水车式增氧机驱动下方形圆切角养殖池集污水动力试验

2020-12-25 07:21桂福坤张学芬曲晓玉张清靖冯德军
农业工程学报 2020年20期
关键词:池壁污物养殖池

桂福坤,张学芬,曲晓玉,张清靖,方 帅,冯德军

水车式增氧机驱动下方形圆切角养殖池集污水动力试验

桂福坤1,张学芬1,曲晓玉2,张清靖3,方 帅1,冯德军1※

(1. 浙江海洋大学国家海洋设施养殖工程技术研究中心,舟山 316022;2. 浙江海洋大学水产学院,舟山 316022;3. 北京市水产科学研究所,渔业生物技术北京市重点实验室,北京 100068)

为探究水车式增氧机驱动下方形圆切角养殖池内污物汇集规律与流场分布特性,该研究通过物理模型试验研究了水车式增氧机在不同布设角度(为叶轮轴线与养殖池中线组成的锐角)、布设距离比(为叶轮轴线中点与最近池壁之间的距离,为池壁边长)以及驱动流速对方形圆切角养殖池内污物汇集与流场特性的影响。试验通过相机采集池底污物分布图像、声学多普勒流速仪测量养殖池内流场分布,利用MATLAB软件处理分析污物图像以及流速数据。结果表明:在池内形成有效水平环流是污物向池心汇集的首要条件,但水车式增氧机布设角度、布设距离比和驱动流速都影响池内有效环流的形成;在水车式增氧机靠近池壁布设工况下,其与池壁的夹角设置为70°时,集污效果最优;在水车式增氧机远离池壁布设工况下,其与池壁的夹角设置为45°时,集污效果最优,随着布设距离比的增加,中心集污效果增强,但是圆切角周边出现集污死角;水车式增氧机驱动流速影响养殖池内污物汇集,而且只有在水车式增氧机布设距离比和布设角度都合适的工况下,增加驱动流速,才能增强污物汇集效果。研究结果可为方形圆切角养殖池内水车式增氧机的布设方式提供参考与依据。

水产养殖;水质;水动力学;物理模型;水车式增氧机;布设方式;集污效果

0 引 言

随着生活水平的提高,传统养殖模式下的水产品产量和质量已经无法满足人们的需求,养殖模式亟待向高效集约化方向转变[1-2]。工厂化养殖模式由于具有养殖密度大,养殖周期短,集约化程度高等优点,是中国水产养殖未来重要的发展方向[3-5]。如何快速有效地除去养殖池内的污物(残饵、粪便等)是工厂化养殖中水处理技术的核心问题[6-8]。水车式增氧机是工厂化水产养殖池中常见的机械,尤其在大尺寸养殖池内,通过叶轮旋转产生小气泡给水体增氧,通过设置科学的布置方式还可以在池内形成特定的水流使污物顺利汇集到集污口,然后通过定时拔管等方式排出[9-11]。水车式增氧机布置方式多种多样,大多仅凭养殖者的主观经验,缺乏科学的指导。因此,如何利用增氧设备在为水体增氧的同时还能增强养殖池的集污能力是亟待解决的问题。

杜汉斌等[12]早在1989年就已经开始研究圆形鱼池进水设施与流速排污的问题,研究表明排污的关键是使池底各点的流速都大于污物的起动流速。Zhang等[13]研究了表层式水车增氧机驱动模式下对虾养殖池内的流速分布情况,结果显示虾池转角处会形成涡旋,池壁附近在一定条件下会产生环流,阻碍整体环流的强度。于林平等[14]通过流体力学仿真技术研究了单进水管结构对单通道圆弧角养殖池水动力特性的影响,研究表明增加射流孔数有利于增加养殖池内的平均流速,使养殖池内的速度分布更加均匀。赵乐等[15]通过物理模型试验研究了方形圆切角养殖池在管式射流驱动模式下的集污水动力特性,研究表明射流角度为40°时,池内污物汇集效果最优。Benoit等[16]针对射流装置进行研究,研究表明射流管的布设角度与类型是影响养殖池内流场分布的重要参数。Gorle等[17-18]利用CFD模拟了射流管布设角度对双排水形式的八边形养殖池池内水动力特性的影响。综上所述,已有的研究大多针对射流管的设置方式,关于水车式增氧机布设方式对养殖池内残饵粪便等污物运动汇集的影响研究较少,难以为水车式增氧机布设方式提供科学全面的指导。

该研究以典型的工厂化养殖池方形圆切角养殖池为研究对象,通过物理模型试验的方法,探索水车式增氧机与池壁的夹角、与池壁的距离以及驱动流速等布设参数对池内污物汇集特性以及流场分布的影响规律,以期为方形圆切角养殖池内水车式增氧机的布设方式提供参考与依据。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验设置如图1所示,养殖池模型为方形圆切角养殖池(图1a),池壁长=220 cm,内壁高=70 cm,池底中心设有圆形排水口半径=5 cm,池底中心排水口凹陷向四周延伸,坡度比=1∶15。该试验按照模型水车与实物水车1∶10的几何尺寸制作水车式增氧机模型,模型主要由可调速的电机、叶轮和传送带组成(图1c),通过调节电压控制电机转速,从而改变水车式增氧机的驱动流速。试验中以水车式增氧机前方5 cm且水面下5 cm处流速代表水车式增氧机驱动流速。如图1a所示,水车式增氧机的布设角度为叶轮轴线与养殖池中线(图中虚线)组成的锐角,布设距离为叶轮轴线中点与最近的池壁之间的距离。实际养殖池内水体往往包含藻类和残饵粪便的分解物等悬浮物质,但其密度和尺寸远小于沉积在底部的固体颗粒物,对池底污物的运动影响较小。考虑到本文主要研究池底污物的运动情况,因此试验中使用自来水,不考虑实际养殖池中悬浮物浓度的影响。试验中心水深20 cm。根据物理模型试验中模型相似准则,在水车模型缩放比为1∶10时,污物模拟物也应该缩小10倍,但实际中难以获得相应尺寸和密度的污物替代物,考虑到污物尺寸对试验结果影响较小并且参照已有的研究[15,19],直接利用直径1.6 mm,长度2.0~3.0 mm的沉性对虾饲料替代养殖池内的残饵等固体颗粒污物,使用设置在水池正上方的轻便型数码相机(Nikon P7100)拍摄池内污物的分布情况,使用Nortek“小威龙”声学多普勒流速仪测量养殖池内的近底层流速。

a. 养殖池示意图 a. The schematic diagram of model aquaculture tankb. 养殖池 b. Photo of aquaculture tankc. 水车式增氧机模型 c. Paddle-wheel aerator model

1.排水口 2.水车式增氧机 3.进水口 4.ADV流速仪 5.ADV流速仪支架 6.叶轮 7.传送带 8.电机

1.Outlet 2.Paddle-wheel aerator 3.Inlet 4.Acoustic doppler velocimetry 5.Support frame for ADV 6.Impellers 7.Belt 8.Electric motor

注:表示养殖池边长,表示叶轮轴线中点与最近的池壁之间的距离,表示叶轮轴线与养殖池中线(图中虚线)组成的锐角。

Note:represents the length of the tank,represents the distance between the central point of the impellers and the nearest tank wall,represents the acute angle between the impellers and the center line of the tank (dotted line in the figure).

图1 试验装置图

Fig.1 Experimental setup

1.2 试验设计

1.2.1 试验方案

该研究主要通过物理模型试验的方法研究水车式增氧机布设角度、布设距离比、驱动流速对方形圆切角养殖池内污物汇集特性的影响,并分析其水动力学机制。研究主要分为污物汇集特性试验和相应的流场分布特性试验2部分。

第1部分为污物汇集试验:1)研究布设角度对池内污物分布特性的影响。固定布设距离比为1/22,驱动流速为28 cm/s,分别将布设角度依次调整为0°,10°,20°,30°,40°,45°,50°,60°,70°,80°,90°,采集养殖池内污物汇集情况;2)为研究布设距离比对池内污物分布特性的影响,在上一步研究基础上选取试验效果较好的布设角度:0°,45°,70°,固定驱动流速为28 cm/s,分别将布设距离比依次调整为1/22,3/22,5/22,7/22,采集养殖池内污物汇集情况;3)为研究驱动流速对池内污物分布特性的影响,选取试验效果较差的布设角度20°和试验效果较好的布设角度45°,固定布设距离比为1/22,分别将驱动流速依次调整为20和28 cm/ s,采集养殖池内污物汇集情况。

第2部分为流场分布特性试验:1)为研究布设角度对养殖池流场分布特性的影响,固定水车的驱动流速为28 cm/s,布设距离比为1/22,测量布设角度分别为20°和45°时,测量养殖池内流场分布状况;2)为研究布设距离比对于池内流场分布特性的影响,分别测量水车式增氧机布设角度为45°和70°时,测量布设距离比为1/22和5/22时,测量养殖池内流场分布状况。

1.2.2 污物图像采集

试验中首先调试水车式增氧机布设角度和布设距离,并将一定质量的饵料撒于养殖池内,确保养殖池内饲料分布均匀;然后开启固定在养殖池正上方的相机再启动水车式增氧机;待污物汇集稳定后关闭水车式增氧机并移至池外;最后待水体稳定静止后关闭相机,处理视频资料。

1.2.3 近底流场测量

试验中使用声学多普勒流速仪[20-21]测量养殖池内的流场分布情况,该流速仪可以测得其探头下方5 cm处水体微团的流速。待池内水体流动稳定后(即池底污物停止运动),按照图2黑色实心点所示的布点方案测量流场,共计79个测量点。左下角处因设有进水口,无法设置测量点,故测量点比其余3个圆弧角处的少。为了获得养殖池的近底流速,流速仪探头与养殖池边壁处的底部距离设置为5 cm,采集频率50 Hz,每个测量点持续采集时长为1 min,采集3 000组流速数据。

注:图中黑色实心点表示流速测量点。

1.3 数据处理

1.3.1 图像处理

该研究利用MATLAB软件处理相机采集到的污物分布图像[22-24]:1)利用rgb2gray函数将原始图像转化成灰度图[25]。2)将灰度化的图像进行二值化处理,通过设定阈值将污物与池底面分离。该研究中将灰度索引值阈值设置为125,即像素点的灰度索引值大于125时,将像素点的颜色设为白色,像素点的灰度索引值小于125时,将像素点的颜色设为黑色,进而确定污物的位置[26];3)根据每个污物点的坐标计算出其到养殖池中心(排污口)的距离,找出所有污物距离中的最大值。

每种工况下,污物的最大距离越大,则表明污物距离池中心越远,排污时越不容易排出。因此,通过比较不同工况下污物分布距离最大值,便可以确定集污效果的优劣。

1.3.2 流速数据处理

利用MATLAB软件处理流速数据,首先对所测得的数据进行滤波处理,剔除异常值,求出平均值作为该点流速值。利用griddata函数对养殖池近底离散的流速数据插值,获得整个养殖池池底流速的分布情况。考虑到外插数据准确度低,故删除外插流速数据。最后利用imagesc和quiver函数分别绘制流场云图和流速箭头图,详细显示不同工况下池内近底流场分布特性。

2 结果与分析

2.1 布设角度对污物汇集的影响

图3给出布设距离比为1/22时,不同布设角度下污物分布原图(图中黑色部分为污物)。首先根据原始图像定性评估污物汇集效果,然后针对难以定性评估的工况,采用如上描述的图像处理方法进行定量分析。根据图3可以明显地发现10°(养殖池边缘有污物残留)、20°、30°、80°和90°的集污效果较差,所以不再对其进行定量分析。0°、40°、45°、50°、60°和70°工况下的污物距离(最大距离)定量分析结果如图4所示。综合图3和图4可以发现,各工况下的污物分布最大距离随着布设角度的增大从0°至30°区间内逐渐增大,从40°至60°区间内逐渐减小然后增大,70°至90°区间,逐渐增大,在70°时污物汇集效果最好。

图3 不同布设角度(θ)下的污物分布原图

图4 不同布设角度(θ)下污物距池心的最大距离

2.2 布设距离比对污物汇集的影响

由布设角度对污物汇集的影响研究(图3和图4)可以发现0°、45°和70°时污物汇集效果较好。因此,仅分析这3个布设角度工况下,布设距离比对污物汇集的影响。图5给出了不同布设距离比下的污物分布原图。通过图像可以清晰地发现0°和70°工况下,随着布设距离比的增加,污物的汇集效果逐渐变差。然而,在45°工况下,随着布设距离比的增加,污物的整体汇集效果在逐渐增强,但是在池壁圆弧角处逐渐出现集污死角区域。因此,综合考虑水车式增氧机布设时的实际作业难度等,建议在实际养殖过程中,将水车式增氧机布设角度设为45°,布设距离比保持在5/22(约1/4)池壁边长范围左右,从而确保获得优异的污物汇集效果。

图5 不同布设距离比(d/a)下的污物分布原图

2.3 驱动流速对污物汇集的影响

根据2.1和2.2节的研究结果,选取集污效果较差布设角度20°和集污效果较好的布设角度45°工况,研究驱动流速对集污性能的影响。图6给出了不同驱动流速下的污物分布原图。通过图像可以明显地发现:1)在布设角度20°工况下,增加驱动速度集污效果有些许提升,但最终整体效果依然较差;2)在布设角度为45°工况下,随着驱动流速的增加,污物汇集效果明显提升。综合分析来看,只有在布设角度和布设距离比都合适的条件下,增加驱动流速才具有实际的意义,污物汇集效果随着驱动流速的增加而逐渐变好。如果布设角度和布设距离比不合适,池内依然无法形成有效环流,则对增强污物汇集效果作用有限,这与于林平等[14-15]针对射流管驱动下的养殖池集污水动力特性研究结论相吻合。杜汉斌等[12]的研究结果表明,养殖池内各点的流速应必须大于污物的起动流速,如果某处的流速小于污物的起动流速,污物就会沉积,如果排污口附近流速较小,即使养殖池边缘速流速大,污物也不能汇集到排污口处。

图6 不同驱动流速(v)下的污物分布原图

2.4 养殖池内流场分布特性

养殖池内污物的运动与池内的流场分布密不可分,水流是污物运动的驱动力[27]。流场分布特性可以揭示污物运动的内在机理。图7显示了不同布设角度、布设距离比下养殖池内近底流场的分布特性。通过图7a~7b可以发现当布设距离比为1/22时,高流区均分布在贴近池壁处,水流在碰撞到池壁处,产生较为强烈的反射,因此产生速度峰。由于池壁附近的黏性力较大,将消耗掉一部分能量,因此动能越来越小,一部分转化为黏性损失,一部分转化为压能。当产生的动能无法满足这两项需求时,水流速度将会下降。当布设角度为20°时,由于转角处流动的环流曲率较大,在转角处形成涡旋。水流很快到达转角附近的池壁处,在池壁处产生的黏性损失较大,因此水流速度不断降低,最终无法形成环流。当布设角度为45°时,水流与池壁相交位置距转角处较远,为接近池长1/2处,因此在池壁处产生的黏性损失较小,并且转角处没有涡流产生,减少了养殖池的局部阻力,在动能损耗较小的条件下,养殖池内形成环流,具备了带动污物汇集的必要条件。

图7b~7c流场表明当布设角度为45°,布设距离比为1/22时(即靠近池壁处),池中心的低流区面积较大,当布设距离比为5/22(约1/4)时,池中心的低流区面积较小,即养殖池内水体流速变化总趋势是以水车式增氧机为中心向池壁和池心两侧逐渐减小。当水车距池壁较远时,水体在向池壁方向扩散的过程中动能逐渐降低,因此池壁处的流速较小。对比图5可以发现,水车的布设角度为45°时,中心污物汇集面积随着布设距离比的增大而变小,圆切角边缘处逐渐出现少许集污死角,这是因为中心附近低流速区面积在减小,高流速区面积在增加,而圆切角边缘处低流速区在增加。当水车式增氧机布设角度调整为70°,布设距离比为1/22时(即靠近池壁处),图7d可以看出池内流场分布均匀,并且可以形成有效的环流。然而由图5可知,在70°工况下污物汇集效果随着布设距离比增大而变差。对照布设距离比为3/22时的流场进行测量的结果(图7e)可以看出,池内无法形成有利于污物汇集的高流区,流态较为紊乱,污物无法汇集。目前,在关于养殖池内水力驱动设备布置方式的研究中,并没有人关注过70°条件下流场特性,通过试验可以看出布设角度为70°时,只有水车位于靠近池壁位置,才可以呈现出较好的集污效果。因此在该区域形成污物汇集区。综合上述研究结果,可以发现在池内形成有效的环流是污物向池心汇集的首要条件,但是如果环流流速过小,则即使形成环流,池内的污物也不能很好地汇集到池心附近。

注:绿色箭头代表增氧机布设位置和角度。

3 讨 论

养殖池内的集污效果直接关系到池内水质的优劣,是养殖过程中必须重点关注的问题。水车式增氧机是大尺寸养殖池内常见的增氧设施,具有增氧和集污的双重功能。本文物理模型试验的结果表明,当水车式增氧机布设角度设置为45°时可以在池内形成良好的环流,获得良好的集污效果,这与郭平巧[28]的数值模拟研究结果一致。郭平巧通过数值模拟的方法系统地研究了水车式增氧机数量、摆放位置、摆放角度对正方形养殖池内流场分布的影响。其论文中的“数值模拟流场结果图4-33”与本文中的测量流场结果图7c中的分布特性高度一致,均表明当布设角度为45°时,养殖池内可以形成有效环流,但是养殖池壁和中心附近均存在低流速区。该区域内的污物往往沉积在池底很难去除,而且溶解氧也比较低。因此,布设位置和布设角度是水车式增氧机设置中需要重点考虑的两个因素。射流管是养殖池内常见的另一种集污设施,与水车式增氧机工作原理相同,都是通过带动水流运动从而达到污物汇集的目的。在方形圆切角养殖池内,赵乐等[15]的物理模型试验结果表明,随射流管布设角度的增加(0~70°),射流管布设角度为40°时,可以获得最优的集污效果;任效忠等[29]的物理模型试验结果表明,随射流管布设角度的增加(0~90°),池内水体平均流速呈先升高后降低趋势,在布设角度为50°时池内水体平均流速最高。上述研究中的最优布设角度均在45°附近,小角度的差异极有可能源自于试验条件的不同。薛博茹等[30]通过数值模拟研究了射流管驱动下,射流管布设角度为0°时,射流管布设距离比对池内流场分布的影响,研究结果表明布设距离比明显地影响池内流场分布,设置在0.04附近有利于方形圆切角养殖池系统获得最佳的流场条件。本文研究结果表明,在布设角度为0°工况下,水车式增氧机布设距离比设置为1/22时,可以获得良好的集污效果。该研究结果与本文中布设距离比对污物汇集的影响结果一致。综上所述,水车式增氧机布设角度为45°附近可以获得良好的流场效果和集污效果。

在实际养殖池内开展池底污物现场测量是检验集污效果的最直接有效的方法,但是实际大尺寸养殖池内水体往往比较浑浊,难以直接观察到养殖池底部的污物分布情况。Du等[19]在研究曝气管布设方式对矩形养殖池内污物汇集影响时,通过排尽实际养殖池中的水观察沉积在底部的污物汇集情况。但是在排水的过程中,污物在水流推力的作用下会发生位移,导致污物分布位置发生变化。Davidson等[31]通过在实际养殖池边缘上方向圆形养殖池内释放单个饲料颗粒研究射流管布设角度对池内污物运动的影响。该方法具有简单易操作的优点,但是单颗饲料不能同时完全模拟池内不同位置污物的运动以及污物间的相互影响。目前,尚未见有关大尺寸养殖池底部污物分布现场测量的相关报道。针对本文物理模型试验研究结果,尝试在某对虾养殖企业开展了现场测试试验。考虑到在水车式增氧机作用下养殖池内上下水流运动规律基本相同这一特点,试验中通过观察养殖池表层泡沫的运动汇集情况评估养殖池内底部污物运动汇集情况,从而达到定性验证物理模型试验结果的目的(见图8)。从图8中可以明显地看到池内表层水流特点以及池壁边缘处的低流速区。现场试验结果与物理模型试验结果基本一致。由于难以对现场测量结果进行定量分析,因此不再对现场测量结果进行深入分析。

图8 水车式增氧机作用下方形圆切角养殖池集污情况现场观测

4 结 论

本研究探讨了方形圆切角养殖池中,水车式增氧机在不同布设角度、布设距离比和驱动流速工况下,养殖池底部污物汇集特性和相应的流场分布特性。研究结果表明,良好的环流是获得较好集污效果的重要前提,在布设角度和布设距离比都合适的条件下提高水车式增氧机的驱动流速有助于提高集污效率;当水车式增氧机靠近池壁布设时,在布设角度为70°时达到最优的集污效果;在布设角度为45°工况下,污物汇集效果随着布设距离比的增大而增强,但是圆切角池壁处逐渐出现集污死角。考虑水车式增氧机布设时的实际作业情况等,建议在实际养殖过程中,水车式增氧机按照45°布设,并按照本试验的结果调节增氧机与池壁的相对距离(约1/4池长处),在保证污物起动的前提下,可以适当增加增氧机转速,以提高集污效果。研究结果不仅可以为养殖者在布置水车式增氧机时提供科学参考,也可以为后续研究提供对比和验证数据。

由于模型试验研究工况的局限性,接下来将通过开展数值模拟,增加试验工况,进一步系统详细地研究水车式增氧机布设方式对养殖池内污物汇集特性的影响。针对大尺寸养殖池底部污物难以直接观察这一难题,应开发具有自动补光功能的水下摄像机,达到全范围精准监测池底污物运动的目的,从而更科学地指导水车式增氧机的布设,并丰富水产养殖装备工程技术知识体系。

[1] 吴伟,范立民. 水产养殖环境的污染及其控制对策[J]. 中国农业科技导报,2014,16(2):26-34. Wu Wei, Fan Limin. Pollution and control measures of aquaculture environment[J]. Journal of Agricultural Science and Technology, 2014, 16(2): 26-34. (in Chinese with English abstract)

[2] 张晓双,傅玲琳,吕振明,等. 国内外循环式工厂化水产养殖模式研究进展[J]. 饲料工业,2017,38(6):61-64. Zhang Xiaoshuang, Fu Linglin, Lü Zhenming, et al, Research development review of recirculating aquaculture mode in China and abroad[J]. Feed Industry, 2017, 38(6): 61-64. (in Chinese with English abstract)

[3] 张正,王清印,王印庚,等. 弧形筛及生物净化池净化陆基工厂化海水养殖废水的效果[J]. 农业工程学报,2011,27(增刊2):176-181. Zhang Zheng, Wang Qingyin, Wang Yingeng, et al. Effluent purification effect of system in sieve bend combined with four grade biological cleansing ponds in industrialized mariculture[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(Supp. 2): 176-181. (in Chinese with English abstract)

[4] 袁凯,庄保陆,倪琦,等. 室内工厂化水产养殖自动投饲系统设计与试验[J]. 农业工程学报,2013,29(3):169-176. Yuan Kai, Zhuang Baolu, Ni Qi, et al. Design and experiments of automatic feeding system for indoor industrialization aquaculture[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(3): 169-176. (in Chinese with English abstract)

[5] 李建平,吴康,何相逸,等. 基于CFD的养殖水体固液旋流分离装置数值模拟与验证[J]. 农业工程学报,2019,35(11):182-187. Li Jianpin, Wu Kang, He Xiangyi, et al. Numerical simulation and validation of solid-liquid cyclone separation device for aquaculture water based on CFD[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(11): 182-187. (in Chinese with English abstract)

[6] Pfeiffer T J, Osborn A, Davis M. Particle sieve analysis for determining solids removal efficiency of water treatment components in a recirculating aquaculture system[J]. Aquacultural Engineering, 2008, 39(1): 24-29.

[7] 张成林,杨菁,张宇雷,等. 去除养殖水体悬浮颗粒的多向流重力沉淀装置设计及性能[J]. 农业工程学报,2015,31(增刊 1):53-60. Zhang Chenglin, Yang Jing, Zhang Yulei, et al. Design and performance of multiway gravity device on removing suspended solids in aquaculture water[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(Supp. 1): 53-60. (in Chinese with English abstract)

[8] 张俊新,刘长发,何洁,等. 工厂化养殖循环水固液分离特性及处理工艺选择分析[J]. 农业环境科学学报,2008,27(3):1173-1176. Zhang Junxin, Liu Changfa, He Jie, et al. Analysis of the solid-liquid separation characteristics and treating process choice of industrial recycled aquaculture wastewater[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2008, 27(3): 1173-1176. (in Chinese with English abstract)

[9] 王兴国,王悦蕾,赵水标. 养殖水体增氧技术及方法探讨[J]. 浙江海洋学院学报(自然科学版),2004,23(2):114-117,125. Wang Xingguo, Wang Yuelei, Zhao Shuibiao. Study on a method of increasing oxygen for aquacu1turewaters[J]. Journa1 of Zhejiang Ocean University( Natural science), 2004, 23(2): 114-117, 125. (in Chinese with English abstract)

[10] 谷坚,顾海涛,门涛,等. 几种机械增氧方式在池塘养殖中的增氧性能比较[J]. 农业工程学报,2011,27(1):148-152. Gu Jian, Gu Haitao, Men Tao, et al. Performance comparison for different mechanical aeration methods in pond[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(1): 148-152. (in Chinese with English abstract)

[11] 谷坚,徐皓,丁建乐,等. 池塘微孔曝气和叶轮式增氧机的增氧性能比较[J]. 农业工程学报,2013,29(22):212-217. Gu Jian, Xu Hao, Ding Jianle, et al. Comparison of oxygen-enriched performances of micropore and impeller aerators in pond[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(22): 212-217. (in Chinese with English abstract)

[12] 杜汉斌,易高社,王明义. 圆形鱼池进水设施与流速排污问题的初步探讨[J]. 水利渔业,1989(3):39-45.

[13] Zhang J, Kitazawa D. Measurement of water current field created by paddle wheel aerators in shrimp culture pond[C] // Shanghai: IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) Oceansi, 2016, 1-4.

[14] 于林平,薛博茹,任效忠,等. 单进水管结构对单通道矩形圆弧角养殖池水动力特性的影响研究[J]. 大连海洋大学学报,2020,35(1):134-140. Yu Linpin, Xue Boru, Ren Xiaozhong, et al. Influence of single inlet pipe structure on hydrodynamic characteristics in single: Drain rectangular aquaculture tank with arc angles[J]. Journal of Dalian Ocean University, 2020, 35(1): 134-140. (in Chinese with English abstract)

[15] 赵乐,张清靖,许静,等. 工厂化对虾养殖池管式射流集污水力特性[J]. 中国水产科学,2017,24(1):190-198. Zhao Le, Zhang Qingjing, Xu Jing, et al. Experimental study on the hydraulic characteristics of waste concentrated in an industrial aquaculture pond equipped with a pipe jet flow system[J]. Journal of Fishery Sciences of China, 2017, 24(1): 190-198. (in Chinese with English abstract)

[16] Benoit D. Hydrodynamic Characteristics of Muti-drain Circular Tanks[D]. Canada: The University of New Brunswick, 2007.

[17] Gorle J M R., Terjesen B F, Summerfelt S T, et al. Hydrodynamics of octagonal culture tanks with Cornell-type dual-drain system[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2018, 151: 354-364.

[18] Gorle J M R, Terjesen B F, Summerfelt S T, et al. Hydrodynamics of atlantic salmon culture tank: Effect of inlet nozzle angle on the velocity field[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2019, 158: 79-91.

[19] Du Y, Chen F, Zhou L, et al. Effects of different layouts of fine-pore aeration tubes on sewage collection and aeration in rectangular water tanks[J]. Aquacultural Engineering, 89(2020): 102060.

[20] 张亚磊,张法星,张敬威,等. 基于ADV的推流式曝气池流场特性研究[J]. 四川大学学报(工程科学版),2014,46(2):29-35. Zhang Yalei, Zhang Faxing, Zhang Jingwei, et al. Study of flow field characteristics in plug-flow aeration tank based on ADV[J]. Journal of Sichuan University(Engineering Science Edition), 2014, 46(2): 29-35. (in Chinese with English abstract)

[21] Chanson H, Trevethan M, Aoki S, et al. Acoustic doppler velocimetry(ADV) in small estuary: Field experience and signal post-processing[J]. Flow Measurement and Instrumentation, 2008, 19(5): 307-313.

[22] 赵松柏,谌海云,陈普春,等. 基于MATLAB的不规则面积图像测量[J]. 自动化技术与应用,2012,31(9):14-16. Zhao Songbai, Shen Haiyun, Chen Puchun, et al. The irregular image area measurement based on MATLAB[J]. Techniques of Automation and Applications, 2012, 31(9): 14-16. (in Chinese with English abstract)

[23] 张慧,吴常文,江丹丹,等. 基于图像处理技术的养殖池集污特性研究[J]. 海洋与湖沼,2016,47(2):374-379. Zhang Hui, Wu Changwen, Jiang Dandan, et al. Monitoring waste cumulatingin aquaculture pondsusing image processing technlogy[J]. Oceanologia ET Limnologia Sinica, 2016, 47(2): 374-379. (in Chinese with English abstract)

[24] 刘星桥,孙玉坤,赵德安,等. 采用图像处理技术对鱼体健康状况监视和预报[J]. 农业工程学报,2005,21(6):118-121. Liu Xingqiao, Sun Yukun, Zhao Dean, et al. Monitoring and predicting the health conditionof fish using image processing technology[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2005, 21(6): 118-121. (in Chinese with English abstract)

[25] 游达章,张建钢,甘勇. 位图图像灰度化的方法及编程实现[J]. 广西工学院学报,2004,15(1):23-26. You Dazhang, Zhang Jiangang, Gan Yong. A way of graying the image of a bitmap and the realization of programming[J]. Journal of Guangxi University of Science and Technology, 2004, 15(1): 23-26. (in Chinese with English abstract)

[26] 吴冰,秦志远. 自动确定图像二值化最佳阈值的新方法[J]. 测绘学院学报,2001,18(4):283-286. Wu Bing, Qin Zhiyuan. New approaches for the automatic selection of the optimal threshold in image binarization[J]. Journal of Institute of Surveying and Mapping, 2001, 18(4): 283-286. (in Chinese with English abstract)

[27] 刘威. 矩形流水对虾养殖池集污特性及对虾耐流性研究[D]. 舟山:浙江海洋大学,2018. Liu Wei. Study on Fouling Characteristics and Prawn Tolerance in Shrimp Pond[D]. Zhoushan: Zhejiang Ocean University, 2018. (in Chinese with English abstract)

[28] 郭平巧. 养殖池水车配置数值模拟研究[D]. 台湾:国立成功大学,2009. Guo Pingqiao. Numberical Simulation of Paddlewheel Setup in Culture Ponds[D]. Taiwan: National Cheng Kung University, 2009. (in Chinese with English abstract)

[29] 任效忠,王江竹,张倩,等. 方形圆弧角养殖池进水结构对流场影响的试验研究[J]. 大连海洋大学学报,2020,35(5):726-732. Ren Xiaozhong, Wang Jiangzhu, Zhang Qian, et al. Influence of inlet structure on flow field in a rectangular arc angle tank in aquaculture[J]. Journal of Dalian Fisheries University, 2020, 35(5): 726-723. (in Chinese with English abstract)

[30] 薛博茹,于林平,张倩,等. 进径比对矩形圆弧角养殖池水动力特性影响的数值研究[J/OL]. 水产学报,2020-10-19[2020-10-27]. http: //kns. cnki. net/kcms/detail/31. 1283. s. 20201019. 1029. 002. html. Xue Boru, Yu Linping, Zhang Qian, et al. A numerical study of relative inflow distance on the influence of hydrodynamic characteristics in the single-drain rectangular aquaculture tank with arc angles[J/OL]. Journal of Fisheries of China, 2020-10-19[2020-10-27]. http: //kns. cnki. net/kcms/detail/31. 1283. s. 20201019. 1029. 002. html. (in Chinese with English abstract)

[31] Davidson J, Summerfelt S. Solids flushing, mixing, and water velocity profiles within large (10 and 150) circular 'Cornell-type' dual-drain tanks[J]. Aquat Eng, 2004, 32(1): 245-271.

Hydraulic characteristics of waste convergence under paddle-wheel aerators for square aquaculture pond with round angle

Gui Fukun1, Zhang Xuefen1, Qu Xiaoyu2, Zhang Qingjing3, Fang Shuai1, Feng Dejun1※

(1.,,316022,; 2.,,316022,; 3.,,100068,)

Intensive and semi-intensive aquaculture have attracted more and more attention in recent years in China, where various types of fish are raised at a high density, particularly relying mainly on agricultural equipment and supplementary feeds. A considerable revolution has emerged increasingly from the traditional aquaculture methods, in order to meet the growing demands for the seafood both in quantity and quality, thereby to compensate for the significantly reduced capture from over exploited fisheries. Consequently, it is also urgent to deal with the solid wastes primarily derived from the uneaten feed and fecal droppings of cultured fish in the tank, especially that in the tank of high density. Moreover, solid wastes have been classified as the most dangerous waste in fish culture systems, for that they can clog the fish gills, thereby leading to the death of fish. Therefore, it is highly recommended to effectively remove the solid wastes in the tank as quickly as possible, because the reduction of residence time in a tank can be used to prevent the wastes of decomposition, further to lessen the stress to the cultured fish. In an excellent oxygen transfer system, a paddle-wheel aerator is commonly used as aquaculture equipment. The paddle-wheel aerator can generate flow circulation via adjusting the deployment, to converge solid wastes at the vicinity of the outlet end, and subsequently the solid wastes can be discharged from the tank. However, there is no sound theoretical guidance on adjusting the deployment, depending often on the experience of farmers in aquaculture practice. This case can result in various deployment patterns for the ineffective convergence and removal of solid wastes. In this study, a laboratory experiment was conducted in a model square tank with four round cut corners, in order to investigate the effects of deployment angel(represents the acute angle between the impellers and the center line of the tank), deploymentdistance ratio(is the distance between the center point of the impellers and the nearest pool wall,is the length of the pool), and the driving velocity of paddle-wheel aerator, on the efficiency of convergence and removal for solid wastes. A simplicity artificial feed was selected to simulate the solid waste in the experiment. A CCD camera was used to record the wastes distribution in the tank, while, the captured images were obtained concurrently. A quantitative analysis was conducted using the processed images from the MATLAB software. An indicator was set as the maximum distance of the waste to the outlet in a tank. An appropriate deployment pattern of paddle-wheel aerator can be determined by comparing the maximum distribution distance under various working conditions. The flow velocity was also measured to figure out the flow characteristics under an Acoustic Doppler Velocimetry. The results show thatthe generation of circulation in a horizontal panel in the tank was the primary requirement for converging solid wastes to the center of the tank, and it can significantly be affected by the deployment angle, deploymentdistance ratio, and driving velocity.When the deploymentdistance ratiowas small, the removal efficiency of solid wastes gradually decreased with the increase of the angle in the range of 0°-30°, and then gradually increased in the range of 40°-60°, finally decreased in the range of 70°-90°, peaking at the angle of 70°.When the deploymentdistance ratiowas in some range, the removal efficiency of solid wastes gradually decreased with the increase of deployment distance at the deployment angle of 0°and 70°. It gradually increased for the deployment angle of 45°with some undesired convergency of solid wastes in the round cut corners. There were the optimal deployment angle and distance ratioin the paddle-wheel aerators, where the removal efficiency of solid wastes can gradually increase as the driving velocity increased. The findings can provide a sound reference for the deployment of paddle-wheel aerator in the intensive and semi-intensive aquaculture pond.

aquaculture; water quality; hydrodynamics; physical models; paddle-wheel aerator; deployment type; solid wastes convergence and removal

桂福坤,张学芬,曲晓玉,等. 水车式增氧机驱动下方形圆切角养殖池集污水动力试验[J]. 农业工程学报,2020,36(20):275-282.doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.033 http://www.tcsae.org

Gui Fukun, Zhang Xuefen, Qu Xiaoyu, et al. Hydraulic characteristics of waste convergence under paddle-wheel aerators for square aquaculture pond with round angle[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(20): 275-282. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.033 http://www.tcsae.org

2020-04-18

2020-10-02

浙江省属高校科研院所基本科研业务费(2019J00030);国家自然科学基金(31902425);舟山市科技项目(2018C21011、2020C21003)

桂福坤,博士,教授,主要从事设施养殖工程研究。Email:gui2237@163.com

冯德军,博士,讲师,主要从事工厂化水产养殖工程研究。Email:fengdj@zjou.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.033

S969.3

A

1002-6819(2020)-20-0275-08

猜你喜欢
池壁污物养殖池
水体消毒防病用药称量分配的简捷方法
基板玻璃窑炉关键位置流场仿真研究
洗衣服真的可以不用水吗
持续阴雨期间鳜鱼养殖池常见问题及管理措施
延长超白太阳能玻璃窑炉窑龄维护实践
吸污车卸料装置结构设计
双通道排水系统对矩形圆弧角养殖池流场特性的影响研究
一种多级节能工厂化养殖池塘的建造技术
复杂组合水池结构设计要点及变壁厚池壁有限元分析
Gas from human waste