秦 康，崔銘超，劉 晃，張成林，吉澤坤

(1 大連海洋大學(xué)航海與船舶工程學(xué)院，大連 116023;2 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092；3 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室深藍(lán)漁業(yè)工程聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，青島 266237)

近年來，養(yǎng)殖工船成為海水養(yǎng)殖領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)[1-4]。養(yǎng)殖工船錨泊于深遠(yuǎn)海水域，通過其內(nèi)置的大容積魚艙進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖，并通過進(jìn)出水推流實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)水體的流動(dòng)，養(yǎng)殖水環(huán)境可控[5]，然而，進(jìn)出水推流下的艙內(nèi)流場是否適合魚類養(yǎng)殖仍需評(píng)估；同時(shí)，在風(fēng)浪流作用下，養(yǎng)殖工船魚艙不可避免地會(huì)發(fā)生晃蕩現(xiàn)象，魚艙晃蕩可能會(huì)改變艙內(nèi)原有的水體流動(dòng)狀態(tài)，從而影響魚類的養(yǎng)殖環(huán)境。因此，研究進(jìn)出水推流和晃蕩對(duì)養(yǎng)殖工船魚艙流場的影響，分析艙內(nèi)水體的流動(dòng)特性，對(duì)發(fā)展深遠(yuǎn)海工船養(yǎng)殖具有重要意義。

養(yǎng)殖水環(huán)境內(nèi)流速大小、流動(dòng)的均勻程度等對(duì)魚類的生長和環(huán)境內(nèi)殘飼糞便等顆粒物的排出有重要影響[6-8]。流速引起的強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)可以改善養(yǎng)殖魚類肌肉張力，從而提高魚種放生后的存活率[9]；但過高的流速會(huì)使養(yǎng)殖魚類失去游泳能力，甚至導(dǎo)致魚類死亡[10]；適合魚類養(yǎng)殖的流速與其體長有關(guān)，對(duì)于1齡以上的大黃魚(體長大于27 cm)，流速在0.5 m/s以內(nèi)對(duì)其的不利影響較小[11-12]。均勻的水體流動(dòng)不僅可以使溶氧在有限的養(yǎng)殖空間內(nèi)均勻分布[6,13]，而且還有利于養(yǎng)殖環(huán)境內(nèi)顆粒物的排出[14]，故在流場特性的研究中應(yīng)盡可能地提高養(yǎng)殖環(huán)境內(nèi)水體流動(dòng)的均勻程度，以為養(yǎng)殖魚類提供均勻的水質(zhì)。

在陸基工廠化養(yǎng)殖中，矩形池、圓形養(yǎng)殖池以及MCR跑道池(Mixed-Cell Raceway)是3種常用的養(yǎng)殖池，且因易于建造，矩形養(yǎng)殖池最先被采用。當(dāng)矩形養(yǎng)殖池的長寬比大于1.91時(shí)，池內(nèi)水體流動(dòng)的均勻性顯著降低，會(huì)產(chǎn)生大量的低速區(qū)，而當(dāng)長寬比小于1.43時(shí)流動(dòng)均勻性無顯著變化[15]。Oca等[16]對(duì)圓形養(yǎng)殖池池形結(jié)構(gòu)對(duì)池內(nèi)流速分布的影響做了理論分析和試驗(yàn)研究，提出了一種確定池形結(jié)構(gòu)參數(shù)的模型。為評(píng)估進(jìn)水射流和排水速率(池底中心排水)對(duì)MCR跑道池內(nèi)流速大小和流動(dòng)均勻性的影響，Labatut等[17]進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)排水速率的影響并不顯著，進(jìn)水射流對(duì)流速大小有顯著影響，而對(duì)流動(dòng)均勻性的影響并不顯著；然而，有研究發(fā)現(xiàn)采用帶有徑向分量的進(jìn)水射流是可以改善養(yǎng)殖池內(nèi)水體流動(dòng)的均勻性[6]。此外，Labatut等[18-19]針對(duì)MCR跑道池依次進(jìn)行了二維和三維的數(shù)值模擬研究，結(jié)果與其試驗(yàn)研究的結(jié)果[17]一致；另外，還發(fā)現(xiàn)池內(nèi)水體繞著其垂向中心軸循環(huán)流動(dòng)，流速大小從近壁區(qū)到中心軸區(qū)域呈遞減。因此，對(duì)于陸基工廠化養(yǎng)殖而言，養(yǎng)殖池的形狀、進(jìn)水流量以及進(jìn)水射流的方向?qū)Τ貎?nèi)流場均有較大的影響；然而，對(duì)于面向深遠(yuǎn)海的養(yǎng)殖工船，其魚艙水環(huán)境受進(jìn)水射流和魚艙晃蕩共同作用，二者對(duì)魚艙流場的影響同樣重要。近期，Guo等[7]和崔銘超等[20]采用FLOW-3D軟件，對(duì)橫搖運(yùn)動(dòng)下養(yǎng)殖工船魚艙流場特性進(jìn)行數(shù)值研究，分析了角度為5°、7°、10°和12°的橫搖運(yùn)動(dòng)下的魚艙流場，并對(duì)其適漁性進(jìn)行了評(píng)估。目前，在橫搖運(yùn)動(dòng)下養(yǎng)殖工船魚艙流場特性的研究中，橫搖角度小于5°的研究尚未見報(bào)道。

以船載艙養(yǎng)為核心的工船養(yǎng)殖是一種新興的水產(chǎn)養(yǎng)殖方式，在實(shí)踐中其仍有基礎(chǔ)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)上的不足。本研究基于海上實(shí)測的船體橫搖運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，采用FLOW-3D軟件[21-22]，對(duì)3000噸級(jí)養(yǎng)殖工船魚艙流場特性進(jìn)行研究，分析總進(jìn)水流量和進(jìn)水口數(shù)目對(duì)養(yǎng)殖工船魚艙流場的影響，并評(píng)估橫搖運(yùn)動(dòng)下進(jìn)水射流對(duì)魚艙流場的調(diào)節(jié)能力，為船載魚艙養(yǎng)殖提供理論指導(dǎo)。

1 模型構(gòu)建

1.1 數(shù)值模型

在本研究的數(shù)值仿真中，養(yǎng)殖工船魚艙內(nèi)流體為三維不可壓縮流體，控制方程為連續(xù)性方程和雷諾平均Navier-Stokes方程；湍流模型選擇RNGk-ε模型，該模型適用范圍較廣，且能較好地模擬旋轉(zhuǎn)流動(dòng)[23]；本研究的數(shù)值仿真通過FLOW-3D軟件完成，該軟件擅長處理存在自由液面的劇烈晃蕩問題[7,24-25]。

基于Liu等[26]的晃蕩試驗(yàn)，驗(yàn)證本研究數(shù)值模型的正確性。如圖1a所示，根據(jù)Liu等[26]晃蕩試驗(yàn)的設(shè)置建立相應(yīng)的矩形艙模型，艙長B=0.57 m，高H=0.30 m，初始的靜水位h=0.15 m，艙內(nèi)水體的固有頻率w0=6.06 rad/s；在矩形艙的左壁和右壁附近以及艙中央位置依次放置三個(gè)測波儀(G1、G3、G2)，用以監(jiān)測液面波高。如圖1b所示，采用網(wǎng)格尺寸為0.002 5 m的均勻網(wǎng)格建立網(wǎng)格模型；矩形艙的外部激勵(lì)為S(t)=-S0sin (wt)，其中S0=0.005 m，w=w0。

注：圖中，G1、G2、G3為測波儀，B為艙長，H為艙高，h為液艙的初始靜水位，尺寸單位為m

對(duì)比數(shù)值仿真結(jié)果與Liu等[26]的試驗(yàn)結(jié)果(圖2)，可以看出二者具有較好的一致性，說明本研究所建立的數(shù)值模型是正確的，其應(yīng)用于養(yǎng)殖工船魚艙流場的模擬是可行的。

圖2 數(shù)值模型驗(yàn)證

1.2 計(jì)算模型

本研究采用等比例建立3 000 噸級(jí)養(yǎng)殖工船“國信101”(以下簡稱“工船”)的魚艙模型。工船全船對(duì)稱布置了3個(gè)相同的魚艙(T1、T2、T3)，如圖3a所示。魚艙長8.8 m、寬7.8 m、高5.2 m，靜水液位高4.2 m，魚艙水體體積約為263 m3；全艙共布置了16個(gè)進(jìn)水口，1個(gè)出水口，進(jìn)水口位于魚艙壁面轉(zhuǎn)角處，出水口位于艙底中央位置，如圖3b、圖3c所示。為便于后續(xù)處理，以魚艙底部中央位置(O點(diǎn))為原點(diǎn)建立空間直角坐標(biāo)系OXYZ，如圖3b所示；同時(shí)，將魚艙進(jìn)水口的布置分為4層(記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)，每層4個(gè)進(jìn)水口，相鄰兩層間相距0.7 m，靠近艙底的一層(Ⅳ層)距艙底1.5 m，如圖3c所示。

注：圖中，T1、T2、T3為魚艙，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為魚艙4層進(jìn)水口的位置，O為空間直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)，X、Y、Z為坐標(biāo)軸，尺寸單位為m

在FLOW-3D軟件中，魚艙的幾何形狀和液面通過FAVORTM方法[22]重構(gòu)，固液交界面采用無滑移邊界；魚艙的進(jìn)出水通過質(zhì)量動(dòng)量源(Mass Momentum Source)中的源和匯實(shí)現(xiàn)。對(duì)于海上船舶，橫搖運(yùn)動(dòng)為最主要的船體運(yùn)動(dòng)，故在本研究中以簡諧橫搖運(yùn)動(dòng)作為工船的船體運(yùn)動(dòng)，公式如下

(1)

式中：A為橫搖角度幅值，TR為橫搖運(yùn)動(dòng)的周期，θ(t)為隨時(shí)間t變化的橫搖角度。

在FLOW-3D軟件中，橫搖運(yùn)動(dòng)通過非慣性參考系(Non-inertial Reference Frame)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于工船魚艙，其養(yǎng)殖水體在橫搖方向上的一階固有周期T0≈3.27 s[3,27]。

網(wǎng)格收斂性驗(yàn)證采用橫搖周期為6 s、橫搖角度為5°的橫搖工況進(jìn)行，模型網(wǎng)格為均勻網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸依次為0.1、0.2和0.4 m，最密集網(wǎng)格的網(wǎng)格總數(shù)約為42萬；分別使用3種不同尺寸的網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并記錄點(diǎn)(0，3.6，3.1)處的流速。當(dāng)仿真時(shí)間大于950 s后，點(diǎn)(0，3.6，3.1)處的流速呈周期性變化，950～970 s間的流速變化如圖4所示，3種網(wǎng)格尺寸對(duì)應(yīng)的流速幅值依次為0.457、0.454和0.413 m/s。以0.1 m網(wǎng)格尺寸下的流速幅值為基準(zhǔn)，得到0.2和0.4 m網(wǎng)格尺寸下的流速分別為99.3%和90.4%；若以95%作為收斂標(biāo)準(zhǔn)，則當(dāng)網(wǎng)格尺寸小于0.2 m后，網(wǎng)格尺寸對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果的影響較小，計(jì)算結(jié)果是收斂的。因此，綜合考慮計(jì)算精度和效率，將本研究中數(shù)值仿真的網(wǎng)格尺寸取為0.1 m。

注：圖中，D為網(wǎng)格尺寸

1.3 仿真工況

船體橫搖運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)場實(shí)測通過數(shù)字量航姿參考系統(tǒng)(型號(hào)：AHR730，中國無錫極銳科技有限公司制造)完成，實(shí)測過程中，工船錨泊于青島市長門巖錨地(36°15′071″N，120°54′729″E)，數(shù)字量航姿參考系統(tǒng)(以下簡稱為“AHRS”)固定于船中甲板上(圖3a中的P點(diǎn)位置)。AHRS所采集的船體橫搖角度數(shù)據(jù)是時(shí)歷數(shù)據(jù)，從其中可直接獲取橫搖角度幅值，但橫搖周期的獲取需對(duì)數(shù)據(jù)做一定的處理，該過程包括分幀、加窗和時(shí)頻域轉(zhuǎn)換；分析處理后的船體橫搖運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)工船橫搖運(yùn)動(dòng)的周期集中在5.3～6.4 s間，角度幅值在0°～7.3°間，且0°～2°居多。

基于魚艙進(jìn)水口的控制狀態(tài)和現(xiàn)場實(shí)測的船體橫搖運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，在不同工況下進(jìn)行數(shù)值仿真，分析總進(jìn)水流量、進(jìn)水口數(shù)目和橫搖角度幅值對(duì)魚艙流場的影響，數(shù)值仿真工況具體如表1所示。

表1 仿真工況分組

1.4 數(shù)據(jù)處理

本研究主要探討了總進(jìn)水流量Q、進(jìn)水口數(shù)目N以及橫搖角度幅值A(chǔ)對(duì)魚艙流場的影響，流場特性參數(shù)為流速大小和流動(dòng)均勻性，其中，水體流動(dòng)的均勻程度通過流動(dòng)均勻性指數(shù)來量化，公式[8,28]如下

(2)

通過公式(2)計(jì)算出魚艙不同水深處水平截面(XOY截面)的流動(dòng)均勻性指數(shù)γ，從而繪制流動(dòng)均勻性指數(shù)γ隨水深H變化的曲線，分析不同工況下魚艙水體流動(dòng)的均勻性。

對(duì)于工船魚艙流場，幾個(gè)點(diǎn)、線或平面上流速數(shù)據(jù)的變化不能代表整個(gè)流場的特征；因此，本研究通過累計(jì)概率密度(cumulative probability density,CPD)來統(tǒng)計(jì)分析魚艙流速v，繪制出CPD隨v變化的累計(jì)概率密度曲線，從而在整體上分析魚艙流場；同時(shí)，為避免因過大數(shù)據(jù)的干擾而無法把握數(shù)據(jù)的整體情況，取流速數(shù)據(jù)的99%分位數(shù)來代表最大流速，即魚艙內(nèi)最大流速為v0.99。另外，分析總進(jìn)水流量Q和進(jìn)水口數(shù)目N對(duì)v0.99的影響，并進(jìn)行線性回歸分析和顯著性檢驗(yàn)。

在本研究中，數(shù)據(jù)的處理通過MATLAB R2021a和IBM SPSS Statistics 25完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 總進(jìn)水流量對(duì)魚艙流場的影響

為分析總進(jìn)水流量Q對(duì)魚艙流速大小v的影響，在A1、A2、A3、A4四種工況下對(duì)比分析艙內(nèi)流速分布，如圖5a所示。4種工況對(duì)比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)水口數(shù)目不變時(shí)，隨著總進(jìn)水流量從110 m3/h增加到215 m3/h，魚艙流速大幅增加，v0.99從0.304 m/s增加到0.602 m/s，增幅為98.0%。對(duì)流速v0.99和總進(jìn)水流量Q進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)v0.99與Q呈線性相關(guān)(圖5b)，其線性回歸方程為

圖5 總進(jìn)水流量對(duì)魚艙流速大小的影響

v0.99= 0.0028Q- 0.016 3

R2= 0.991，P= 0.004 6

(3)

式中：v0.99、Q分別表示流速、總進(jìn)水流量，單位分別為m/s、m3/h；P<0.01。

為分析總進(jìn)水流量Q對(duì)魚艙流動(dòng)均勻性的影響，在A1、A2、A3、A4四種工況下對(duì)比分析魚艙不同水深處水平截面的流動(dòng)均勻性指數(shù)γ，如圖6所示。

圖6 總進(jìn)水流量對(duì)魚艙流動(dòng)均勻性的影響

四種工況對(duì)比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)水口數(shù)目不變時(shí)，隨著總進(jìn)水流量的增大，魚艙不同水深處的流動(dòng)均勻性指數(shù)變化較小，尤其當(dāng)總進(jìn)水流量從145 m3/h增加到180 m3/h時(shí)，不同水深處的流動(dòng)均勻性指數(shù)幾乎無變化(圖6中A2、A3兩種工況下的曲線幾乎完全重合)。另外，發(fā)現(xiàn)除0～1 m水深區(qū)域外，不同工況下魚艙內(nèi)其余區(qū)域的流動(dòng)均勻性指數(shù)均大于0.8，流動(dòng)均勻性較好；0～1 m水深區(qū)域的流動(dòng)均勻性較差應(yīng)與魚艙進(jìn)水口的位置有關(guān)(Ⅰ層進(jìn)水口的水深為0.6 m)。

2.2 進(jìn)水口數(shù)目對(duì)魚艙流場的影響

為分析進(jìn)水口數(shù)目N對(duì)魚艙流速大小v的影響，在B1、B2、B3、B4四種工況下對(duì)比分析艙內(nèi)流速分布，如圖7a所示。4種工況對(duì)比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)總進(jìn)水流量不變時(shí)，隨著進(jìn)水口數(shù)目從4增加到16，魚艙流速大幅降低，v0.99從0.385 m/s降低至0.161 m/s，降幅為-58.2%。對(duì)流速v0.99和進(jìn)水口數(shù)目N進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)v0.99與N呈線性相關(guān)(圖7b)，其線性回歸方程為

圖7 進(jìn)水口數(shù)目對(duì)魚艙流速大小的影響

v0.99= -0.017 6N+ 0.427 5，

R2= 0.903，P= 0.049 9

(4)

式中：v0.99、N分別表示流速和進(jìn)水口數(shù)目，單位分別為m/s、個(gè)；P<0.05。

為分析進(jìn)水口數(shù)目N對(duì)魚艙流動(dòng)均勻性的影響，在B1、B2、B3、B4四種工況下對(duì)比分析魚艙不同水深處水平截面的流動(dòng)均勻性指數(shù)γ，如圖8所示。

圖8 進(jìn)水口數(shù)目對(duì)魚艙流動(dòng)均勻性的影響

四種工況對(duì)比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)總進(jìn)水流量不變時(shí)，隨著進(jìn)水口數(shù)目從4增加到8，流動(dòng)均勻性指數(shù)出現(xiàn)了大幅的增加，尤其在0～1.5 m水深區(qū)域；而當(dāng)進(jìn)水口數(shù)目從8增加到16時(shí)，流動(dòng)均勻性指數(shù)略有增加，變化并不明顯；同時(shí)，發(fā)現(xiàn)除B1工況外，其余三種工況下魚艙不同水深處的流動(dòng)均勻性指數(shù)均大于0.8，流動(dòng)均勻性較好。另外，從圖8中可以看出，在不同工況下，魚艙進(jìn)水口和出水口水深處的流動(dòng)均勻性指數(shù)均較小，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ層進(jìn)水口處的水深依次為0.6、1.3、2.0、2.7 m(圖3c)，出水口位于艙底中央處，即4.2 m水深位置。受口徑的影響，魚艙水體在流經(jīng)進(jìn)水口或出水口時(shí)流速會(huì)較高，故在靠近進(jìn)水口或出水口處的水平截面上，流速分布不均勻，流動(dòng)均勻性較差。

2.3 橫搖角度幅值對(duì)魚艙流場的影響

為分析橫搖角度幅值A(chǔ)對(duì)魚艙流速大小v的影響，在C1、C2、C3三種工況下對(duì)比分析艙內(nèi)流速分布，如圖9所示。三種工況對(duì)比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)橫搖周期不變時(shí)，隨著橫搖角度幅值從0°增加到2°，魚艙流速略有增加，v0.99從0.385 m/s增加到0.413 m/s；而當(dāng)橫搖角度幅值從0°增加到5°時(shí)，魚艙流速出現(xiàn)了大幅的增加，v0.99從0.385 m/s增加到0.507 m/s，增幅為31.7%。

圖9 橫搖角度幅值對(duì)魚艙流速大小的影響

為分析橫搖角度幅值A(chǔ)對(duì)魚艙流動(dòng)均勻性的影響，在C1、C2、C3三種工況下對(duì)比分析魚艙不同水深處水平截面的流動(dòng)均勻性指數(shù)γ，如圖10所示。

注：紅色虛線為Ⅰ層進(jìn)水口所在的水深位置，水深為0.6 m

3種工況對(duì)比發(fā)現(xiàn),當(dāng)橫搖周期不變時(shí)，隨著橫搖角度幅值從0°增加到2°，魚艙流動(dòng)均勻性略有降低，但C2工況下1.1～3.9 m水深區(qū)域內(nèi)流動(dòng)均勻性指數(shù)仍大于0.8；而當(dāng)橫搖角度幅值從0°增加到5°時(shí)，魚艙流動(dòng)均勻性顯著降低，C3工況下魚艙0.7～4.2 m水深區(qū)域內(nèi)流動(dòng)均勻性指數(shù)明顯低于C1工況。

3 討論

3.1 進(jìn)水射流對(duì)工船魚艙流場的影響

在工船魚艙的日常養(yǎng)殖作業(yè)中，常通過增加總進(jìn)水流量來縮短魚艙單次排水所需的時(shí)間(魚艙水體體積/總進(jìn)水流量)，加快魚艙水體的更新和水中顆粒物的排出，但不同總進(jìn)水流量下的魚艙流場是否適合魚類養(yǎng)殖仍需評(píng)估。本研究在控制進(jìn)水口數(shù)目不變的條件下分析總進(jìn)水流量對(duì)魚艙流速大小和流動(dòng)均勻性的影響，結(jié)果表明，總進(jìn)水流量對(duì)魚艙流速大小有顯著影響，而對(duì)流動(dòng)均勻性的影響并不顯著。隨著總進(jìn)水流量的增大，魚艙流速大幅增加圖5(a)，且流速v0.99與總進(jìn)水流量Q呈線性相關(guān)，關(guān)系式如公式(3)所示。對(duì)于1齡以上大黃魚(體長大于27 cm)，其適養(yǎng)流速上限為0.5 m/s[11-12,29]，故通過公式(3)計(jì)算可知，當(dāng)總進(jìn)水流量小于184 m3/h時(shí)，流速v0.99始終小于0.5 m/s，魚艙流速是適合1齡以上大黃魚養(yǎng)殖的。

除總進(jìn)水流量外，還研究了進(jìn)水口數(shù)目對(duì)魚艙流場的影響。在控制總進(jìn)水流量不變的條件下，分析進(jìn)水口數(shù)目對(duì)魚艙流速大小和流動(dòng)均勻性的影響，結(jié)果表明，進(jìn)水口數(shù)目對(duì)魚艙流速大小和流動(dòng)均勻性均有顯著影響。隨著進(jìn)水口數(shù)目的增加，魚艙流速大幅降低(圖7a)，且流速v0.99與進(jìn)水口數(shù)目N呈線性相關(guān)，關(guān)系式如公式(4)所示；當(dāng)進(jìn)水口數(shù)目從4增加到8時(shí)，流動(dòng)均勻性指數(shù)大幅增加，而當(dāng)進(jìn)水口數(shù)目從8增加到16時(shí)，流動(dòng)均勻性指數(shù)略有增加，變化并不明顯(圖8)。因此，當(dāng)因增加總進(jìn)水流量而導(dǎo)致艙內(nèi)流速大于魚類適養(yǎng)流速上限時(shí)，可以通過增加進(jìn)水口數(shù)目來降低魚艙流速，同時(shí)增加水體流動(dòng)的均勻性。

3.2 橫搖運(yùn)動(dòng)下進(jìn)水射流對(duì)魚艙流場的調(diào)節(jié)

對(duì)于錨泊狀態(tài)下的養(yǎng)殖工船，其魚艙水環(huán)境受進(jìn)水射流和橫搖運(yùn)動(dòng)共同作用，二者對(duì)魚艙流場的影響同樣重要；因此，在研究進(jìn)水射流對(duì)魚艙流場的調(diào)節(jié)作用時(shí)，橫搖運(yùn)動(dòng)對(duì)其的影響不容忽視，而橫搖角度幅值和橫搖周期是兩個(gè)重要的影響因素。橫搖角度幅值對(duì)養(yǎng)殖工船魚艙流場有顯著影響，隨著橫搖角度幅值的增大，艙內(nèi)流速顯著增大，同時(shí)也加劇了魚艙水體流動(dòng)的不均勻程度[7,12,20]。通過分析現(xiàn)場實(shí)測的工船船體橫搖運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)橫搖角度幅值在0°～7.3°間，且0°～2°居多，大部分時(shí)間內(nèi)工船橫搖運(yùn)動(dòng)均較為平緩；因此，在本研究中，重點(diǎn)分析0°、2°和5°角度幅值下的橫搖運(yùn)動(dòng)；其中，當(dāng)橫搖角度幅值達(dá)到5°時(shí)，魚艙流速v0.99為0.507 m/s，已達(dá)到了1齡以上大黃魚(體長大于27 cm)的適養(yǎng)流速上限[11-12]。橫搖周期對(duì)養(yǎng)殖工船魚艙流場的影響主要與魚艙水體的固有周期有關(guān)，當(dāng)船體橫搖運(yùn)動(dòng)的周期接近魚艙水體的固有周期時(shí)，魚艙水體因共振而劇烈晃蕩，流場變化較大，而當(dāng)船體橫搖運(yùn)動(dòng)的周期遠(yuǎn)離魚艙水體的固有周期后，橫搖周期對(duì)魚艙流場的影響較小[7,20,30]。通過分析現(xiàn)場實(shí)測的工船船體橫搖運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)橫搖周期變化范圍較小，多在5.3～6.4 s間，錨泊狀態(tài)下船體橫搖運(yùn)動(dòng)的周期與船舶固有屬性有關(guān)，無法因外界激勵(lì)的作用而發(fā)生較大的變化；對(duì)于錨泊狀態(tài)下的工船，其船體橫搖運(yùn)動(dòng)的周期在5.3～6.4 s間，遠(yuǎn)離魚艙水體的一階固有周期T0(3.27 s)[3,27]；因此，在本研究中，重點(diǎn)分析6 s周期下的橫搖運(yùn)動(dòng)。在橫搖周期為6 s的條件下，研究橫搖角度幅值對(duì)魚艙流速大小和流動(dòng)均勻性的影響(圖9、10)；發(fā)現(xiàn)相較于進(jìn)水射流，橫搖周期為6 s、橫搖角度為2°的橫搖運(yùn)動(dòng)對(duì)魚艙流場的影響較小，而橫搖周期為6 s、橫搖角度為5°的橫搖運(yùn)動(dòng)對(duì)魚艙流場影響較大。因此，對(duì)于錨泊狀態(tài)下的工船，其橫搖運(yùn)動(dòng)的周期變化范圍較小，多在5.3～6.4 s間；當(dāng)橫搖角度幅值小于2°時(shí)，橫搖運(yùn)動(dòng)對(duì)魚艙流場的影響較小，此時(shí)可以通過改變總進(jìn)水流量和進(jìn)水口數(shù)目來調(diào)節(jié)魚艙流場；而當(dāng)橫搖角度幅值大于2°時(shí)，橫搖運(yùn)動(dòng)對(duì)魚艙流場的影響較大，尤其當(dāng)橫搖角度幅值達(dá)到5°后，此時(shí)進(jìn)水射流對(duì)魚艙流場的調(diào)節(jié)作用有限，或可考慮通過制蕩減搖措施[31-32]來調(diào)節(jié)魚艙流場。

4 結(jié)論

對(duì)于工船魚艙，當(dāng)進(jìn)水口數(shù)目一定時(shí)，魚艙最大流速與總進(jìn)水流量呈線性正相關(guān)；故對(duì)于4個(gè)進(jìn)水口的魚艙，當(dāng)總進(jìn)水流量小于184 m3/h時(shí)，魚艙流速始終小于0.5 m/s，是適合1齡以上大黃魚(體長大于27 cm)養(yǎng)殖的；同時(shí)，當(dāng)因增加總進(jìn)水流量而導(dǎo)致艙內(nèi)流速大于魚類適養(yǎng)流速上限時(shí)，可以通過增加進(jìn)水口數(shù)目來降低魚艙流速，增加水體流動(dòng)的均勻性。對(duì)于錨泊狀態(tài)下的工船，當(dāng)橫搖角度幅值小于2°時(shí)，橫搖運(yùn)動(dòng)對(duì)魚艙流場的影響較小，此時(shí)可以通過改變總進(jìn)水流量和進(jìn)水口數(shù)目來調(diào)節(jié)魚艙流場；當(dāng)橫搖角度幅值大于2°時(shí)，橫搖運(yùn)動(dòng)對(duì)魚艙流場的影響較大，尤其當(dāng)橫搖角度幅值達(dá)到5°后，此時(shí)進(jìn)水射流對(duì)魚艙流場的調(diào)節(jié)作用有限。