进水结构对圆形循环水养殖池流场的影响

摘要 为精准设计工厂化圆形循环水养殖池的进水结构，基于计算流体动力学技术，采用Fluent 软件建立数值模型模拟进水管在不同进水角度θ、进径比d/r、进水高度h 工况下养殖池内的流场分布特性，并以平均速度vavg和均匀系数U 为评价指标，对进水结构进行优化分析，在物理试验证明该数值模型能较好地模拟养殖池内的流场特征的基础上，模拟了不同进水结构对流场分布的影响。结果显示：在相同条件下，进水角度θ 在40°时vavg取得最大值，水层之间的U 差异较小；进径比d/r 在0.1 时vavg和U 取得较大值，水层之间的U 差异较小；进水高度h 在100～400 mm 时vavg取得较大值，且在h=100 mm 时水层之间的U 差异最小。研究表明，当进水角度θ=40°、进径比d/r=0.1、进水高度h=100 mm 时，养殖池内流场特性处于较优状态。

关键词 循环水养殖； 计算流体力学； 进水结构； 流场特性

中图分类号 S964.3 文献标识码 A 文章编号 1000-2421（2024）02-0022-08

循环水养殖是一种通过技术手段创造合理可控的养殖环境、提高鱼类质量的高效集约型养殖模式［1］。随着循环水养殖技术的发展，循环水养殖将在中国占据更多的市场份额，是中国水产养殖的主要发展方向之一［2］。但是循环水养殖密度高、饵料投放多，在养殖过程中易产生大量不被摄食的饵料以及鱼类粪便等颗粒物，堆积于池底中［3］。这些颗粒物在适宜条件下分解成氨氮等有害物质影响养殖对象［4］。如何有效地将残饵和粪便等颗粒物排出是循环水养殖系统面临的重要问题之一。而颗粒物的运动规律由养殖池流场特性直接决定，因此研究养殖池流场特性对构建适宜流场环境、有效去除颗粒物及提高鱼类质量具有重要意义。

进水结构是影响养殖池流场的关键。Plew 等［5］通过试验表明优化养殖池进水结构有助于提高池内流速。任效忠等［6］研究表明不同的进水方式、水体日循环次数、进水管入射角度对养殖池流场特性的影响具有显著差异。传统的超声学多普勒测量仪（acoustic doppler velocimetry，ADV）或粒子图像测速技术（particle image velocimetry，PIV）等操作成本高、费时、费力，难以获得流场的详细信息，而计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）技术为获取养殖池内复杂的流场信息提供了新方法。于林平等［7］通过构建三维数值计算模型，研究了单通道矩形圆弧角养殖池流场特性，结果表明提高水体日循环次数，养殖池平均流速增加且系统阻力系数降低。薛博茹等［8］运用数值模拟技术研究了进径比对流场特性的影响，结果表明进径比在0.02～0.04 区间内流场特性较优。张倩等［9］研究了相对弧宽比对方形养殖池流场特性的影响，结果表明相对弧宽比在0.2～0.4 区间内流场水动力条件较优。综上所述，虽然国内外研究人员对养殖池流场特性已有了深入研究，但主要集中于多孔进水对流场特性的影响，而对单孔式进水结构的研究较少。尤其在综合考虑多个因素对双管单孔进水圆形养殖池流场影响方面的研究有所缺失。

圆形养殖池具有良好的水体均匀性和混合性，自净效率高，为养殖行业中常用的养殖池之一［10-11］。本研究以双管单孔进水圆形养殖池为研究对象，采用CFD 技术建立养殖池液相模型，探究不同进水角度、进径比、进水高度对圆形养殖池内流场特性的影响，旨在为圆形循环水养殖池进水结构的设计提供参考依据，也为养殖池内颗粒物运动规律的研究提供理论基础。