赵　乐， 张清靖， 李宏伟， 王　萍， 桂福坤

(1浙江海洋大学，国家海洋设施养殖工程技术研究中心，浙江 舟山 316000；2北京市水产科学研究所，北京 100068)



循环水养殖系统管式射流集污特性试验研究

赵乐1， 张清靖2， 李宏伟2， 王萍1， 桂福坤1

(1浙江海洋大学，国家海洋设施养殖工程技术研究中心，浙江 舟山 316000；2北京市水产科学研究所，北京 100068)

工厂化养殖池内的污物聚集效果是养殖池设计建造和运行管理的重要指标，对提升养殖技术和管理水平具有重要意义。针对一种典型的工厂化鱼类养殖池，对边侧管式射流系统驱动下的流场特性和污物聚集效果进行研究，探讨了射流角度、射流流速和循环抽吸方式等因素对养殖池内水体流场特性及污物聚集分布规律的影响。利用手持式ADV流速仪在养殖池内进行布点测量，获得各点流速数值，然后利用MATLAB软件进行流场插值构图，研究养殖池的流场分布特性；污物聚集特性采用图像法进行处理分析。研究表明：管式射流驱动作用下，流速从池心向外呈“V”型变化。在射流角度固定为40°条件下，射流速度越大，池心低流速区域范围越小，污物聚集效果越好。当射流速度达到0.3 m/s时，污物基本聚集于池心；在流速固定的情况下，对污物聚集效果存在一个最佳的射流角度，约为40°。池内循环抽吸模式对流场和污物聚集效果同样有着显著的影响。研究表明，采用底部抽吸时，排污孔附近的径向流速与切向流速均高于边侧抽吸模式，且污物聚集效果明显优于边侧抽吸模式。该研究成果可用于工厂化鱼类养殖池管式射流水力驱动系统的优化设计，在不影响养殖对象生长的前提下，可尽量提高射流流速，最佳射流角度一般为40°左右，并尽量采用底部抽吸模式。

工厂化养殖；管式射流；水力特性；集污效果

循环水养殖系统(Recirculating Aquaculture System，RAS)是综合物理过滤、生物净化等技术手段对养殖废水进行处理后循环再利用的系统[1-5]，其核心是水处理技术，如何及时清除养殖池内污物(残饵、粪便等)，是改善水质条件的重要手段[6]。残饵、粪便等污物长时间滞留池内，容易造成水质恶化[7]。因此，集排污特性研究是循环水养殖研究的一个重要内容。

养殖池内流场特性直接决定了池内污物聚集特性。研究表明，调整进水口结构方向会影响养殖池内的流场特性[8]；流场特性受流速、水深、进出水量的影响[9]；射流角度是影响水池中切向流速与径向流速的重要参数[10]。国内对于工厂化养殖的研究尚处于初级阶段[11]，随着近年来研究的不断深入，在工厂化循环水养殖方面也取得了一定的成果[12-15]，研发了一批适合我国国情的循环水养殖设施与装备，进一步完善了水质净化处理工艺，但是对于池水自净能力的研究甚少。本研究分析了不同水力条件对池水自净能力的影响，分别研究了射流流速、射流角度与抽吸模式对流场分布特性及污物聚集效果的影响，为养殖池的池形优化设计和改造提供参考。

1　材料与方法

1.1试验模型

试验于2014年7—11月在北京市某水产公司养殖场进行。试验系统由养殖池、水泵池及水力驱动装置组成(图1)。养殖池长4.4 m、宽3.4 m、高1.2 m，距池短边60 cm处开设宽30 cm×高60 cm的矩形边侧抽吸口，并覆盖80目不锈钢筛网。水泵池长1.3 m、宽0.3 m、深1.2 m，池底布置水泵(扬程4 m，流量33 t/h，功率100 W)。水力驱动装置由水泵、Φ110 mm给水管道和Φ75mm射流管组成，射流管上布置5个Φ50 mm的射流口，间距25 cm。底部抽吸模式中水流通过养殖池底管道进入水泵池，经水泵增压返回养殖池。为防止污物排出，在养殖池底管道口处安装长30 cm、宽20 cm、高8 cm的不锈钢筛网盖(筛网规格：上层40目，四边80目)。

图1　养殖池结构示意图

1.2试验方法

本研究分三种情况进行：(1)射流流速对流场及污物聚集效果影响，固定底部抽吸模式，射流角度40°，6组射流流速(0.2、0.3、0.4、0.5、0.6和0.7 m/s)；(2)射流角度对污物聚集效果的影响，固定底部抽吸模式，射流流速0.7 m/s，6组射流角度(0°、10°、20°、30°、40°、50°)；(3)抽吸模式对流场及污物聚集效果的影响，固定射流角度40°，射流流速0.7 m/s，2种抽吸模式(底部抽吸和边侧抽吸)。水流流速采用FlowTracker手持式ADV流速仪测定。试验时，调整水位至1.1 m(边侧深度)，将收集到的可沉淀颗粒物(利用筛绢网在暂养池中收集残饵粪便)尽量保持原状均匀撒入养殖池内。

1.3数据采集与处理

(1)流场观测。试验时，待池内水体流动稳定后，按照图2所示布点方案，测量底层流速分布情况。测点分为横竖和交叉共4个断面，横竖断面与斜向交叉断面各11个点(中心点共享)，共计41个测点，每个测点持续采集1 min连续数据，滤波处理后取其均值。利用MATLAB软件编写quiver函数，构建流场图。

(2)污物聚集效果观测。将收集好的残饵粪便均匀撒于水池中，开启水泵，待整个流场稳定、污物聚集分布状态不再变化时进行试验结果观测与记录。

图2　流速测点布置图

2　结果与分析

2.1射流流速对流态特性及集污效果的影响

底部抽吸模式下，射流角度固定为40°，射流速度v对养殖池底部的流速分布影响如图3所示。箭头方向表示切向流速，箭头长度表示切向流速大小。养殖池断面的切向流速总体变化呈“S”形变化，以垂直断面为例，从池壁向池心先增大然后逐步减小，但在池心附近仍有较大流速，与底部抽吸有密切关系。

射流速度对养殖池底部的径向流速分布的影响如图4所示。径向流速方向向池心定义为正，相反方向为负。由图4可知，在底部抽吸的条件下，底层径向流速由池壁向池心逐渐增大，并在池心附近出现最大径向流速。试验时观测到池心涡旋现象，导致池心附近流速存在一定波动，流场较为复杂，局部甚至出现反向流速，如图4中2～6号点位置。

图3　射流速度对底层切向流速的影响

图4　射流速度对底层径向流速的影响

射流速度对养殖池集污效果的影响如图5所示。

图5　射流速度对养殖池集污效果的影响

为更明显区分污物聚集位置，对图像进行分区，数字代表区位。结果表明，池内污物聚集存在某一临界流速，本文试验条件下，临界流速为0.2～0.3 m/s。当流速为0.2 m/s时，池内尚无法形成有效的污物聚集(图5 b)，但当流速增大到0.3 m/s及以上时，各组试验均产生良好的污物聚集效果(图5 a)。

2.2射流角度对集污效果的影响

底部抽吸模式下，射流流速固定为0.7 m/s时，射流角度对养殖池集污效果的影响如图6所示。由图可见，射流角度对养殖池污物聚集有显著影响，当射流角度为40°时，池心出现了最佳的污物聚集效果，其它角度也会产生一定的聚集效果，但污物聚集点未出现在池心位置。

2.3抽吸模式对流态特性及集污效果的影响

抽吸模式不仅为射流管提供射流流量，也影响池内的次生向心流的产生。一般可采用边侧抽吸和底部抽吸两种模式。边侧抽吸是通过水池边侧的缺口向泵池提供水源；底部抽吸是水通过管道由池心流向泵池。本文对这两种模式下的流场特性和集污效果进行了对比研究，结果如图7和图8所示。在离池底中心附近，底部抽吸模式下的切向流速和径向流速均高于边侧抽吸模式，说明底部抽吸容易在池心产生较大旋转流动，这一结果与试验观测现象一致。漩涡的产生更有利于污物聚集。这一结果也在图9中得到证实。由图9可知，两种模式下，养殖池池底污物均向池底中心区域产生聚集，但底部抽吸效果显著是由于边侧抽吸。

图6　射流角度对养殖池集污效果的影响

图7　抽吸模式对养殖池底层切向流速的影响

图8　抽吸模式对底层径向流速的影响

图9　抽吸模式对养殖池集污效果的影响

3　讨论

3.1射流流速

本试验发现，射流流速对流场具有显著影响，射流流速的调整对各测量位点的切向流速与径向流速均产生影响。这与Oca等[9]的研究结果相同。池内各点位的切向流速随着射流流速的增大，其总体趋势也增大，高流区位于池壁附近，低流区在池心处的流速接近0。池壁处点位切向流速小于临近点位切向流速值，这主要是因为接近池壁处的水流和池壁摩擦产生的结果。这与魏武等[13]的研究结果相似。此外，射流速度为0.3 m/s时，(0，-2)位点切向流速明显高于其它条件下的切向流速，主要是因为测量该位点的流速时，由于池心出水系统的存在易形成涡流，从而引起切向流速出现差异。这与魏武等[13]研究的圆形养殖池中底层回转速度较大时出现的现象类似。

总体上，池中水体环流状况良好，各射流流速条件下的断面流速大小呈现中间流速小、外围及中心附近的流速较大的特点。在图4中，除射流流速0.7 m/s以外，其他流速条件下在(0，-10)位点到(0，0)位点中，径向流速均有负方向出现，这可能是由于在流速测量时养殖池中心处涡流所引起的。水流流速需要满足将池底残饵、粪便等可沉淀颗粒物聚集于出水口处，保障养殖池自净能力的要求[16]。射流速度为0.2 m/s时，可沉淀颗粒物在池底没有移动，而其他条件下均聚集于网槽上。假定流体无垂直压力梯度，为了保证流体各质点做圆周旋转运动，必须使流体径向压力梯度在任何深度都是一致的。由于水池底部边界层只占整个水体深度的小部分，故边界层以外的主流保持一定的压力梯度[17]。在射流速度为0.2 m/s时，水体环流速度较小，压力梯度力不足以抵消离心力，并携带残饵、粪便等向池心移动。

3.2射流角度

射流角度对养殖池流场特性的影响，本试验中随着射流角度的调整，养殖池内切向流速分布出现明显差异，其结果与Davidson等[8]研究得出的调节进水结构方向引起养殖池水流回转速度变化的结果相似。射流角度为0°时，池内的切向流速整体水平上高于其它射流角度。这可能是因为射流方向与池壁出现夹角时，切向流速方向上的水流冲击力减弱引起的切向流速变小。本研究中，靠近池底中心处，除射流角度40°以外，其他射流角度条件下的径向流速均有负方向出现。这可能是因为养殖池中心周边有紊流出现。而且，射流角度40°时，底层径向流速整体水平上高于其它射流角度的径向流速。这一结果与Venegas等[18]研究得出的射流角度为45°时养殖池内水流速度高于射流角度为0°的结果相似。

本试验中，射流角度40°时集污效果最好。这可能是因为该角度时养殖池内没有出现明显无旋区，而且池内各断面的径向流速均为正方向。此外，本试验中观察到随着射流角度的变化，可沉淀颗粒物在养殖池底部的移动轨迹也不相同，这可能是因为射流角度发生变化，射流产生的推动力方向发生变化，造成养殖池底部水流产生的切向力和径向力发生变化，引起可沉淀颗粒物移动轨迹发生变化，从而使可沉淀颗粒物在40°条件下随着水流能够移动至池底中心处。

3.3抽吸模式

抽吸模式对养殖池内流场和污物聚集效果有较大影响。由于循环方式的不同，底部抽吸更为有利于产生次生向心流，并由于污物而向心聚集。另外，底部抽吸模式更易产生池心漩涡运动，进一步强化了污物池心聚集效果。魏武[13]和Davidson等[8]的研究结果表明，提高底流分流比有助于提高养殖池内水流回转速度，进一步验证了底部抽吸模式的有效性。边侧抽吸模式同样可产生有效的池心污物聚集现象，但效果弱于底部抽吸，可通过设置池心集污装置加以改善。

4　结论

针对一种典型的工厂化鱼类养殖池，在边侧管式射流系统驱动下的流场特性和污物聚集效果进行了研究，得到以下基本结论：(1)管式射流驱动作用下，流速从池心向外呈“V”型变化，总体上先增大，后减小。底部抽吸模式下，会提高中心排污孔附近的流速，促进污物聚集。(2)射流流速对污物聚集有正向促进作用，射流流速越大，中心区低流速区范围越小，污物聚集效果越好。在方形虾池中，管式射流驱动存在一个最佳射流角度，在本文研究条件下，其最佳射流角度约为40°左右。(3)池内循环抽吸模式对流场和污物聚集效果均有着显著的影响。采用底部抽吸时，池内径向流速与切向流速一般均高于边侧抽吸模式，且污物聚集效果明显优于边侧抽吸模式。

本研究成果可用于工厂化鱼类养殖池管式射流水力驱动系统的优化设计，在不影响养殖对象的生长前提下，可尽量提高射流流速，最佳射流角度一般可控制在40°左右，并尽量采用底部抽吸模式。本研究仅针对本文涉及的方形养殖池有直接指导意义，也可供其它池形参考，但因池形结构对污物聚集效果也会带来较大影响，因此，不同池形结构对养殖池的流场特性及污物聚集效果仍需进一步开展专门研究。

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Experimental study on waste accumulation effect of pipe jetting system in recirculating aquaculture system

ZHAO Le1, ZHANG Qingjing2, LI Hongwei2, WANG Ping1, GUI Fukun1

(1NationalEngineeringResearchCenterforMarineAquaculture,ZhejiangOceanUniversity,Zhoushan316000,China;2BeijingFisheriesResearchInstitute,Beijing100068,China)

Waste accumulation effect is an important indicator for pond design and construction as well as its operation and management in industrial fish farming. This paper investigated the effect of jet angle, jetting velocity and inner suction mode on flow filed and waste accumulation in the farming pond. The flow velocity at each selected point in the pond was measured using an ADV flow meter, then the characters of the pond flow field were studied based on the flow field graph constructed by MATLAB software, while the waste accumulation character was analyzed using image-processing method. In this study, a ‘V’ shaped variation trend of velocity along the measuring section was observed. Given the jet angle of 40°, as the jetting velocity increased, the low-velocity area adjacent to the pond center decreased and the waste accumulation effect became better, and when jetting velocity reached 0.3m/s, most of the waste got accumulated at the pond center. An optimal jet angle of 40° was obtained with the best effect of waste accumulation. It was also found that circulation mode had significant effect on flow field and waste accumulation characters. When using bottom suction mode, the radial velocity and tangential velocity near the drain port were higher than when using side suction mode, and the waste accumulation effect was also much better. The research results can be used for optimizing the hydraulic drive system in industrial fish farming pond. On the premise of not affecting the growth of cultured species, it is recommended to increase the jetting velocity as higher as possible, maintain the jet angle at 40° and adopt bottom suction mode.

industrial aquaculture; pipe jetting system; hydraulic characteristics; waste accumulation

10.3969/j.issn.1007-9580.2016.04.004

2016-05-03

2016-07-21

国家科技支撑计划(2012BAD25B03);浙江省自然科学重点基金(Z16E090006)；舟山市海洋专项(2015C41001)

赵乐(1991—)，男，硕士研究生，研究方向：养殖工程技术，E-mail：252281767@qq.com

桂福坤(1976—)，男，教授，研究方向：海洋设施养殖工程技术，E-mail：gui2237@163.com

S955.1+3

A

1007-9580(2016)04-016-06