈现整体流速较低，中上层流速较低，速度上下层分布差异较大的状态，养殖池的能量有效利用系数较低，不符合高效、低碳排污的要求[34]。

当射流间距在0.04～0.06 m时，此时射流间距较大，射流对养殖池内水流的推动作用上下分布比较均匀，受养殖池池底的摩擦力的影响也较小，养殖池内的整体流速较高，根据湛含辉[35]在二次流现象中得出的结果显示，养殖池内的水流推力接近理论牛顿公式(F=ma)，质量较小的颗粒物因其所受离心力较小，因此与离心力方向相反的水流推力对颗粒物的搬移起到决定性的作用，故养殖池整体流速较高时，水流推动作用也会随之增大，对颗粒物的搬移效果也就越好。当射流间距处0.04～0.06 m时，向心推力较大，有利于池内污物的聚集。在入射流间距为0.05 m时，养殖池内的流场分布情况最佳，在与射流相反方向的相邻圆弧角不易出现低流速区及小旋涡区。养殖池整体流场分布更加均匀，速度向心变化梯度更大，低流速区向排污中心聚集，有利于固体残饵、粪便向中心处聚集。因此，在此射流区间内，射流间距0.05 m是优选参数。

4 结论

模型验证结果显示，数值模拟结果与试验结果吻合度较高，证明了该实验数值模型的合理性以及精确性，可用于方形圆弧角养殖池的水动力特性研究。本研究选取7组入射流间距进行流场特性研究，结果显示：当进水流量及射流速度恒定，入射流间距在0～0.03 m时，养殖池阻力消耗较大，循环速度较低。当入射流间距在0.04～0.06 m区间时，养殖池系统的阻力较小，池内的平均流速较高，并在射流间距为0.05 m时，养殖池的集排污效果最好，各项水动力条件最符合循环水工厂化养殖池系统的构建和养殖生物的综合需求。故在双管射流模式下，射流位置位于圆弧角，且射流角度为30° 时的方形圆弧角养殖选择射流间距为0.05 m是兼具效率和成本的方案。本研究成果有利于养殖池水动力驱动系统的设计与优化，对工厂化养殖池节能减排有着重要的意义。由于本研究中未考虑不同养殖池的大小、不同材料池壁和池底的粗糙程度、残留粪便、饲料颗粒物的大小以及养殖生物对池内的流场的影响，故在上述不同条件下养殖池的流场特性和聚污效果仍需进一步的研究。

□