CFD技术在循环水养殖系统构建中的研究现状与展望

黄铮铮，史宪莹，张 倩,，薛博茹,，任效忠

(1.大连海洋大学设施渔业教育部重点实验室，辽宁 大连 116023；2.大连海洋大学海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116023)

目前，养殖池水动力特性的研究主要采用模型试验和基于CFD技术的数值模拟方法。2010年以前的研究以模型试验为主导技术手段，2010年以来的研究进入模型试验和数值模拟共同发展、互为补充的研究阶段。

一、与实测法的对比

1.实测法的优点与局限性

循环水养殖系统中实测法通常采用声学多普勒流速仪和激光粒子图像测速(PIV)进行养殖池系统速度场监测，测得流速等流场数据进而开展系统流场特性分析研究。对于较小规格的养殖池，可以直接进行现场监测。对于较大规格养殖池通常以一定模型比尺缩放构建养殖池的物理模型系统，让池型、进水结构和出水结构与原型养殖池满足相似准则，高效系统地开展实验室物理模型试验研究。

实测法具有较大的局限性限制了该技术的应用空间。由于养殖池各处的流态具有差异性，监测点必须足够多才能较真实地展示各点流速和流态。此外，实测法测量周期长且测量点数有限，水体还会受到测量仪器的扰动与外界信号干扰，获取的流场信息不够丰富。此外，物理模型虽然可以模拟较大规格养殖池的几何、运动学和动力学情况，但是只有在进水速度较大、高雷诺数的情况时才能保证获得相似的水力学特性。因此，物理模型具有局限性而且测量结果存在误差。

2.数值模拟方法对实测法的补充

数值模拟是随着计算机科学与流体力学相结合而发展起来的一种流场模拟技术，数值模拟计算可以有效改善实测法遇到的问题。基于流体力学控制方程和数值计算方法理论，应用ANSYS软件包中的Fl uent等软件或自行开发程序是数值模拟的主流研究方法。

CFD数值模拟技术能做到采用原型尺寸构建计算模型。实验工况条件和几何形态等容易调整设置，养殖池内的各点流体速度、压力等均可获取，可以得到流场特性分析的大量信息。此外，模拟水中悬浮和溶解物质的计算模型使水质精准预测与控制成为可能。数值模拟方法在操作实施上还有成本低、周期短、不需要大型试验场地等优点，是一种十分经济便捷的方法。

二、国内外研究进展

1.国外研究进展

2000年以来，国外许多关于养殖池内流场特性的数值模拟研究逐渐兴起。数值模拟与模型试验相互验证、互为补充，共同促进了养殖池系统水动力特性的研究与应用，为优化养殖池结构、提高养殖池自净能力提供了理论支持。Leil a Behr oozi等(2020)使用轴对称CFD模型成功地模拟了不含鱼的1.5、5、9.15和10米圆形养殖池内的湍流，验证了Davidson等(2019)关于圆形养殖池系统内水的切向速度大致与入口流量成正比、与给定几何体的分流比无关的预测，获得了有价值的边界层信息。

二维CFD模型的构建比三维模型更加简单，具有灵活和成本低的特点。Rodrigo A.Labat ut a等(2015)采用CFD方法对混合跑道式养殖池进行了二维数值模拟，模拟结果与现场数据总体一致性达到83%，证明了二维数值模拟的准确性。但养殖池内流速在垂直方向存在梯度而并非均匀的，通过二维数值模拟也无法直接获得养殖池池底流速。因此采用二维模型对养殖池流态进行模拟具有一定的局限性。

2.国内研究进展

近年来，国内将数值模拟方法应用于养殖池研究逐渐增多。将CFD技术引入水产养殖行业，对养殖池池型、进排水设置等进行优化。

刘乃硕等(2017)对Cor nel l和Wat erl ine两种经典双通道圆形养殖池的计算流体动力学(CFD)仿真分析，获得了两种池型的流速分布规律，并对两种养殖池进行自清洁能力评价，得出在池底出水分流比小于10%时，Wat er l ine池池底自清洁能力、池子整体流场均匀性均优于Cornel l池的结论；魏武(2013)结合Wat er l ine双通道养殖池和Cor nel l双通道养殖池的优点，提出了出水口由底流排污管、池中心排水管、边流排水管组成的三通道排水系统，并用数值模拟方法对其进行仿真模拟，实验结果表明，该排水系统既能实现池底固体颗粒物的有效排出，又有利于池中水体充分混合。

柳瑶等(2017)建立了循环水养殖系统八角形养殖池的三维数值模型，应用DPM法获得了颗粒的运动轨迹并模拟了颗粒物的去除率，模拟值与实测值的去除率平均相对误差为11%，该研究为模拟养殖池内颗粒的模拟提供了新方法。

三、总结与展望

我国在工厂化循环水养殖系统的构建技术领域一直在稳步提升，尤其是近年来CFD技术的应用大大提高了设计的精准性，缩短了设计流程与成本。依托CFD技术构建养殖池系统能够很好地模拟养殖池内的流态，加快了工厂化循环水养殖池系统研究的步伐。目前，越来越多的研究采取数值模拟和模型试验相结合的方法对养殖池内水动力特性进行系统深入的研究，但在一些科学问题方面仍有待深入。

1.模拟系统中养殖鱼类对水动力特性的影响

物理模型与实际工程测量研究表明，养殖池系统中鱼的存在将会降低流场平均流速、增加湍流、提高水循环阻力并且会影响流速分布变化。但是对于鱼群对池内各点的具体水动力特性影响机理并不明确。在数值模拟中增加鱼群游泳行为特征将是尝试解决这一问题的方法。同时，这种模型还可以模拟不同种类鱼群与流场的相互影响，依据不同的鱼群特征开展研究，为修建专用养殖系统设备提供技术支持。

2.养殖池系统多相流模型的建立

养殖池内残饵、粪便等固体颗粒物排出情况和含氧量一直是养殖池优化的重点，在以往的研究中，养殖池内固体和气体通常被忽略不计。目前，在养殖池水动力特性的研究中建立固液气三相三维模型的研究成果还非常少，建立固液气三相三维数值计算模型综合考虑养殖池系统固相、液相、气相间的相互影响机制，预测不同养殖系统中气体和固体的含量、分布和运动趋势，进而评估和优化养殖池系统的含氧量和自净能力。

3.养殖池系统中氨氮和溶氧等污染物及营业物质的扩散模拟

只有在低氨氮、高溶氧的良好水体环境中，养殖的鱼才能健康、快速生长。通过数值模拟方法模拟水体中氨氮和溶氧的扩散与累积，寻求提高系统内氨氮和溶氧等污染物及营养物质的分布均匀性，减少水体空间水质微环境的差异性。优化获得能够促进鱼类健康生长的流态和高溶氧供给，低氨氮的水体环境扩散与循环，建立适宜的高密度养殖环境。