基于PIV 技术的圆形循环水养殖池流场

朱 放，胡佳俊，孔剑桥，桂福坤，潘训然，冯德军※

（1. 浙江海洋大学船舶与海运学院，舟山 316022；2. 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；3. 浙江海洋大学水产学院，舟山 316022）

0 引 言

循环水养殖系统（Recirculating Aquaculture System，RAS）是目前世界水产养殖技术水平高且养殖环境可控的先进水产养殖模式。目前，在部分欧美发达国家已经建立起一套比较成熟的工厂化循环水养殖体系，由于中国起步较晚，这种先进的水产养殖模式还未在中国得到广泛应用[1-2]。随着工厂化循环水养殖技术的提升，工厂化循环水养殖将会在中国占据越来越多的市场份额，是中国水产养殖的发展趋势[3-4]。工厂化循环水养殖的密度高，饲料投放量大，在养殖过程中极易产生残饵粪便等污物，如果不及时处理将会严重影响养殖对象的生长[5-7]。在实际的养殖生产中，一般通过设置进出水方式来调节池内流场情况从而达到高效集污的目的，因此，研究养殖池内的流场水动力特性对于提高养殖池的集排污能力具有重要的意义。

养殖池内流场与养殖池内固体颗粒物的运动汇集有密切的关系，是养殖池自清洗能力的主要驱动力来源[8-9]。Plew 等[10]的研究表明池壁、池底的流速与养殖池的污物排出能力呈正相关。Oca 等[11]分析了影响池内流场的设计参数，并建立了评估速度分布的模型。上述研究表明养殖池水动力特性对循环水养殖排污具有重要意义。Liu 等[12]建立了八角形循环水养殖水池的三维数值模型，应用颗粒轨道模型（Discrete Phase Model，DPM）方法得到颗粒运动轨迹，研究了养殖池净化效能。数值模拟技术逐步应用于循环养殖池流场特征，集排污等方面的研究，Papáček 等[13]和Gorle 等[14]利用计算流体力学研究了颗粒在养殖池内颗粒运动情况，研究表明进水管设置角度与养殖池自清洗能力密切相关。薛博茹等[15-16]研究了进径比对方形圆切角养殖池内流场特性的影响，结果表明进径比在0.02～0.04 区间养殖池内水动力系数最优。胡佳俊等[17]的数值模拟研究结果表明进水管布设角度为0°和45°，分别在布设距离为d=3/8r和d=0 时取得最优的流场效果。相较与数值模拟研究，试验测量研究相对较少。赵乐等[18]通过试验研究了进水管贴近池壁设置下的进水管设置角度和流量对方形圆弧角养殖池的污物汇集特性和流场特性的影响，结果表明进水管设置角度为40°时养殖池内的污物汇集和水动力特性最优。任效忠等[19]通过试验研究了进水管贴近池壁设置下的进水管数量、相对位置、设置角度和流量对方形圆弧角养殖池流场特性的影响，结果表明进水管设置角度为50°时养殖池流速最高。Oca 等[11]利用声学多普勒流速仪（Acoustic Doppler Velocimetry，ADV）测量了不同进出水方式下养殖池内流场，发现将进水方式由垂直改成水平可以产生更佳的流场效果。上述研究中均通过ADV 流速仪布点测量养殖池内流场分布，但是该测量方式是一种介入式测量方法，测量中需要将测量探头放入水体，会对测量点附近的流场产生干扰，尤其是在小尺度模型试验中极可能会影响结果的准确性。此外，该测量方式只能进行单点测量，测量效率低。因此，本研究采用PIV 技术测量了养殖池内底层的流场，PIV 试验中撒入池中的示踪粒子跟随水流一起运动，激光照射试验平面的示踪粒子位置即为监测点位置。PIV 技术可以在同一时刻记录整个平面的流场信息，提供丰富的流动空间结构。因此，通过PIV 技术测量养殖池内的流场，可以更全面地了解养殖池内整体流场的分布特性。

此前研究中作者已经详细分析了双管贴壁（d=0）进水模式下进水管设置角度对养殖池水动力特性的影响，结果表明进水管设置角度为40°～45°时养殖池水动力特性最优[20]。实际生产中并非都是将进水管贴壁放置，本文将在上述研究的基础上研究进水管设置距离与其对应的进水管设置角度对养殖池水动力特性的影响，探究最优进水管设置距离和最优进水管设置角度之间的关系，从而确定最佳进水管设置方式。

1 材料与方法

1.1 试验装置

实际生产中圆形养殖池的直径变化范围较大，从1米至几十米[21-22]，目前文献中报道的圆形养殖池最大直径已达40 m[23]。本研究采用作者已发表的文章中的圆形养殖池试验装置开展研究[20]。试验共设计3 组进水管设置距离：d=0、1/4r、1/2r（d为进水管与池壁的最近距离，0、12.3、24.5 cm；r为养殖池半径，49 cm）；8 组进水管设置角度：α=0°、10°、20°、30°、40°、45°、50°、60°，共24 组试验工况。养殖池内污物运动汇集与底层流场密切相关[10]，因此本研究主要分析养殖池底层流场特性，测量每个试验工况下距养殖池底1 cm 水层的流场。PIV 系统中，图像采集为5 120×3 800 像素，相邻两帧图像的时间间隔为0.125 s。试验开始前安装调试好试验设备，然后开启水泵，依据流量计调节试验所需进水流量，调节激光高度，等待约30 min 养殖池内水体平稳后开启激光器，操作PIV 系统开始采集图像，采集完成后进行下一组试验。

1.2 数据处理

流场分布特性测量试验数据处理方法如下：首先利用MATLAB 将PIV 软件测量得到的各点流速数据绘制成流场图，定性分析进水管设置方式对养殖池内流场分布特性的影响。为了进一步定量描述和比较不同工况下养殖池内水动力特性，本研究通过养殖池内平均流速vavg（养殖池内各测量点流速的平均值，m/s）和速度分布均匀系数U[21]这2 个水动力学特征量对流场进行具体分析：

式中U为养殖池内流速分布均匀系数，越接近100 代表水流速度分布越均匀。v50为各监测点速度前50%速度较低的平均值，m/s；vi为监测点的速度，m/s；ri为监测点距池心的距离，m。v是由vi和ri计算得出的平均加权速度，m/s；

2 结果与分析

2.1 进水管设置方式对流场分布的影响

不同进水管设置方式下养殖池内流场分布如图1 所示。图中最外层的黑色圆代表养殖池边壁，由于水体对激光有削弱作用，远离激光一侧的边壁附近激光强度较弱，不能清晰地显现出该部分的示踪粒子即不能准确测量到边壁附近的流场。因此，本研究中不深入分析距池壁4 cm 范围内（图中黑色圆内侧的白色区域）的流场及水动力特性。另外，试验过程由于角度调节装置的遮挡产生了部分测量盲区（流场图左右两侧深蓝色区域），该部分区域内的流场也不做深入分析。

通过图1 可以非常清晰地观察到进水管设置方式会明显影响养殖池内流场的分布。进水管设置角度α=0°～45°时，养殖池内均可以形成高速环形水流，随进水管设置距离的增加，进水口与池壁之间的距离逐渐增大，进水口高速水流与池壁的碰撞消耗逐渐减弱，高速环形水流面积随进水管设置距离的增加先增大后减小，排水口附近高速区域面积随进水管设置距离增加逐渐增大，高速环流位置随进水管设置距离增加逐渐向养殖池中心移动；进水管设置角度α=45°～60°时，进水管设置距离d=0时无法在养殖池内形成高速环流，随进水管设置距离增加高速区向养殖池中心移动逐渐又形成了高速环流，进水管设置距离增加至d=1/2r时，高速环流与排水口附近高速区重叠，排水口附近高速区域面积随进水管设置距离的增加逐渐增大。

进水管设置距离d=0 和1/4r时，高速环流面积随进水管设置角度的增大先增大后减小，高速环流区域逐渐向养殖池中心移动。进水管设置距离d=1/2r时，高速环流面积随进水管设置角度的增大逐渐减小，高速环流区域逐渐向养殖池中心移动。

2.2 进水管设置方式对水动力特征量的影响

PIV 系统利用示踪粒子的运动间接测量养殖池内的流场，根据每个示踪粒子的运动信息可以对养殖池内水动力特性进行定量分析[24]。根据PIV 测量得到各试验工况下的平均流速，结果如图2a 所示。当进水管设置距离d=0 时，平均流速均随进水管设置角度的增大先增大后减小，α=45°左右达到最大，此时养殖池内的平均流速最大，有利于污物的起动以及汇集排出；进水管设置距离d=1/4r时，进水管设置角度α=0°～40°时，平均流速均处于较大水平且变化不明显，α=30°时流场平均流速略大于其他角度；进水管设置角度α=40°～60°，流场平均流速逐渐降低；进水管设置距离d=1/2r时，平均流速随进水管设置角度增大逐渐减小，在α=0°时取得最大值。此外，3 种进水管设置距离工况中，d=1/4r时各角度工况下的平均流速均高于其余进水管设置距离下的工况。

根据公式（1）计算得到各试验工况下速度分布均匀系数U如图2b 所示。速度分布均匀系数表示养殖池内速度梯度差，速度分布均匀系数越高表示养殖池内流场均匀性越好，养殖池内溶解氧的分布以及养殖对象的分布越均匀，越有利于养殖对象生长。不同进水管设置距离下流场均匀系数随进水管设置角度变化趋势各不相同。进水管设置距离d=0 时，速度分布均匀系数随进水管设置角度增大而整体增大，在α=60°时取得最大值，但是此时养殖池内的平均流速已经非常小，不利于污物的汇集排出；进水管设置距离d=1/4r时，均匀系数随进水管设置角度增大而先增大后减小，在α=40°时取得最大值，此时养殖池内的平均流速处于较高水平；进水管设置距离d=1/2r时，均匀系数整体趋势随进水管设置角度增大逐渐减小，在α=0°时取得最大值，此时养殖池内的平均流速处于较优水平。

综合分析图2 并根据平均流速越大流场均匀系数越大越有利于养殖池内的污物汇集排出的原则，可以得到如下较优的养殖池进水管设置方式：当d=0 时，建议进水管角度α设置在45°附近；当d=1/4r时，建议进水管角度α设置在30°至40°附近；d=1/2r时，建议进水管角度α设置在0°附近；上述3 种进水方式中以d=1/4r,α为30°～40°附近时为最优。赵乐等[18]和任效忠等[19]通过物理模型试验研究了双管贴壁进水模式下进水管设置角度对方形圆弧角养殖池内水动力特性的影响，结果表明进水管设置角度分别为40°和50°时，养殖池内水动力特性最优，这与本文进水管设置距离d=0 时最优进水管设置角度相似。然而，相较与传统的介入式多次单点流速测量技术，本研究中采用的非浸入式PIV 流速平面测量技术可以直接同时测量并直观地显示测量平面的整体流场分布特性，具有不干扰原有流场，同步性高，效率高以及准确度高等优点。此外，从图3 还可以看出，3 种设置距离下的各水动力特征量并不是在相同的角度取得最优值，如d=1/4r时，平均流速和流场均匀系数分别在α=40°和30°时取得最优值。这有可能是因试验模型尺寸较小而引起的试验误差，也有可能是因未考虑养殖池边壁附近以及角度调节装置下方附近的流场而引起的试验误差。目前，还没有相关的研究可以对比，这也是接下来需要重点研究探索的内容。

3 结 论

本研究将PIV 流速测量技术应用到养殖池内流场的测量，扩展了养殖池水动力特性的研究方法，有效地提升了研究结果的精度和准确度。研究结果表明进水管设置方式明显影响养殖池的水动力特性；进水管设置距离d=0 时，进水管设置角度为45°附近时养殖池内水动力特性最优；进水管设置距离d=1/4r时，进水管设置角度为30°～40°附近时养殖池内水动力特性最优；进水管设置距离d=1/2r时，进水管设置角度为0°附近时养殖池内水动力特性最优；综合比较所有工况下养殖池的水动力特性，进水管设置距离d=1/4r，进水管设置角度为30°～40°时养殖池内水动力特性最优。由于本研究是物理模型试验研究，对实际养殖池进行了一定比例的缩放，最优进水管设置方式可能与大型养殖池有细微差别，下一步将研究进水管设置方式对大型养殖池的水动力特性影响，更加科学地指导生产实践。