桂福坤，張學(xué)芬，曲曉玉，張清靖，方 帥，馮德軍

水車(chē)式增氧機(jī)驅(qū)動(dòng)下方形圓切角養(yǎng)殖池集污水動(dòng)力試驗(yàn)

桂福坤1，張學(xué)芬1，曲曉玉2，張清靖3，方 帥1，馮德軍1※

（1. 浙江海洋大學(xué)國(guó)家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心，舟山 316022；2. 浙江海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，舟山 316022；3. 北京市水產(chǎn)科學(xué)研究所，漁業(yè)生物技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100068）

為探究水車(chē)式增氧機(jī)驅(qū)動(dòng)下方形圓切角養(yǎng)殖池內(nèi)污物匯集規(guī)律與流場(chǎng)分布特性，該研究通過(guò)物理模型試驗(yàn)研究了水車(chē)式增氧機(jī)在不同布設(shè)角度（為葉輪軸線與養(yǎng)殖池中線組成的銳角）、布設(shè)距離比（為葉輪軸線中點(diǎn)與最近池壁之間的距離，為池壁邊長(zhǎng)）以及驅(qū)動(dòng)流速對(duì)方形圓切角養(yǎng)殖池內(nèi)污物匯集與流場(chǎng)特性的影響。試驗(yàn)通過(guò)相機(jī)采集池底污物分布圖像、聲學(xué)多普勒流速儀測(cè)量養(yǎng)殖池內(nèi)流場(chǎng)分布，利用MATLAB軟件處理分析污物圖像以及流速數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：在池內(nèi)形成有效水平環(huán)流是污物向池心匯集的首要條件，但水車(chē)式增氧機(jī)布設(shè)角度、布設(shè)距離比和驅(qū)動(dòng)流速都影響池內(nèi)有效環(huán)流的形成；在水車(chē)式增氧機(jī)靠近池壁布設(shè)工況下，其與池壁的夾角設(shè)置為70°時(shí)，集污效果最優(yōu)；在水車(chē)式增氧機(jī)遠(yuǎn)離池壁布設(shè)工況下，其與池壁的夾角設(shè)置為45°時(shí)，集污效果最優(yōu)，隨著布設(shè)距離比的增加，中心集污效果增強(qiáng)，但是圓切角周邊出現(xiàn)集污死角；水車(chē)式增氧機(jī)驅(qū)動(dòng)流速影響?zhàn)B殖池內(nèi)污物匯集，而且只有在水車(chē)式增氧機(jī)布設(shè)距離比和布設(shè)角度都合適的工況下，增加驅(qū)動(dòng)流速，才能增強(qiáng)污物匯集效果。研究結(jié)果可為方形圓切角養(yǎng)殖池內(nèi)水車(chē)式增氧機(jī)的布設(shè)方式提供參考與依據(jù)。

水產(chǎn)養(yǎng)殖；水質(zhì)；水動(dòng)力學(xué)；物理模型；水車(chē)式增氧機(jī)；布設(shè)方式；集污效果

0 引 言

隨著生活水平的提高，傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式下的水產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量已經(jīng)無(wú)法滿足人們的需求，養(yǎng)殖模式亟待向高效集約化方向轉(zhuǎn)變[1-2]。工廠化養(yǎng)殖模式由于具有養(yǎng)殖密度大，養(yǎng)殖周期短，集約化程度高等優(yōu)點(diǎn)，是中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖未來(lái)重要的發(fā)展方向[3-5]。如何快速有效地除去養(yǎng)殖池內(nèi)的污物（殘餌、糞便等）是工廠化養(yǎng)殖中水處理技術(shù)的核心問(wèn)題[6-8]。水車(chē)式增氧機(jī)是工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖池中常見(jiàn)的機(jī)械，尤其在大尺寸養(yǎng)殖池內(nèi)，通過(guò)葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生小氣泡給水體增氧，通過(guò)設(shè)置科學(xué)的布置方式還可以在池內(nèi)形成特定的水流使污物順利匯集到集污口，然后通過(guò)定時(shí)拔管等方式排出[9-11]。水車(chē)式增氧機(jī)布置方式多種多樣，大多僅憑養(yǎng)殖者的主觀經(jīng)驗(yàn)，缺乏科學(xué)的指導(dǎo)。因此，如何利用增氧設(shè)備在為水體增氧的同時(shí)還能增強(qiáng)養(yǎng)殖池的集污能力是亟待解決的問(wèn)題。

杜漢斌等[12]早在1989年就已經(jīng)開(kāi)始研究圓形魚(yú)池進(jìn)水設(shè)施與流速排污的問(wèn)題，研究表明排污的關(guān)鍵是使池底各點(diǎn)的流速都大于污物的起動(dòng)流速。Zhang等[13]研究了表層式水車(chē)增氧機(jī)驅(qū)動(dòng)模式下對(duì)蝦養(yǎng)殖池內(nèi)的流速分布情況，結(jié)果顯示蝦池轉(zhuǎn)角處會(huì)形成渦旋，池壁附近在一定條件下會(huì)產(chǎn)生環(huán)流，阻礙整體環(huán)流的強(qiáng)度。于林平等[14]通過(guò)流體力學(xué)仿真技術(shù)研究了單進(jìn)水管結(jié)構(gòu)對(duì)單通道圓弧角養(yǎng)殖池水動(dòng)力特性的影響，研究表明增加射流孔數(shù)有利于增加養(yǎng)殖池內(nèi)的平均流速，使養(yǎng)殖池內(nèi)的速度分布更加均勻。趙樂(lè)等[15]通過(guò)物理模型試驗(yàn)研究了方形圓切角養(yǎng)殖池在管式射流驅(qū)動(dòng)模式下的集污水動(dòng)力特性，研究表明射流角度為40°時(shí)，池內(nèi)污物匯集效果最優(yōu)。Benoit等[16]針對(duì)射流裝置進(jìn)行研究，研究表明射流管的布設(shè)角度與類(lèi)型是影響?zhàn)B殖池內(nèi)流場(chǎng)分布的重要參數(shù)。Gorle等[17-18]利用CFD模擬了射流管布設(shè)角度對(duì)雙排水形式的八邊形養(yǎng)殖池池內(nèi)水動(dòng)力特性的影響。綜上所述，已有的研究大多針對(duì)射流管的設(shè)置方式，關(guān)于水車(chē)式增氧機(jī)布設(shè)方式對(duì)養(yǎng)殖池內(nèi)殘餌糞便等污物運(yùn)動(dòng)匯集的影響研究較少，難以為水車(chē)式增氧機(jī)布設(shè)方式提供科學(xué)全面的指導(dǎo)。

該研究以典型的工廠化養(yǎng)殖池方形圓切角養(yǎng)殖池為研究對(duì)象，通過(guò)物理模型試驗(yàn)的方法，探索水車(chē)式增氧機(jī)與池壁的夾角、與池壁的距離以及驅(qū)動(dòng)流速等布設(shè)參數(shù)對(duì)池內(nèi)污物匯集特性以及流場(chǎng)分布的影響規(guī)律，以期為方形圓切角養(yǎng)殖池內(nèi)水車(chē)式增氧機(jī)的布設(shè)方式提供參考與依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)設(shè)置如圖1所示，養(yǎng)殖池模型為方形圓切角養(yǎng)殖池（圖1a），池壁長(zhǎng)=220 cm，內(nèi)壁高=70 cm，池底中心設(shè)有圓形排水口半徑=5 cm，池底中心排水口凹陷向四周延伸，坡度比=1∶15。該試驗(yàn)按照模型水車(chē)與實(shí)物水車(chē)1∶10的幾何尺寸制作水車(chē)式增氧機(jī)模型，模型主要由可調(diào)速的電機(jī)、葉輪和傳送帶組成（圖1c），通過(guò)調(diào)節(jié)電壓控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而改變水車(chē)式增氧機(jī)的驅(qū)動(dòng)流速。試驗(yàn)中以水車(chē)式增氧機(jī)前方5 cm且水面下5 cm處流速代表水車(chē)式增氧機(jī)驅(qū)動(dòng)流速。如圖1a所示，水車(chē)式增氧機(jī)的布設(shè)角度為葉輪軸線與養(yǎng)殖池中線（圖中虛線）組成的銳角，布設(shè)距離為葉輪軸線中點(diǎn)與最近的池壁之間的距離。實(shí)際養(yǎng)殖池內(nèi)水體往往包含藻類(lèi)和殘餌糞便的分解物等懸浮物質(zhì)，但其密度和尺寸遠(yuǎn)小于沉積在底部的固體顆粒物，對(duì)池底污物的運(yùn)動(dòng)影響較小?？紤]到本文主要研究池底污物的運(yùn)動(dòng)情況，因此試驗(yàn)中使用自來(lái)水，不考慮實(shí)際養(yǎng)殖池中懸浮物濃度的影響。試驗(yàn)中心水深20 cm。根據(jù)物理模型試驗(yàn)中模型相似準(zhǔn)則，在水車(chē)模型縮放比為1∶10時(shí)，污物模擬物也應(yīng)該縮小10倍，但實(shí)際中難以獲得相應(yīng)尺寸和密度的污物替代物，考慮到污物尺寸對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較小并且參照已有的研究[15,19]，直接利用直徑1.6 mm，長(zhǎng)度2.0～3.0 mm的沉性對(duì)蝦飼料替代養(yǎng)殖池內(nèi)的殘餌等固體顆粒污物，使用設(shè)置在水池正上方的輕便型數(shù)碼相機(jī)（Nikon P7100）拍攝池內(nèi)污物的分布情況，使用Nortek“小威龍”聲學(xué)多普勒流速儀測(cè)量養(yǎng)殖池內(nèi)的近底層流速。

a. 養(yǎng)殖池示意圖 a. The schematic diagram of model aquaculture tankb. 養(yǎng)殖池 b. Photo of aquaculture tankc. 水車(chē)式增氧機(jī)模型 c. Paddle-wheel aerator model

1.排水口 2.水車(chē)式增氧機(jī) 3.進(jìn)水口 4.ADV流速儀 5.ADV流速儀支架 6.葉輪 7.傳送帶 8.電機(jī)

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：表示養(yǎng)殖池邊長(zhǎng)，表示葉輪軸線中點(diǎn)與最近的池壁之間的距離，表示葉輪軸線與養(yǎng)殖池中線（圖中虛線）組成的銳角。

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).

圖1 試驗(yàn)裝置圖

Fig.1 Experimental setup

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 試驗(yàn)方案

該研究主要通過(guò)物理模型試驗(yàn)的方法研究水車(chē)式增氧機(jī)布設(shè)角度、布設(shè)距離比、驅(qū)動(dòng)流速對(duì)方形圓切角養(yǎng)殖池內(nèi)污物匯集特性的影響，并分析其水動(dòng)力學(xué)機(jī)制。研究主要分為污物匯集特性試驗(yàn)和相應(yīng)的流場(chǎng)分布特性試驗(yàn)2部分。

第1部分為污物匯集試驗(yàn)：1）研究布設(shè)角度對(duì)池內(nèi)污物分布特性的影響。固定布設(shè)距離比為1/22，驅(qū)動(dòng)流速為28 cm/s，分別將布設(shè)角度依次調(diào)整為0°，10°，20°，30°，40°，45°，50°，60°，70°，80°，90°，采集養(yǎng)殖池內(nèi)污物匯集情況；2）為研究布設(shè)距離比對(duì)池內(nèi)污物分布特性的影響，在上一步研究基礎(chǔ)上選取試驗(yàn)效果較好的布設(shè)角度：0°，45°，70°，固定驅(qū)動(dòng)流速為28 cm/s，分別將布設(shè)距離比依次調(diào)整為1/22，3/22，5/22，7/22，采集養(yǎng)殖池內(nèi)污物匯集情況；3）為研究驅(qū)動(dòng)流速對(duì)池內(nèi)污物分布特性的影響，選取試驗(yàn)效果較差的布設(shè)角度20°和試驗(yàn)效果較好的布設(shè)角度45°，固定布設(shè)距離比為1/22，分別將驅(qū)動(dòng)流速依次調(diào)整為20和28 cm/ s，采集養(yǎng)殖池內(nèi)污物匯集情況。

第2部分為流場(chǎng)分布特性試驗(yàn)：1）為研究布設(shè)角度對(duì)養(yǎng)殖池流場(chǎng)分布特性的影響，固定水車(chē)的驅(qū)動(dòng)流速為28 cm/s，布設(shè)距離比為1/22，測(cè)量布設(shè)角度分別為20°和45°時(shí)，測(cè)量養(yǎng)殖池內(nèi)流場(chǎng)分布狀況；2）為研究布設(shè)距離比對(duì)于池內(nèi)流場(chǎng)分布特性的影響，分別測(cè)量水車(chē)式增氧機(jī)布設(shè)角度為45°和70°時(shí)，測(cè)量布設(shè)距離比為1/22和5/22時(shí)，測(cè)量養(yǎng)殖池內(nèi)流場(chǎng)分布狀況。

1.2.2 污物圖像采集

試驗(yàn)中首先調(diào)試水車(chē)式增氧機(jī)布設(shè)角度和布設(shè)距離，并將一定質(zhì)量的餌料撒于養(yǎng)殖池內(nèi)，確保養(yǎng)殖池內(nèi)飼料分布均勻；然后開(kāi)啟固定在養(yǎng)殖池正上方的相機(jī)再啟動(dòng)水車(chē)式增氧機(jī)；待污物匯集穩(wěn)定后關(guān)閉水車(chē)式增氧機(jī)并移至池外；最后待水體穩(wěn)定靜止后關(guān)閉相機(jī)，處理視頻資料。

1.2.3 近底流場(chǎng)測(cè)量

試驗(yàn)中使用聲學(xué)多普勒流速儀[20-21]測(cè)量養(yǎng)殖池內(nèi)的流場(chǎng)分布情況，該流速儀可以測(cè)得其探頭下方5 cm處水體微團(tuán)的流速。待池內(nèi)水體流動(dòng)穩(wěn)定后（即池底污物停止運(yùn)動(dòng)），按照?qǐng)D2黑色實(shí)心點(diǎn)所示的布點(diǎn)方案測(cè)量流場(chǎng)，共計(jì)79個(gè)測(cè)量點(diǎn)。左下角處因設(shè)有進(jìn)水口，無(wú)法設(shè)置測(cè)量點(diǎn)，故測(cè)量點(diǎn)比其余3個(gè)圓弧角處的少。為了獲得養(yǎng)殖池的近底流速，流速儀探頭與養(yǎng)殖池邊壁處的底部距離設(shè)置為5 cm，采集頻率50 Hz，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)持續(xù)采集時(shí)長(zhǎng)為1 min，采集3 000組流速數(shù)據(jù)。

注：圖中黑色實(shí)心點(diǎn)表示流速測(cè)量點(diǎn)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 圖像處理

該研究利用MATLAB軟件處理相機(jī)采集到的污物分布圖像[22-24]：1）利用rgb2gray函數(shù)將原始圖像轉(zhuǎn)化成灰度圖[25]。2）將灰度化的圖像進(jìn)行二值化處理，通過(guò)設(shè)定閾值將污物與池底面分離。該研究中將灰度索引值閾值設(shè)置為125，即像素點(diǎn)的灰度索引值大于125時(shí)，將像素點(diǎn)的顏色設(shè)為白色，像素點(diǎn)的灰度索引值小于125時(shí)，將像素點(diǎn)的顏色設(shè)為黑色，進(jìn)而確定污物的位置[26]；3）根據(jù)每個(gè)污物點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算出其到養(yǎng)殖池中心（排污口）的距離，找出所有污物距離中的最大值。

每種工況下，污物的最大距離越大，則表明污物距離池中心越遠(yuǎn)，排污時(shí)越不容易排出。因此，通過(guò)比較不同工況下污物分布距離最大值，便可以確定集污效果的優(yōu)劣。

1.3.2 流速數(shù)據(jù)處理

利用MATLAB軟件處理流速數(shù)據(jù)，首先對(duì)所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，剔除異常值，求出平均值作為該點(diǎn)流速值。利用griddata函數(shù)對(duì)養(yǎng)殖池近底離散的流速數(shù)據(jù)插值，獲得整個(gè)養(yǎng)殖池池底流速的分布情況?？紤]到外插數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度低，故刪除外插流速數(shù)據(jù)。最后利用imagesc和quiver函數(shù)分別繪制流場(chǎng)云圖和流速箭頭圖，詳細(xì)顯示不同工況下池內(nèi)近底流場(chǎng)分布特性。

2 結(jié)果與分析

2.1 布設(shè)角度對(duì)污物匯集的影響

圖3給出布設(shè)距離比為1/22時(shí)，不同布設(shè)角度下污物分布原圖（圖中黑色部分為污物）。首先根據(jù)原始圖像定性評(píng)估污物匯集效果，然后針對(duì)難以定性評(píng)估的工況，采用如上描述的圖像處理方法進(jìn)行定量分析。根據(jù)圖3可以明顯地發(fā)現(xiàn)10°（養(yǎng)殖池邊緣有污物殘留）、20°、30°、80°和90°的集污效果較差，所以不再對(duì)其進(jìn)行定量分析。0°、40°、45°、50°、60°和70°工況下的污物距離（最大距離）定量分析結(jié)果如圖4所示。綜合圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，各工況下的污物分布最大距離隨著布設(shè)角度的增大從0°至30°區(qū)間內(nèi)逐漸增大，從40°至60°區(qū)間內(nèi)逐漸減小然后增大，70°至90°區(qū)間，逐漸增大，在70°時(shí)污物匯集效果最好。

圖3 不同布設(shè)角度(θ)下的污物分布原圖

圖4 不同布設(shè)角度(θ)下污物距池心的最大距離

2.2 布設(shè)距離比對(duì)污物匯集的影響

由布設(shè)角度對(duì)污物匯集的影響研究（圖3和圖4）可以發(fā)現(xiàn)0°、45°和70°時(shí)污物匯集效果較好。因此，僅分析這3個(gè)布設(shè)角度工況下，布設(shè)距離比對(duì)污物匯集的影響。圖5給出了不同布設(shè)距離比下的污物分布原圖。通過(guò)圖像可以清晰地發(fā)現(xiàn)0°和70°工況下，隨著布設(shè)距離比的增加，污物的匯集效果逐漸變差。然而，在45°工況下，隨著布設(shè)距離比的增加，污物的整體匯集效果在逐漸增強(qiáng)，但是在池壁圓弧角處逐漸出現(xiàn)集污死角區(qū)域。因此，綜合考慮水車(chē)式增氧機(jī)布設(shè)時(shí)的實(shí)際作業(yè)難度等，建議在實(shí)際養(yǎng)殖過(guò)程中，將水車(chē)式增氧機(jī)布設(shè)角度設(shè)為45°，布設(shè)距離比保持在5/22（約1/4）池壁邊長(zhǎng)范圍左右，從而確保獲得優(yōu)異的污物匯集效果。

圖5 不同布設(shè)距離比(d/a)下的污物分布原圖

2.3 驅(qū)動(dòng)流速對(duì)污物匯集的影響

根據(jù)2.1和2.2節(jié)的研究結(jié)果，選取集污效果較差布設(shè)角度20°和集污效果較好的布設(shè)角度45°工況，研究驅(qū)動(dòng)流速對(duì)集污性能的影響。圖6給出了不同驅(qū)動(dòng)流速下的污物分布原圖。通過(guò)圖像可以明顯地發(fā)現(xiàn)：1）在布設(shè)角度20°工況下，增加驅(qū)動(dòng)速度集污效果有些許提升，但最終整體效果依然較差；2）在布設(shè)角度為45°工況下，隨著驅(qū)動(dòng)流速的增加，污物匯集效果明顯提升。綜合分析來(lái)看，只有在布設(shè)角度和布設(shè)距離比都合適的條件下，增加驅(qū)動(dòng)流速才具有實(shí)際的意義，污物匯集效果隨著驅(qū)動(dòng)流速的增加而逐漸變好。如果布設(shè)角度和布設(shè)距離比不合適，池內(nèi)依然無(wú)法形成有效環(huán)流，則對(duì)增強(qiáng)污物匯集效果作用有限，這與于林平等[14-15]針對(duì)射流管驅(qū)動(dòng)下的養(yǎng)殖池集污水動(dòng)力特性研究結(jié)論相吻合。杜漢斌等[12]的研究結(jié)果表明，養(yǎng)殖池內(nèi)各點(diǎn)的流速應(yīng)必須大于污物的起動(dòng)流速，如果某處的流速小于污物的起動(dòng)流速，污物就會(huì)沉積，如果排污口附近流速較小，即使養(yǎng)殖池邊緣速流速大，污物也不能匯集到排污口處。

圖6 不同驅(qū)動(dòng)流速(v)下的污物分布原圖

2.4 養(yǎng)殖池內(nèi)流場(chǎng)分布特性

養(yǎng)殖池內(nèi)污物的運(yùn)動(dòng)與池內(nèi)的流場(chǎng)分布密不可分，水流是污物運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力[27]。流場(chǎng)分布特性可以揭示污物運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在機(jī)理。圖7顯示了不同布設(shè)角度、布設(shè)距離比下養(yǎng)殖池內(nèi)近底流場(chǎng)的分布特性。通過(guò)圖7a～7b可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)布設(shè)距離比為1/22時(shí)，高流區(qū)均分布在貼近池壁處，水流在碰撞到池壁處，產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的反射，因此產(chǎn)生速度峰。由于池壁附近的黏性力較大，將消耗掉一部分能量，因此動(dòng)能越來(lái)越小，一部分轉(zhuǎn)化為黏性損失，一部分轉(zhuǎn)化為壓能。當(dāng)產(chǎn)生的動(dòng)能無(wú)法滿足這兩項(xiàng)需求時(shí)，水流速度將會(huì)下降。當(dāng)布設(shè)角度為20°時(shí)，由于轉(zhuǎn)角處流動(dòng)的環(huán)流曲率較大，在轉(zhuǎn)角處形成渦旋。水流很快到達(dá)轉(zhuǎn)角附近的池壁處，在池壁處產(chǎn)生的黏性損失較大，因此水流速度不斷降低，最終無(wú)法形成環(huán)流。當(dāng)布設(shè)角度為45°時(shí)，水流與池壁相交位置距轉(zhuǎn)角處較遠(yuǎn)，為接近池長(zhǎng)1/2處，因此在池壁處產(chǎn)生的黏性損失較小，并且轉(zhuǎn)角處沒(méi)有渦流產(chǎn)生，減少了養(yǎng)殖池的局部阻力，在動(dòng)能損耗較小的條件下，養(yǎng)殖池內(nèi)形成環(huán)流，具備了帶動(dòng)污物匯集的必要條件。

圖7b～7c流場(chǎng)表明當(dāng)布設(shè)角度為45°，布設(shè)距離比為1/22時(shí)（即靠近池壁處），池中心的低流區(qū)面積較大，當(dāng)布設(shè)距離比為5/22（約1/4）時(shí)，池中心的低流區(qū)面積較小，即養(yǎng)殖池內(nèi)水體流速變化總趨勢(shì)是以水車(chē)式增氧機(jī)為中心向池壁和池心兩側(cè)逐漸減小。當(dāng)水車(chē)距池壁較遠(yuǎn)時(shí)，水體在向池壁方向擴(kuò)散的過(guò)程中動(dòng)能逐漸降低，因此池壁處的流速較小。對(duì)比圖5可以發(fā)現(xiàn)，水車(chē)的布設(shè)角度為45°時(shí)，中心污物匯集面積隨著布設(shè)距離比的增大而變小，圓切角邊緣處逐漸出現(xiàn)少許集污死角，這是因?yàn)橹行母浇土魉賲^(qū)面積在減小，高流速區(qū)面積在增加，而圓切角邊緣處低流速區(qū)在增加。當(dāng)水車(chē)式增氧機(jī)布設(shè)角度調(diào)整為70°，布設(shè)距離比為1/22時(shí)（即靠近池壁處），圖7d可以看出池內(nèi)流場(chǎng)分布均勻，并且可以形成有效的環(huán)流。然而由圖5可知，在70°工況下污物匯集效果隨著布設(shè)距離比增大而變差。對(duì)照布設(shè)距離比為3/22時(shí)的流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果（圖7e）可以看出，池內(nèi)無(wú)法形成有利于污物匯集的高流區(qū)，流態(tài)較為紊亂，污物無(wú)法匯集。目前，在關(guān)于養(yǎng)殖池內(nèi)水力驅(qū)動(dòng)設(shè)備布置方式的研究中，并沒(méi)有人關(guān)注過(guò)70°條件下流場(chǎng)特性，通過(guò)試驗(yàn)可以看出布設(shè)角度為70°時(shí)，只有水車(chē)位于靠近池壁位置，才可以呈現(xiàn)出較好的集污效果。因此在該區(qū)域形成污物匯集區(qū)。綜合上述研究結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在池內(nèi)形成有效的環(huán)流是污物向池心匯集的首要條件，但是如果環(huán)流流速過(guò)小，則即使形成環(huán)流，池內(nèi)的污物也不能很好地匯集到池心附近。

注：綠色箭頭代表增氧機(jī)布設(shè)位置和角度。

3 討 論

養(yǎng)殖池內(nèi)的集污效果直接關(guān)系到池內(nèi)水質(zhì)的優(yōu)劣，是養(yǎng)殖過(guò)程中必須重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。水車(chē)式增氧機(jī)是大尺寸養(yǎng)殖池內(nèi)常見(jiàn)的增氧設(shè)施，具有增氧和集污的雙重功能。本文物理模型試驗(yàn)的結(jié)果表明，當(dāng)水車(chē)式增氧機(jī)布設(shè)角度設(shè)置為45°時(shí)可以在池內(nèi)形成良好的環(huán)流，獲得良好的集污效果，這與郭平巧[28]的數(shù)值模擬研究結(jié)果一致。郭平巧通過(guò)數(shù)值模擬的方法系統(tǒng)地研究了水車(chē)式增氧機(jī)數(shù)量、擺放位置、擺放角度對(duì)正方形養(yǎng)殖池內(nèi)流場(chǎng)分布的影響。其論文中的“數(shù)值模擬流場(chǎng)結(jié)果圖4-33”與本文中的測(cè)量流場(chǎng)結(jié)果圖7c中的分布特性高度一致，均表明當(dāng)布設(shè)角度為45°時(shí)，養(yǎng)殖池內(nèi)可以形成有效環(huán)流，但是養(yǎng)殖池壁和中心附近均存在低流速區(qū)。該區(qū)域內(nèi)的污物往往沉積在池底很難去除，而且溶解氧也比較低。因此，布設(shè)位置和布設(shè)角度是水車(chē)式增氧機(jī)設(shè)置中需要重點(diǎn)考慮的兩個(gè)因素。射流管是養(yǎng)殖池內(nèi)常見(jiàn)的另一種集污設(shè)施，與水車(chē)式增氧機(jī)工作原理相同，都是通過(guò)帶動(dòng)水流運(yùn)動(dòng)從而達(dá)到污物匯集的目的。在方形圓切角養(yǎng)殖池內(nèi)，趙樂(lè)等[15]的物理模型試驗(yàn)結(jié)果表明，隨射流管布設(shè)角度的增加（0～70°），射流管布設(shè)角度為40°時(shí)，可以獲得最優(yōu)的集污效果；任效忠等[29]的物理模型試驗(yàn)結(jié)果表明，隨射流管布設(shè)角度的增加（0～90°），池內(nèi)水體平均流速呈先升高后降低趨勢(shì)，在布設(shè)角度為50°時(shí)池內(nèi)水體平均流速最高。上述研究中的最優(yōu)布設(shè)角度均在45°附近，小角度的差異極有可能源自于試驗(yàn)條件的不同。薛博茹等[30]通過(guò)數(shù)值模擬研究了射流管驅(qū)動(dòng)下，射流管布設(shè)角度為0°時(shí)，射流管布設(shè)距離比對(duì)池內(nèi)流場(chǎng)分布的影響，研究結(jié)果表明布設(shè)距離比明顯地影響池內(nèi)流場(chǎng)分布，設(shè)置在0.04附近有利于方形圓切角養(yǎng)殖池系統(tǒng)獲得最佳的流場(chǎng)條件。本文研究結(jié)果表明，在布設(shè)角度為0°工況下，水車(chē)式增氧機(jī)布設(shè)距離比設(shè)置為1/22時(shí)，可以獲得良好的集污效果。該研究結(jié)果與本文中布設(shè)距離比對(duì)污物匯集的影響結(jié)果一致。綜上所述，水車(chē)式增氧機(jī)布設(shè)角度為45°附近可以獲得良好的流場(chǎng)效果和集污效果。

在實(shí)際養(yǎng)殖池內(nèi)開(kāi)展池底污物現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量是檢驗(yàn)集污效果的最直接有效的方法，但是實(shí)際大尺寸養(yǎng)殖池內(nèi)水體往往比較渾濁，難以直接觀察到養(yǎng)殖池底部的污物分布情況。Du等[19]在研究曝氣管布設(shè)方式對(duì)矩形養(yǎng)殖池內(nèi)污物匯集影響時(shí)，通過(guò)排盡實(shí)際養(yǎng)殖池中的水觀察沉積在底部的污物匯集情況。但是在排水的過(guò)程中，污物在水流推力的作用下會(huì)發(fā)生位移，導(dǎo)致污物分布位置發(fā)生變化。Davidson等[31]通過(guò)在實(shí)際養(yǎng)殖池邊緣上方向圓形養(yǎng)殖池內(nèi)釋放單個(gè)飼料顆粒研究射流管布設(shè)角度對(duì)池內(nèi)污物運(yùn)動(dòng)的影響。該方法具有簡(jiǎn)單易操作的優(yōu)點(diǎn)，但是單顆飼料不能同時(shí)完全模擬池內(nèi)不同位置污物的運(yùn)動(dòng)以及污物間的相互影響。目前，尚未見(jiàn)有關(guān)大尺寸養(yǎng)殖池底部污物分布現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的相關(guān)報(bào)道。針對(duì)本文物理模型試驗(yàn)研究結(jié)果，嘗試在某對(duì)蝦養(yǎng)殖企業(yè)開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)。考慮到在水車(chē)式增氧機(jī)作用下養(yǎng)殖池內(nèi)上下水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律基本相同這一特點(diǎn)，試驗(yàn)中通過(guò)觀察養(yǎng)殖池表層泡沫的運(yùn)動(dòng)匯集情況評(píng)估養(yǎng)殖池內(nèi)底部污物運(yùn)動(dòng)匯集情況，從而達(dá)到定性驗(yàn)證物理模型試驗(yàn)結(jié)果的目的（見(jiàn)圖8）。從圖8中可以明顯地看到池內(nèi)表層水流特點(diǎn)以及池壁邊緣處的低流速區(qū)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果與物理模型試驗(yàn)結(jié)果基本一致。由于難以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行定量分析，因此不再對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行深入分析。

圖8 水車(chē)式增氧機(jī)作用下方形圓切角養(yǎng)殖池集污情況現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

4 結(jié) 論

本研究探討了方形圓切角養(yǎng)殖池中，水車(chē)式增氧機(jī)在不同布設(shè)角度、布設(shè)距離比和驅(qū)動(dòng)流速工況下，養(yǎng)殖池底部污物匯集特性和相應(yīng)的流場(chǎng)分布特性。研究結(jié)果表明，良好的環(huán)流是獲得較好集污效果的重要前提，在布設(shè)角度和布設(shè)距離比都合適的條件下提高水車(chē)式增氧機(jī)的驅(qū)動(dòng)流速有助于提高集污效率；當(dāng)水車(chē)式增氧機(jī)靠近池壁布設(shè)時(shí)，在布設(shè)角度為70°時(shí)達(dá)到最優(yōu)的集污效果；在布設(shè)角度為45°工況下，污物匯集效果隨著布設(shè)距離比的增大而增強(qiáng)，但是圓切角池壁處逐漸出現(xiàn)集污死角?？紤]水車(chē)式增氧機(jī)布設(shè)時(shí)的實(shí)際作業(yè)情況等，建議在實(shí)際養(yǎng)殖過(guò)程中，水車(chē)式增氧機(jī)按照45°布設(shè)，并按照本試驗(yàn)的結(jié)果調(diào)節(jié)增氧機(jī)與池壁的相對(duì)距離（約1/4池長(zhǎng)處），在保證污物起動(dòng)的前提下，可以適當(dāng)增加增氧機(jī)轉(zhuǎn)速，以提高集污效果。研究結(jié)果不僅可以為養(yǎng)殖者在布置水車(chē)式增氧機(jī)時(shí)提供科學(xué)參考，也可以為后續(xù)研究提供對(duì)比和驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

由于模型試驗(yàn)研究工況的局限性，接下來(lái)將通過(guò)開(kāi)展數(shù)值模擬，增加試驗(yàn)工況，進(jìn)一步系統(tǒng)詳細(xì)地研究水車(chē)式增氧機(jī)布設(shè)方式對(duì)養(yǎng)殖池內(nèi)污物匯集特性的影響。針對(duì)大尺寸養(yǎng)殖池底部污物難以直接觀察這一難題，應(yīng)開(kāi)發(fā)具有自動(dòng)補(bǔ)光功能的水下攝像機(jī)，達(dá)到全范圍精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)池底污物運(yùn)動(dòng)的目的，從而更科學(xué)地指導(dǎo)水車(chē)式增氧機(jī)的布設(shè)，并豐富水產(chǎn)養(yǎng)殖裝備工程技術(shù)知識(shí)體系。

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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，張學(xué)芬，曲曉玉，等. 水車(chē)式增氧機(jī)驅(qū)動(dòng)下方形圓切角養(yǎng)殖池集污水動(dòng)力試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，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

浙江省屬高?？蒲性核究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（2019J00030）；國(guó)家自然科學(xué)基金（31902425）；舟山市科技項(xiàng)目（2018C21011、2020C21003）

桂福坤，博士，教授，主要從事設(shè)施養(yǎng)殖工程研究。Email：gui2237@163.com

馮德軍，博士，講師，主要從事工廠化水產(chǎn)養(yǎng)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