史憲瑩，李猛，2，任效忠，馮德軍，劉航飛，周寅鑫，劉海波，2，趙晨旭，2

(1.大連海洋大學(xué) 海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023；2.設(shè)施漁業(yè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(大連海洋大學(xué))，遼寧 大連 116023；3.大連海洋大學(xué) 海洋科技與環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116023；4.浙江海洋大學(xué) 國家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心，浙江 舟山 316022；5.浙江大學(xué) 生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310058)

中國是世界水產(chǎn)養(yǎng)殖第一大國，水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)在保障蛋白供給、穩(wěn)定水產(chǎn)品市場和促進(jìn)貿(mào)易發(fā)展等方面都發(fā)揮了重大作用，成為戰(zhàn)略性的新興產(chǎn)業(yè)之一[1-2]。循環(huán)水養(yǎng)殖具有生產(chǎn)效率高、占地面積少、可控性強(qiáng)和水產(chǎn)品質(zhì)量安全等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是21世紀(jì)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的主導(dǎo)方向[3]。在循環(huán)水養(yǎng)殖過程中，養(yǎng)殖池內(nèi)容易堆積由糞便、殘餌和魚體黏液等組成的固體廢物[4-5]。固體廢物的累計(jì)和分解礦化會對魚類健康及養(yǎng)殖池水質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響，甚至還會導(dǎo)致循環(huán)水設(shè)施的堵塞，影響設(shè)備的正常運(yùn)行[6-7]。因此，高效、快速地清除養(yǎng)殖池內(nèi)的固體廢物，對保證魚類健康生長，避免池內(nèi)水質(zhì)下降，維持循環(huán)水設(shè)備的正常運(yùn)行具有重要意義。

目前，構(gòu)建高效的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)已成為水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)研究發(fā)展的方向，而管理和去除養(yǎng)殖水體中的懸浮顆粒物又是循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[8]。在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中，養(yǎng)殖池的池形及相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化對池內(nèi)的排污效果具有直接影響。對圓形養(yǎng)殖池排污效果的研究表明，養(yǎng)殖池進(jìn)出水結(jié)構(gòu)、進(jìn)水流量和水的循環(huán)周期等參數(shù)的變化對養(yǎng)殖池的固體沖刷效果均有較大影響[9-12]。Liu等[13]應(yīng)用DPM模型模擬八角形養(yǎng)殖池的排污性能，并進(jìn)行了物理試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，該模型能較為準(zhǔn)確地模擬八角形養(yǎng)殖池內(nèi)固體顆粒的運(yùn)動軌跡。Gorle等[14]對八角形養(yǎng)殖池進(jìn)、出水口的位置研究表明，進(jìn)、出水口位置參數(shù)的變化對養(yǎng)殖池內(nèi)速度、渦量和湍流等水力特性均有影響，養(yǎng)殖池設(shè)置底部排水口和轉(zhuǎn)角進(jìn)水口可以增強(qiáng)水流旋轉(zhuǎn)流動，使水體擁有更好的均勻性，從而確保了養(yǎng)殖池自清潔能力的提高。在對養(yǎng)殖池的相關(guān)研究中，桂勁松等[15]對矩形養(yǎng)殖池進(jìn)行了圓弧角優(yōu)化，優(yōu)化后的矩形圓弧角養(yǎng)殖池兼具較好的流場性能和較高的空間利用率。對矩形圓弧角養(yǎng)殖池內(nèi)的排污性能研究表明，養(yǎng)殖池內(nèi)水體的日循環(huán)次數(shù)、進(jìn)水孔入射角度、徑深比和排污粒子的特性等相關(guān)參數(shù)設(shè)置對養(yǎng)殖池內(nèi)固體顆粒物的清除均有較大影響[16-19]。在已有關(guān)于矩形圓弧角養(yǎng)殖池的排污優(yōu)化研究中，養(yǎng)殖池的規(guī)格多為單一固定的，較少有學(xué)者進(jìn)行養(yǎng)殖池長寬比變化的排污數(shù)值模擬研究。在矩形圓弧角養(yǎng)殖池實(shí)際建設(shè)過程中，通過改變養(yǎng)殖池的長寬比進(jìn)行適當(dāng)?shù)某匦巫兓?，可適應(yīng)不同場地建設(shè)要求，但隨著長寬比的增加，矩形圓弧角養(yǎng)殖池內(nèi)流場的環(huán)流狀態(tài)發(fā)生改變，可導(dǎo)致池內(nèi)排污效果發(fā)生改變[20]。因此，探究具有較好排污性能的長寬比參數(shù)區(qū)間，是養(yǎng)殖池優(yōu)化研究中亟待解決的問題。

本研究中，通過數(shù)值模擬研究不同長寬比參數(shù)條件下矩形圓弧角養(yǎng)殖池的排污特性，通過構(gòu)建固-液兩相流數(shù)值模型，定義了適用于較大長寬比池形的重疊撒布方式，對兩種進(jìn)水管布置位置的不同長寬比工況進(jìn)行排污模擬試驗(yàn)，得到具有較好排污性能的最優(yōu)長寬比參數(shù)區(qū)間，以期為矩形圓弧角養(yǎng)殖池實(shí)際建設(shè)中池形尺寸的選擇提供參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 養(yǎng)殖池?cái)?shù)值模型構(gòu)建

根據(jù)實(shí)際養(yǎng)殖池規(guī)格以1∶8比例縮小構(gòu)建矩形圓弧角養(yǎng)殖池?cái)?shù)值模型。將養(yǎng)殖池長寬比設(shè)置為可變參數(shù)，建立10個(gè)不同長寬比的計(jì)算工況，每個(gè)工況長寬比間隔為0.1。養(yǎng)殖池長(L)×寬(B)為(1.0～1.9 )m×1.0 m，以方形圓弧角養(yǎng)殖池(L/W=1.0)為例，模型結(jié)構(gòu)如圖1所示，在養(yǎng)殖池邊壁中心對稱布置雙進(jìn)水管，每個(gè)進(jìn)水管設(shè)置9個(gè)直徑為0.004 m的射流孔，射流孔與池邊壁夾角為0°。養(yǎng)殖池采用中心底部單排水管結(jié)構(gòu)排水，排水管直徑為0.02 m，水深H=0.2 m(即徑深比B/H=5∶1)，相對弧寬比R/B=0.25(R為圓弧角半徑)，進(jìn)徑比C/B=0.03[21](C為射流孔位置到養(yǎng)殖池壁的水平距離)。為保證不同長寬比的養(yǎng)殖池內(nèi)水體循環(huán)次數(shù)保持100次/d，射流孔面積與長寬比保持成比例變化，長寬比參數(shù)變化為1.0～1.9，采用的入流流量為814～1546 L/h，進(jìn)水口射流速度恒為1 m/s。養(yǎng)殖池參數(shù)見圖1。

圖1 養(yǎng)殖池參數(shù)Fig.1 Parameters of culture tank

隨著長寬比的變化，養(yǎng)殖池形狀從方形圓弧角向矩形圓弧角轉(zhuǎn)變，這帶來兩種不同的進(jìn)水管布設(shè)方式，即進(jìn)水管布置在長邊中心位置和寬邊中心位置(圖2)。

圖2 養(yǎng)殖池兩種布管方式Fig.2 Two kinds of fabric and tube in culture tank

1.2 控制方程

1.2.1 湍流模型 Yakhot等[22]應(yīng)用重整化群(Renormalization Group，RNG)理論，建立了一類新的湍流模型——RNGk-ε湍流模型。即將重整化群方法用于N-S方程，并引入湍能k及耗散率ε，相較于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，RNGk-ε湍流模型提供了低雷諾數(shù)流動黏性的解析公式，使其更好地模擬近壁區(qū)域的流動。RNGk-ε湍流模型能更好地處理高應(yīng)變率、流線彎曲程度較大的流動，以及湍流中的渦效應(yīng)。RNGk-ε其連續(xù)性方程為

(1)

RNGk-ε動量方程為

(2)

式中：ρ和μ分別為液體的密度(kg/m3)和黏度(Pa·s)；t為經(jīng)過時(shí)間(s)；u、v、w分別為沿x、y、z軸的速度分量；p為壓力(N)；i=1，2，3分別對應(yīng)x、y、z3個(gè)方向的變量；Sui為動量方程的源項(xiàng)，Sui=Fxi+Sxi，對于不可壓縮流體Sxi=0，F(xiàn)xi為引力(N)，因此，Su=Fx=0，Sy=Fy=0，Sw=Fz=-ρg。

RNGk-ε輸運(yùn)方程[23]為

(3)

(4)

μeff=μ+μt，

(5)

(6)

η=(2Eij·Eij)1/2k/ε,

(7)

(8)

式中：μt為湍流黏度(Pa·s)；C1ε=1.42，η0=4.377，β=0.012；η為湍流流場的速度張量；Eij為時(shí)均應(yīng)變率。

1.2.2 離散項(xiàng)模型 養(yǎng)殖池系統(tǒng)構(gòu)建的固-液兩相流模型，在模擬兩相耦合過程時(shí)，首先計(jì)算得到收斂的連續(xù)相流場，然后在連續(xù)相內(nèi)創(chuàng)建離散相粒子進(jìn)行耦合計(jì)算。每一輪離散相的計(jì)算要考慮養(yǎng)殖池內(nèi)水體與固體顆粒之間動量、速度和位置的交換。由于本試驗(yàn)設(shè)置投放的固體顆粒物體積分?jǐn)?shù)占比遠(yuǎn)小于水的體積(低于0.1%)，離散項(xiàng)對連續(xù)相的影響也遠(yuǎn)小于連續(xù)相對離散項(xiàng)的作用，且矩形圓弧角養(yǎng)殖池內(nèi)流場呈現(xiàn)類似環(huán)流的狀態(tài)，離散相粒子按照一定的軌跡運(yùn)動，故本試驗(yàn)中假設(shè)忽略顆粒間的相互作用和顆粒對連續(xù)相的影響。在拉格朗日公式中，利用質(zhì)點(diǎn)在外力作用下的運(yùn)動微分方程積分來追蹤質(zhì)點(diǎn)的軌跡。在給定力作用下的平衡方程為

(9)

1.3 數(shù)值求解方法

本研究中基于固-液兩相流模型對三維數(shù)值模型進(jìn)行求解，利用FLUENT 16.0軟件中的有限體積法對模型進(jìn)行了劃分，并對控制方程進(jìn)行離散。連續(xù)相和離散相均采用壓力隱式求解方法，選用SIMPLE算法對壓力速度進(jìn)行耦合，壓力、動量基于二階迎風(fēng)離散格式(second order upwind)求解，湍流動能、湍動能耗散率基于一階迎風(fēng)離散格式(first order upwind)求解。當(dāng)所有變量的殘差小于0.001時(shí)，認(rèn)為達(dá)到了模擬的收斂性。

矩形圓弧角養(yǎng)殖池?cái)?shù)值連續(xù)相模型和離散相顆粒的進(jìn)出口邊界、交界面處理和壁面邊界等初始邊界條件如表1所示。

表1 連續(xù)相模型和離散相顆粒初始邊界條件Tab.1 Initial boundary conditions of continuous phase model and discrete phase particles

1.4 網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

高質(zhì)量的網(wǎng)格可以避免模擬試驗(yàn)的數(shù)值發(fā)散，減小離散誤差，簡化線性方程求解難度，節(jié)省計(jì)算時(shí)間[24-25]。本研究中，采用混合網(wǎng)格劃分技術(shù)，以L/W=1.0工況為例，如圖3所示，對養(yǎng)殖池主體采用六面體網(wǎng)格劃分技術(shù)，對進(jìn)水管、射流孔采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，保證在合理的網(wǎng)格數(shù)量下，采用高質(zhì)量的網(wǎng)格單元模擬養(yǎng)殖池較為復(fù)雜的區(qū)域。網(wǎng)格數(shù)量最終控制在60萬個(gè)左右，最小網(wǎng)格單元尺寸為 0.2 mm，最大網(wǎng)格單元尺寸為 41.65 mm。網(wǎng)格單元的偏斜度(skewness)平均值為0.057，網(wǎng)格質(zhì)量(element quality)平均值為0.928，縱橫比(aspect ratio)平均值為1.4，該網(wǎng)格劃分方法保證了良好的網(wǎng)格質(zhì)量。

圖3 養(yǎng)殖池網(wǎng)格劃分Fig.3 Grid division of culture tank

在保證網(wǎng)格質(zhì)量的同時(shí)，合適的網(wǎng)格數(shù)量會減少計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算效率。比較網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量分別為40萬、50萬、60萬、90萬、120萬、150萬個(gè)的6組工況，選取距池底0.1 m平面的兩進(jìn)水管連接線上16個(gè)控制點(diǎn)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析(圖4)。

圖4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證Fig.4 Grid independence verification

從圖4可見：40萬、50萬個(gè)網(wǎng)格工況時(shí)，每個(gè)控制點(diǎn)的速度明顯低于其他工況，說明該網(wǎng)格數(shù)量的單個(gè)網(wǎng)格單元尺寸較大，對整個(gè)養(yǎng)殖池的模擬不夠準(zhǔn)確；而60萬個(gè)網(wǎng)格工況與90萬、120萬、150萬個(gè)網(wǎng)格工況的各個(gè)控制點(diǎn)速度變化趨勢相似，大多數(shù)對應(yīng)控制點(diǎn)誤差值在10%范圍，符合計(jì)算精度要求，因此，采用約60萬數(shù)量的網(wǎng)格進(jìn)行模擬計(jì)算是合理的。

1.5 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的合理性，參照任效忠等[17]開展的方形圓弧角養(yǎng)殖池排污特性試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備見圖5(a)。試驗(yàn)步驟：運(yùn)行試驗(yàn)設(shè)備使養(yǎng)殖池內(nèi)的流場達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，向池內(nèi)均勻撒入20 g沉性飼料(顆粒直徑為2.0 mm，密度為1 300 kg/m3，形狀系數(shù)φ=0.85，數(shù)量約為900個(gè))，每隔15 s用拍攝設(shè)備俯拍一張池內(nèi)粒子分布圖片，成像效果見圖5(b)，試驗(yàn)總時(shí)長為3 min。采用Matlab軟件對圖片進(jìn)行后處理，計(jì)算出各時(shí)刻固體顆粒物累計(jì)排除率，并對每一工況進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，取其平均值作為試驗(yàn)最終結(jié)果。

圖5 物理排污試驗(yàn)系統(tǒng)及15 s時(shí)池內(nèi)的粒子分布Fig.5 Physical sewage discharging test system and distribution of particles in the tank at 15 s

數(shù)值模擬試驗(yàn)采用與物理試驗(yàn)相同的L/W=1.0試驗(yàn)工況條件，模擬3種不同粒子撒布方式(中心撒布、均勻撒布和重疊撒布)的排污效果(圖6)。在DPM模型設(shè)置中，規(guī)定了粒子撒布的位置和撒布半徑，如圖6(b)所示，這種中心撒布方式無法模擬較大長寬比池形邊角區(qū)域的排污狀態(tài)。針對這一問題，本研究中提出了兩種新的粒子撒布方式：均勻撒布和重疊撒布(圖6(c)和圖6(d))。以L/W=1.5工況為例，均勻撒布方式是將粒子撒布區(qū)域分為6個(gè)圓形區(qū)域，6個(gè)區(qū)域兩兩相切，互不重疊，并均勻覆蓋整個(gè)養(yǎng)殖池；重疊撒布方式是將粒子撒布區(qū)域分為4個(gè)圓形區(qū)域，粒子撒布區(qū)域有重疊，重疊撒布位置分布在寬邊的中軸線上。這兩種撒布方式比中心撒布方式擴(kuò)大了粒子的撒布面積，更貼近實(shí)際養(yǎng)殖池中的排污情況；均勻撒布方式的粒子分布面積低于重疊撒布方式，粒子空間分布率較低，而重疊撒布方式的粒子分布均勻性最好。

圖6 進(jìn)水管布置在寬邊時(shí)不同粒子撒布方式Fig.6 Different particle distribution of inlet pipe at the wide edges

當(dāng)DPM數(shù)值模型中的池內(nèi)流場達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，投入與物理試驗(yàn)相同物理參數(shù)的粒子，通過監(jiān)測池內(nèi)剩余顆粒的數(shù)量計(jì)算顆粒物累計(jì)排除率，并將3種撒布方式的數(shù)值模擬結(jié)果與物理試驗(yàn)進(jìn)行對比，結(jié)果表明，數(shù)值試驗(yàn)與物理試驗(yàn)結(jié)果粒子整體排除率變化趨勢吻合較好(圖7)。由于物理試驗(yàn)中人工撒布粒子分布率低于數(shù)值模擬中的均勻撒布和重疊撒布，而粒子從邊角匯聚到中心位置需要一定的時(shí)間過程，所以數(shù)值模擬試驗(yàn)前60 s的排污效率低于物理試驗(yàn)，在60 s以后，兩種方法的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)值相差較小且各時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)的粒子排除率趨勢一致；但由于物理試驗(yàn)中粒子間的物理參數(shù)差異性，導(dǎo)致物理結(jié)果總體上略小于數(shù)值計(jì)算結(jié)果，兩種方法的粒子最終排除率差值不超過3%。這表明，本研究中建立的數(shù)學(xué)模型計(jì)算精度滿足要求，可用于養(yǎng)殖池排污特性研究。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同粒子撒布方式的排污效果

本研究中，模擬了3組不同長寬比池形內(nèi)3種撒布方式的排污效果，對比結(jié)果如圖8所示，在L/W=1.3、1.5的養(yǎng)殖池內(nèi)，3種撒布方式工況在120 s排污時(shí)間后，池內(nèi)粒子排除率均在95%以上；

圖8 進(jìn)水管布置在寬邊時(shí)3種撒布方式的粒子排除率Fig.8 Particle discharge rate at three spreading modes when the inlet pipes are disposed under wide edge condition

在L/W=1.7的養(yǎng)殖池中，中心撒布、重疊撒布方式在規(guī)定排污時(shí)間內(nèi)粒子排除率無明顯下降，而均勻撒布方式粒子排除率下降了8%。從圖9可以看出，隨著長寬比的增加，養(yǎng)殖池內(nèi)水體的環(huán)流形態(tài)由圓形過渡為橢圓形，池內(nèi)邊角位置出現(xiàn)低流速區(qū)，結(jié)合圖8可以看出，在3種不同長寬比工況下，中心撒布方式工況池內(nèi)粒子的排除效率最高，均勻撒布方式池內(nèi)粒子的排除效率最低。由此可見，重疊撒布方式既具有粒子分布的均勻性，又擁有較高的粒子排除效率，故在后續(xù)研究中均采用此粒子撒布方式。

圖9 進(jìn)水管布置在寬邊時(shí)3種長寬比工況的流場速度分布云圖Fig.9 Cloudchart of flow field velocity distribution at three length width ratios when the inlet pipes are disposed under wide edge condition

2.2 進(jìn)水管布置在寬邊時(shí)不同工況的池內(nèi)排污效果

本研究中模擬了120 s排污時(shí)間內(nèi)，在L/W=1.0～1.9工況下養(yǎng)殖池內(nèi)粒子的排除效果。從圖10可見，L/W=1.0～1.7工況下，養(yǎng)殖池具有較好的排污效果，粒子排除率在98%以上，并且各工況下粒子排除率相近。為進(jìn)一步分析養(yǎng)殖池的排污效果，圖11給出了各工況下，不同排污時(shí)間點(diǎn)時(shí)養(yǎng)殖池內(nèi)粒子分布情況和距池底0.02 m水平面的流速分布。從圖11可見：在L/W=1.0～1.7工況下，養(yǎng)殖池具有較高的整體平均流速，粒子能夠快速匯聚到養(yǎng)殖池中心區(qū)域并且被快速排除；隨著長寬比的增加，在L/W=1.8工況下，養(yǎng)殖池內(nèi)出現(xiàn)了較大面積的低流速區(qū)，雖然最終粒子排除率可達(dá)95%，但排除效率明顯下降；在L/W=1.9工況下，養(yǎng)殖池整體平均流速明顯低于其他工況，池內(nèi)大部分粒子滯留在中心低流速區(qū)，無法排除到池外，池內(nèi)排污效果較差。

圖10 進(jìn)水管布置在寬邊時(shí)不同長寬比工況的粒子排除率Fig.10 Particle discharge rate at different length width ratios when the inlet pipes are disposed under wide edge condition

圖11 進(jìn)水管布置在寬邊時(shí)不同長寬比工況的粒子分布形態(tài)Fig.11 Particle distribution pattern at different length width ratios when the inlet pipes are disposed under wide edge condition

2.3 進(jìn)水管布置在長邊時(shí)不同工況的池內(nèi)排污效果

綜合進(jìn)水管布置在長邊時(shí)，各工況下養(yǎng)殖池內(nèi)粒子排除率(圖12)，以及不同排污時(shí)間點(diǎn)養(yǎng)殖池內(nèi)粒子分布和距池底0.02 m水平面的流速分布圖(圖13)可以看出：在L/W=1.0～1.5工況下，養(yǎng)殖池內(nèi)具有較好的環(huán)流流場和較高的整體平均流速，養(yǎng)殖池內(nèi)粒子能夠快速排除，最終排除率可達(dá)96%以上；在L/W=1.6～1.8工況下，由于養(yǎng)殖池內(nèi)低流速區(qū)面積的增加，粒子向養(yǎng)殖池中心匯聚速度變慢，最終粒子排除率下降至82%，較L/W=1.0～1.5工況時(shí)下降了14%；在L/W=1.9工況下，池內(nèi)低流速區(qū)面積比例繼續(xù)增加，池內(nèi)粒子呈不規(guī)則長條狀分布，匯聚到中心區(qū)域的粒子數(shù)量較少，粒子排除數(shù)量較少，排污效果變差。

圖12 進(jìn)水管布置在長邊時(shí)不同長寬比工況的粒子排除率Fig.12 Particle discharge rate at different length width ratios when the inlet pipes are disposed under long side condition

圖13 進(jìn)水管布置在長邊時(shí)不同長寬比工況的粒子分布形態(tài)Fig.13 Particle distribution pattern at different length width ratios when the inlet pipes are disposed under long side condition

2.4 兩種進(jìn)水管布置方式下池內(nèi)粒子排除效果的比較

將兩種不同進(jìn)水管布置方式及各工況下池內(nèi)粒子排除效果對比可以看出，在L/W=1.0～1.5工況時(shí)，兩種進(jìn)水布置方式下池內(nèi)粒子排除率大體一致，排污效果良好；在L/W=1.6～1.8工況時(shí)，進(jìn)水管布置在寬邊時(shí)粒子排除率高于布置在長邊時(shí)；在L/W=1.9工況時(shí)，兩種進(jìn)水布置方式的排污效果均欠佳，但進(jìn)水管布置在長邊時(shí)池內(nèi)粒子聚集情況更好。

3 討論

3.1 粒子撒布方式的優(yōu)化

使用固-液兩相流數(shù)值模型模擬養(yǎng)殖池排污效果時(shí)，撒布粒子是進(jìn)行DPM離散計(jì)算的關(guān)鍵步驟之一，粒子的撒布方式直接決定了粒子的投放位置，對模擬養(yǎng)殖池的排污效果會產(chǎn)生較大的影響。在以往的矩形圓弧角、矩形切角和八角形等養(yǎng)殖池排污數(shù)值模擬研究中，由于養(yǎng)殖池池形相對固定，多采用在池中心撒布粒子的中心撒布方式，但此粒子撒布方式對較大長寬比養(yǎng)殖池排污模擬效果欠佳。為了更好地進(jìn)行較大長寬比養(yǎng)殖池的排污模擬計(jì)算，本研究中定義了兩種新的粒子撒布方式，即均勻撒布和重疊撒布。這兩種撒布方式比中心撒布方式擴(kuò)大了粒子的撒布面積，更貼近實(shí)際養(yǎng)殖池中粒子分布狀況。重疊撒布方式部分粒子分布在養(yǎng)殖池水體速度矢量線密集、速度較高的兩進(jìn)水管軸線上，這種分布有利于粒子向池心區(qū)域移動；而均勻撒布方式粒子在養(yǎng)殖池邊角位置分布的比例較大，在較大長寬比的池形中，邊角區(qū)域存在較大面積的低流速區(qū)，并且該區(qū)域內(nèi)水流方向雜亂，使得粒子向中心區(qū)域移動困難，粒子的排除率有所下降，導(dǎo)致均勻撒布方式的粒子排除率低于中心撒布方式和重疊撒布方式。由以上分析可知，重疊撒布方式彌補(bǔ)了中心撒布方式無法模擬較大長寬比養(yǎng)殖池中邊角位置粒子排除效果差的缺陷，提高了粒子撒布的空間分布均勻性，保持了與中心撒布方式相近的粒子排除率。因此，在研究不同長寬比矩形養(yǎng)殖池排污模擬計(jì)算中，采用重疊撒布方式不僅更貼近實(shí)際工況，而且計(jì)算結(jié)果精度更高。

3.2 長寬比對矩形圓弧角養(yǎng)殖池內(nèi)排污特性的影響

在矩形圓弧角養(yǎng)殖池的排污特性模擬研究中，較少有學(xué)者關(guān)注長寬比參數(shù)對養(yǎng)殖池內(nèi)排污效果的影響，隨著長寬比的增加，池形由方形逐漸向矩形過渡，養(yǎng)殖池內(nèi)流場的流態(tài)、能量和均勻性等均會產(chǎn)生變化[26]，養(yǎng)殖池的排污效果也會產(chǎn)生差異。為探究具有較好排污性能的長寬比區(qū)間，本研究中對雙進(jìn)水管分別布置在長邊和寬邊時(shí)不同長寬比養(yǎng)殖池的排污效果進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，養(yǎng)殖池內(nèi)流場的流態(tài)對排污效果的影響較為明顯，這一結(jié)論與Gorle等[14]的研究結(jié)果一致。當(dāng)L/W=1.0～1.5時(shí)，養(yǎng)殖池內(nèi)流態(tài)呈現(xiàn)規(guī)則的圓形或橢圓形環(huán)流形態(tài)，在邊角位置水流的導(dǎo)向作用較強(qiáng)，低流速區(qū)占比較小，池內(nèi)粒子在水流的驅(qū)動下能夠高效地排除；隨著長寬比的繼續(xù)增加，池內(nèi)邊角區(qū)域出現(xiàn)大面積的低流速區(qū)，使得池內(nèi)水體環(huán)流形態(tài)不規(guī)則，水體流動雜亂，對粒子向池心移動的驅(qū)動能力減弱，導(dǎo)致養(yǎng)殖池排污效果下降。綜上可知，長寬比變化對養(yǎng)殖池排污效果有較明顯的影響，在L/W=1.0～1.5時(shí)，養(yǎng)殖池具有良好的排污性能，同時(shí)還可以滿足建設(shè)場地的要求。

4 結(jié)論

1)在同一排污時(shí)間節(jié)點(diǎn)時(shí)，本研究中建立的固-液兩相流數(shù)值模型與物理模型試驗(yàn)計(jì)算的養(yǎng)殖池內(nèi)粒子排除率差值在3%以內(nèi)，表明該數(shù)值模型能夠很好地模擬養(yǎng)殖池排污效果，并且具有較高的計(jì)算精度。

2)本研究中定義了與中心撒布方式粒子排除率相近的兼具粒子撒布均勻性的重疊撒布方式，這種粒子撒布方式更貼近實(shí)際養(yǎng)殖池中粒子分布狀態(tài)，能夠較好地模擬較大長寬比養(yǎng)殖池的排污效果。

3)在本研究范圍內(nèi)，L/W=1.0～1.5工況下，兩種進(jìn)水管布置方式的養(yǎng)殖池排污效果均較好，粒子排除率達(dá)95%以上；隨著長寬比的增加，養(yǎng)殖池的排污性能逐漸變差。在實(shí)際工程建設(shè)矩形圓弧角養(yǎng)殖池時(shí)，可參考本研究結(jié)果選擇合適的長寬比構(gòu)建養(yǎng)殖池。