進水管設置角度對圓形循環(huán)水養(yǎng)殖池自清洗能力的影響

朱 放，桂福坤，胡佳俊，孔劍橋，潘訓然，張澤坤，馮德軍，曲曉玉*

(1.浙江海洋大學船舶與海運學院，浙江 舟山 316022；2.浙江海洋大學，國家海洋設施養(yǎng)殖工程技術研究中心，浙江 舟山 316022；3.浙江海洋大學水產(chǎn)學院，浙江 舟山 316022)

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng) (recirculating aquaculture system，RAS)是采用工程設施和水處理設備將養(yǎng)殖過程中排放的污水處理后實現(xiàn)循環(huán)利用，通過構建標準化養(yǎng)殖管理技術，人為控制養(yǎng)殖條件為養(yǎng)殖生物提供適宜的生長環(huán)境條件，實現(xiàn)高產(chǎn)、高效、優(yōu)質和“零”污染的系統(tǒng)[1]。近年來我國工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖逐步興起，并占據(jù)越來越大的市場份額，這也是水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展前行的必然趨勢[2]。工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖的密度高，飼料投放量大，在養(yǎng)殖過程中極易產(chǎn)生大量的殘餌糞便等污物，如果不及時處理將會嚴重影響?zhàn)B殖對象的生長[3]。在實際的養(yǎng)殖生產(chǎn)中，一般通過設置進出水方式調節(jié)池內流場情況從而達到高效集排污的目的[4]，但進水管設置角度往往僅憑養(yǎng)殖者的主觀經(jīng)驗，缺乏科學的指導。

為了探究進水管設置角度對圓形養(yǎng)殖池內水動力特性的影響，Despres[5]開展了不同進水角度對養(yǎng)殖池內流場影響的實驗，研究表明，進水管的角度對養(yǎng)殖池內流場分布有重要的影響。Oca等[6]分析了影響池內流速的設計參數(shù)，建立了單位質量的角動量來評估速度分布的模型，結果表明進水裝置是決定養(yǎng)殖池流場的因素之一。Oca等[7]采用粒子跟蹤測速技術(particle tracking velocimetry，PTV)，進一步研究了4 種不同進水方式和出水方式的矩形養(yǎng)殖池內的流場分布，結果發(fā)現(xiàn)，單側進水、單側出水存在水體混合能力與排污能力差等問題。Davidson 等[8]通過調整Cornell-type養(yǎng)殖池進水口的入水角度來調節(jié)養(yǎng)殖池內平均流速及其他水動力參數(shù)。為了探究進水管設置角度對養(yǎng)殖池內污物匯集的影響，Papá?ek 等[9]和Gorle 等[10]利用計算流體力學研究了顆粒在養(yǎng)殖池內的運動情況，發(fā)現(xiàn)進水管設置角度與養(yǎng)殖池自清洗能力密切相關。趙樂等[11]通過研究方形圓弧角養(yǎng)殖池流場特性，得出流速應在適宜魚類生長范圍內盡可能高，進水管設置角度為40°工況時污物的匯集效果最好。桂福坤等[12]利用物理模型實驗的方法研究了水車式增氧機驅動下方形圓切角養(yǎng)殖池污物匯集水動力特性，研究表明，水車式增氧機與池壁的夾角為45°工況時污物匯集效果最優(yōu)。

綜上所述，國內外學者研究重點都放在了圓形養(yǎng)殖池內流場水動力特性方面，桂福坤等[12]進行的污物匯集實驗采用的是方形圓切角養(yǎng)殖池，且沒有將污物的匯集特性與水動力特性相結合，難以為圓形養(yǎng)殖池進水管設置角度的布置提供科學全面的指導。本實驗以典型的工廠化圓形養(yǎng)殖池為研究對象，探索圓形養(yǎng)殖池進水管設置角度對池內污物匯集特性的影響，并且結合PIV 技術測量了每組工況養(yǎng)殖池內流場分布，以期為優(yōu)化工廠化養(yǎng)殖池的集排污性能提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

養(yǎng)殖池內的污物匯集試驗在浙江海洋大學國家海洋設施養(yǎng)殖工程技術研究中心設施養(yǎng)殖實驗室進行。實驗裝置主要由養(yǎng)殖池、水循環(huán)系統(tǒng)、流量計測系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)4 部分組成(圖1-a)。養(yǎng)殖池為圓形，由透明亞克力板材黏制而成，內壁高50 cm，內部直徑98 cm，底部正中心位置開有直徑5 cm 的排水口，池底無坡度。此外，為了更清晰地拍攝到分布在養(yǎng)殖池底部的污物，在養(yǎng)殖池底部鋪設白色貼膜。水循環(huán)系統(tǒng)由養(yǎng)殖池、錐形污物收集桶、水泵、水管等組成，水流方向如圖中箭頭所示，養(yǎng)殖池內的水通過底部連通水管流入錐形桶，然后通過水泵輸送至養(yǎng)殖池，完成水循環(huán)過程。進水管和支架的連接處有刻度盤，進水管與水管在刻度盤處密封活接，可以轉動進水管從而調節(jié)射流角度。流量計測系統(tǒng)由安裝在進水管道的2 個流量計(基恩士FD-Q20C)和閥門組成，流量計可以監(jiān)測進水管實時輸入養(yǎng)殖池的流量(L/min)，閥門可以調節(jié)進水量。圖像采集系統(tǒng)由設置在養(yǎng)殖池正上方的高清攝像機(VA-200PRO)和控制軟件組成，主要記錄污物運動匯集過程。

進水管是直徑2 cm 且下端封閉的透明亞克力管，雙管對稱貼壁進水，并在距進水管底端2、10、18 cm 處開3 個方向相同直徑為0.6 cm 的進水口。進水管設置角度為0°時，出水口與池壁之間的距離為1 cm，隨進水管設置角度的增加，進水管轉動導致出水口與池壁之間的距離逐漸增大到約為1.93 cm。利用直徑1.6 mm，長度1.0～2.0 mm的橢球形緩沉對蝦飼料替代養(yǎng)殖池內的殘餌等固體顆粒污物。

養(yǎng)殖池內的流場分布特性測量試驗在青島光流軟件技術有限公司海洋測量實驗室進行。實驗裝置主要由養(yǎng)殖池、水循環(huán)系統(tǒng)、流量計測系統(tǒng)和粒子圖像測速(Particle Image Velocimetry,PIV)系統(tǒng)4 部分組成(圖1-b)。養(yǎng)殖池、水循環(huán)系統(tǒng)和流量計測系統(tǒng)與污物匯集試驗中的一致，將圓形養(yǎng)殖池嵌入了正方形亞克力水池中，以避免圓形池壁對激光的折射。PIV 系統(tǒng)由激光器、高速相機、示蹤粒子等組成，測量時在養(yǎng)殖池中撒入示蹤粒子，以粒子速度代表其所在流場內流體的運動速度，應用激光照射一個測試平面，用成像的方法記錄下2 次曝光的粒子位置，用圖像分析技術得到粒子群的位移，通過位移和曝光的時間間隔求得各點的流速矢量[13-14]。考慮到污物對養(yǎng)殖池內流速的影響很小且長時間在養(yǎng)殖池內會影響水的清澈度，從而削弱激光的穿透程度，影響PIV 實驗結果。因此，在流場分布特性測量實驗中，沒有向養(yǎng)殖池內撒入污物替代物。

1.2 實驗設計

該研究主要通過實驗的方法研究射流驅動下進水管設置角度對圓形養(yǎng)殖池內污物匯集特性和流場分布特性(相應的水動力參數(shù))的影響。

第1 部分為污物匯集特性測量實驗。實驗設計水深20 cm，徑深比(直徑/水深)約為5∶1，進水流量為5.2 L/min(單個進水管流量2.6 L/min)，水力停留時間約為30 min。研究雙管貼壁進水模式下，進水管設置角度(出水方向與池壁切線形成的銳角)對養(yǎng)殖池內污物匯集效果的影響，實驗中設置0°、10°、20°、30°、40°、45°、50°、60°及70°共計9 組實驗工況，依次標號為工況1～9。實驗開始前安裝好各實驗設備，然后開啟水泵，依據(jù)流量計調節(jié)進水管閥門控制進水流量，等待約30 min，池內水體流動趨于穩(wěn)定。然后打開設置在養(yǎng)殖池正上方的攝像頭，將10 g 對蝦飼料(單次投喂量)快速均勻地撒在水池內并同時開始計時(此時記為t=0 min)，觀察池內污物匯集情況和規(guī)律。記錄30 min，然后關閉相機，保存視頻資料，開始下一組實驗。

第2 部分為流場分布特性測量實驗。流場分布特性測量實驗設計工況與污物匯集特性實驗相同，其中每個角度工況下測量距養(yǎng)殖池底H=1、2、10、19 cm (底層、近底層、中層、上層)的4 個高度平面的流場。PIV 系統(tǒng)中，圖像采集像素設置為5 120 pixel×3 800 pixel，相鄰2 幀圖像的時間間隔為0.125 s。實驗流程與污物匯集特性實驗相似，待系統(tǒng)運行30 min 穩(wěn)定后，開啟激光器，調整激光高度，相機開始采集圖像。采集完成后調整激光高度進行下一組實驗。

1.3 數(shù)據(jù)處理

污物匯集特性測量實驗數(shù)據(jù)處理方法。分析t=0、10、20、30 min 時刻的養(yǎng)殖池內污物分布圖像，系統(tǒng)比較分析不同進水管設置角度下養(yǎng)殖池內污物分布隨時間的變化規(guī)律。為了進一步定量分析進水管設置角度對養(yǎng)殖池內污物匯集的影響，選取t=30 min 時刻各角度工況下養(yǎng)殖池污物圖像進行分析。使用MATLAB 軟件對原始圖像進行二值化處理(殘留污物圖像設置為黑色)，將污物與養(yǎng)殖池底面背景分離，統(tǒng)計黑色像素個數(shù)[15-16]，從而實現(xiàn)定量分析污物殘留量(養(yǎng)殖池自清洗能力)的目的。

流場分布特性測量實驗數(shù)據(jù)處理方法。通過直接相關法分析PIV 圖像，得到不同進水管設置角度工況下4 個高度水層的流場圖。為了進一步系統(tǒng)比較不同工況下養(yǎng)殖池內水動力特性，基于養(yǎng)殖池內平均流速vavg和速度分布均勻系數(shù)DU50[17]養(yǎng)殖池阻力系數(shù)Ct[7]等水動力學特征量對流場進行定量分析，相關表達式：

式中，v表示平均加權速度(m/s)；vi為監(jiān)測點的速度(m/s)；ri為監(jiān)測點距池心的距離(m)；DU50為養(yǎng)殖池內流速分布均勻系數(shù)，v50為某深度截面各點速度前50%的平均值(m/s)，DU50大于0 小于100，接近100 代表速度越均勻，接近0 則表示速度均勻性較差；養(yǎng)殖池阻力系數(shù)Ct指養(yǎng)殖池對池內水流能量阻礙的量化表達，養(yǎng)殖池阻力系數(shù)越大代表進水管輸入到養(yǎng)殖池能量損耗越多。Q為進水流量(m3/s)；v1為進水速度(m/s)；A為濕周，是過流斷面上流體與固體壁面接觸的周界長度(m)；vavg為養(yǎng)殖池內平均流速，是養(yǎng)殖池內各測量點流速的平均值(m/s)。

2 結果

2.1 進水管設置角度對污物匯集的影響

圖2 顯示了不同進水管設置角度下污物匯集過程，從左到右為養(yǎng)殖池內污物匯集分布隨時間(t=0、10、20、30 min)的變化過程圖，從上到下為養(yǎng)殖池內污物匯集分布隨進水管設置角度(0°、10°、20°、30°、40°、45°、50°、60°及70°)的變化過程圖(圖2)。

圖2 不同進水管設置角度下污物匯集過程Fig.2 Image of solid waste distribution with different inlet angles

不同進水管設置角度下，養(yǎng)殖池內污物匯集過程與趨勢不同，從而導致最后的污物匯集效果也不相同。從不同時刻養(yǎng)殖池內污物殘留分布可以看出，①進水管設置角度在0°～30°工況時，污物一般是從靠近池壁的區(qū)域逐漸匯集到中間區(qū)域，排水口附近區(qū)域在養(yǎng)殖池環(huán)流和排污口吸力的共同作用下，流速較大，靠近排污口的污物隨高速水流直接排出養(yǎng)殖池。最終大部分污物都匯集在養(yǎng)殖池的中間區(qū)域呈環(huán)狀分布，且隨角度的增大環(huán)狀區(qū)域面積(殘留污物)減少；②進水管設置角度在40°～50°工況時，污物運動匯集規(guī)律與0°～30°工況相似，但是匯集在養(yǎng)殖池中間區(qū)域的環(huán)形污物區(qū)大幅度縮小，污物匯集效果明顯增強；③進水管設置角度在60°～70°工況時，在射流的驅動下，污物一部分向靠近池壁的外側運動匯集，一部分向中間區(qū)域運動，在池內形成了靠近池壁和靠近排水口的兩個污物匯集區(qū)域，污物匯集效果稍優(yōu)于0°～30°工況。

為了進一步衡量進水管設置角度對養(yǎng)殖池自清洗能力的影響，對t=30 min 時刻養(yǎng)殖池內污物圖像按照“數(shù)據(jù)處理”中的數(shù)據(jù)處理方法進行定量分析(圖3)。在雙管貼壁進水模式下，污物殘留量(像素點個數(shù))隨進水管設置角度的增大先減小后增大，污物殘留量在0°～50°工況范圍內逐漸減少，在50°～70°工況范圍內逐漸增大，在50°工況時污物殘留最少，養(yǎng)殖池自清洗能力最優(yōu)。

圖3 t=30 min 池內污物殘留像素點個數(shù)Fig.3 Number of pixels of the residual solid wastes at t=30 minute

2.2 進水管設置角度對流場的影響

流場特性與養(yǎng)殖池自清洗能力密切相關，流速大小是污物能否起動的關鍵，流態(tài)影響污物的運動匯集方向[17-18]。不同進水管設置角度下不同高度水層流場(圖4)，從左到右為養(yǎng)殖池內流場分布特性隨水層(底層、近底層、中層、上層)的變化過程圖，從上到下為養(yǎng)殖池內流場分布特性隨進水管設置角度(0°、10°、20°、30°、40°、45°、50°、60°、70°)的變化過程圖。圖中黑色的圓代表養(yǎng)殖池邊壁，養(yǎng)殖池左右兩側的黑色長箭頭代表進水管的設置角度(射流方向)，養(yǎng)殖池內黑色箭頭方向代表該處流速方向，為了更清晰地顯示環(huán)流特性，并未在圖中畫出所有測量點的流速矢量箭頭。

圖4 養(yǎng)殖池內流場分布特性圖Fig.4 Flow field in the aquaculture tank

PIV 流場測量實驗需要將激光射入養(yǎng)殖池(圖5)，激光從養(yǎng)殖池的一側射入，靠近激光器處的邊壁處的激光強度較強，圖像曝光過強，導致養(yǎng)殖池該側靠近邊壁處流速難以準確測量；激光強度在水體中被逐漸削弱，遠離激光器下側邊壁處激光強度較弱，示蹤粒子不夠清晰，導致養(yǎng)殖池該側靠近邊壁處流速難以準確測量。此外，激光照射在兩個進水管處產(chǎn)生折射和反射，圖像曝光過強，導致進水管附近流速難以準確測量。因此，距離養(yǎng)殖池內壁4 cm 范圍內(圖中黑色圓內側的白色區(qū)域)的流速不再深入分析。

圖5 PIV 流場采集實驗圖圖中箭頭代表激光入射方向。Fig.5 Image of PIV measurementthe arrow in the image represents the direction of laser.

同一進水管設置角度工況下，底層、近底層、中層、上層四個水層內的流場分布基本一致(圖5)，說明沿水深方向養(yǎng)殖池內流場均勻性較好，流速梯度不大。考慮到養(yǎng)殖池內污物運動匯集與底層流場密切相關且各層流速分布基本一致，因此將著重分析養(yǎng)殖池底層流場特性。從圖4 中可以看出不同進水管設置角度工況下，養(yǎng)殖池底層流場特性既有相同又有差異：①不同進水管設置角度工況下，在進水口沖擊和排水口吸力的共同作用下，養(yǎng)殖池內均可以形成環(huán)流；②進水管設置角度在0°～10°工況時，進水口高速水流剛流出時就與池壁碰撞，跟隨池壁的弧狀形成環(huán)流，水流在跟池壁的接觸碰撞過程中損失了大量能量，只在養(yǎng)殖池貼近池壁處形成了高速環(huán)流，排水口附近區(qū)域高速流場面積較小；③進水管設置角度在10°～45°工況時，進水管設置角度與養(yǎng)殖池內整體環(huán)流流向的夾角增大，進水口高速水流與池壁的碰撞摩擦減弱，養(yǎng)殖池池壁附近高速環(huán)流區(qū)域面積隨進水管設置角度的增大逐漸增大，水流向心速度分量增大導致高速環(huán)流區(qū)逐漸向養(yǎng)殖池中間區(qū)域遷移，貼近池壁區(qū)域流速逐漸減小，排水口附近區(qū)域高速面積也逐漸增大；④進水管設置角度在45°～70°工況時，進水管設置角度與養(yǎng)殖池內整體環(huán)流流向的夾角持續(xù)增大，進水口高速水流與池壁的碰撞摩擦很弱，但是進水口高速水流與整體環(huán)流相互碰撞，導致養(yǎng)殖池內高速環(huán)流區(qū)域(尤其是靠近池壁區(qū)域)面積驟減，養(yǎng)殖池整體流速減小，進水口高速水流與排水口距離變小，導致排水口附近區(qū)高速區(qū)域面積增大。

2.3 進水管設置角度對水動力特性的影響

利用PIV 測量養(yǎng)殖池內流場，能夠記錄養(yǎng)殖池內PIV 標記點的速度矢量信息[13-14]，基于這些信息可以對養(yǎng)殖池內水動力特性進行定量分析。計算得到9 個不同進水管設置角度工況下不同高度水層的vavg(圖6)。從圖中可以清晰地看出不同高度水層的平均流速較為接近，沒有明顯的速度差。養(yǎng)殖池底層水流與池底壁面摩擦會損耗底層流場的動能，導致底層流場流速略低于其上層的流速。4 個水層內的平均流速隨進水管設置角度變化的趨勢相同，均隨進水管角度的增大先緩慢增大后緩慢減小，在40°～45°工況時達到最大，在70°工況時達到最小值。上述結果表明，進水管角度設置為40°～45°工況，養(yǎng)殖池內的平均流速最大，有利于污物的起動以及匯集排出。

圖6 不同進水管設置角度下養(yǎng)殖池內平均流速Fig.6 Average velocity in the tank with different inlet angles

根據(jù)公式(1)計算得到9 個不同進水管設置角度工況下各水層的速度分布均勻系數(shù)(圖7)。從圖中可以看出不同高度水層的流場均勻性較為接近，近底層和中層流場均勻性略好于底層和上層流場均勻性。4 個水層的速度分布均勻系數(shù)隨進水管設置角度的變化趨勢相同，均隨進水管設置角度增大而增大。在0°工況達到最低值，在60°工況達到最大值。上述分析表明，進水管設置角度在45°工況時養(yǎng)殖池內不同高度水層速度分布均勻系數(shù)差異最小，當進水管設置角度在60°工況時，養(yǎng)殖池內流場均勻性最好。

圖7 不同進水管設置角度下養(yǎng)殖池內速度分布均勻系數(shù)Fig.7 Uniformity coefficient of velocity with different inlet angles

根據(jù)公式(2)計算得到的9 個不同進水管設置角度工況下養(yǎng)殖池的阻力系數(shù)(圖8)。養(yǎng)殖池阻力系數(shù)的變化趨勢與池內平均流速恰好相反，隨進水管設置角度的增大先減小后增大，在進水管設置角度為40°～45°工況時達到最小值，在70°工況時達到最大值。以上結果表明，進水管角度設置為40°～45°工況時，養(yǎng)殖池的阻力整體較小，這也驗證了上一小節(jié)的結果，養(yǎng)殖池內的平均流速在進水管角度設置為40°～45°工況時取得最大值。

圖8 不同進水管設置角度下養(yǎng)殖池內阻力系數(shù)Fig.8 Resistance coefficient of the tank with different inlet angles

3 討論

循環(huán)水養(yǎng)殖的核心是通過高效的水處理工藝使系統(tǒng)內的水體能夠循環(huán)利用，而系統(tǒng)內水體的主要污染源是養(yǎng)殖過程中飼料殘留產(chǎn)生的殘餌以及養(yǎng)殖對象產(chǎn)生的糞便等污物。污物長時間殘留在池內會分解產(chǎn)生氨氮等有害物質并消耗溶解氧，嚴重影響?zhàn)B殖對象安全且極大地增加水處理負荷[19]。因此，如何快速高效地將養(yǎng)殖池內的殘餌糞便等沉性顆粒污物排出養(yǎng)殖池是循環(huán)水養(yǎng)殖需要解決的首要問題。相比人工吸污等方法，通過合理地設置養(yǎng)殖池的進水結構，構建能夠將污物自動“帶出”養(yǎng)殖池的流場，即構建具有優(yōu)異的自清洗性能的養(yǎng)殖池，是解決該問題的首選方案。

已有的研究主要通過比較養(yǎng)殖池內污物的殘留量，直接量化養(yǎng)殖池的自清洗性能[11-12]或者比較養(yǎng)殖池內的流場特性，間接量化養(yǎng)殖池的自清洗性能[20-21]。本實驗綜合上述2 種方法，系統(tǒng)地開展了不同進水管設置角度工況下養(yǎng)殖池內污物運動匯集特性以及相應的流場特性研究。當進水管設置角度為45°～50°時，養(yǎng)殖池內污物殘留量均較少且相差不大。60°～70°這2 個角度工況下，養(yǎng)殖池內部分區(qū)域的污物出現(xiàn)了明顯的堆積，難以精準量化。綜合考慮上述結果，本研究認為進水管設置角度在45°～50°時，養(yǎng)殖池具有較好的自清洗性能，池內的污物能夠較好地排出。此外，除流速均勻系數(shù)外各水動力特征量都在40°～50°工況下取得最優(yōu)值，因此需要綜合養(yǎng)殖池多個水動力特征量并結合養(yǎng)殖池污物匯集試驗結果，才能更合理地比較養(yǎng)殖池自清洗性能的優(yōu)劣，很難從單個水動力特征量直接衡量養(yǎng)殖池的自清洗性能。本研究中水動力特征量在計算的過程中并不包含距離養(yǎng)殖池池壁4 cm 范圍內的流速，這也可能是各水動力特征量并不是都在45°～50°工況下取得最優(yōu)值的一個原因。

趙樂等[11]通過物理模型試驗研究了進水管設置角度對方形圓弧角養(yǎng)殖池內污物運動匯集的影響，結果表明，雙管貼壁進水模式下進水管設置角度為40°時，污物匯集效果最優(yōu)。需要指出的是，該實驗中沒有設置進水管角度為45°的工況。任效忠等[22]通過物理模型實驗研究了進水管設置角度對方形圓弧角養(yǎng)殖池內平均流速的影響，結果顯示在弧壁處單管和雙管貼壁進水模式下，池內平均流速隨進水管設置角度的增大先增大后減小，進水管設置角度為50°時池內水體平均流速最高，流場分布特性最優(yōu)。Venegas 等[20]通過物理模型實驗測量并計算了單孔噴射器進水模式下，進水管設置角度為0°和45°時，圓形養(yǎng)殖池內的飼料排出養(yǎng)殖池的耗時以及水動力特征量，結果表明養(yǎng)殖池的綜合性能在45°工況時優(yōu)于0°工況。綜合上述以及本文的研究結果可以發(fā)現(xiàn)，進水管設置角度是影響?zhàn)B殖池內污物匯集效果與流場分布特性的重要因素。本研究的圓形養(yǎng)殖池在雙管貼壁進水模式下，進水管設置角度在45°～50°時，養(yǎng)殖池可以取得良好的自清洗性能。

向養(yǎng)殖池內撒入沉性顆粒飼料(污物替代物)，然后觀察記錄污物的運動匯集過程是研究養(yǎng)殖池自清洗能力的最直觀有效的方法。然而，已有的研究在試驗方法方面尚有不足。趙樂等[11]以及桂福坤等[12]在水循環(huán)系統(tǒng)啟動之前將飼料撒入養(yǎng)殖池，然后再開啟水循環(huán)系統(tǒng)，這與實際循環(huán)水養(yǎng)殖情況不符。實際養(yǎng)殖中，循環(huán)水系統(tǒng)一般一直處于運行狀態(tài)，殘餌糞便等污物也都是在循環(huán)水系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的。Venegas 等[20]和Davidson 等[8]是在循環(huán)水系統(tǒng)運行狀態(tài)下，向養(yǎng)殖池內撒入顆粒飼料，觀察飼料的運動過程并記錄其排出養(yǎng)殖池的耗時。然而，Venegas 等[20]在實驗中將10 粒顆粒飼料從距離池壁10 cm 處的1 個位置撒入養(yǎng)殖池；Davidson 等[8]在實驗中將1 粒顆粒飼料從距離池壁0.6 m 處的1 個位置撒入養(yǎng)殖池。以上操作都與實際養(yǎng)殖情況不符，養(yǎng)殖過程中殘餌糞便是隨機產(chǎn)生的，并不集中于某一固定點位?；诖?，本研究在進行污物匯集試驗時將顆粒飼料在水循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定運行過程中，均勻且較密集地撒入養(yǎng)殖池中，以期更符合實際生產(chǎn)工況。但是本研究中t=30 min 時刻養(yǎng)殖池內殘留污物產(chǎn)生了堆積現(xiàn)象，導致利用圖像處理量化污物殘留量時影響圖像處理的準確性，后續(xù)研究中需要對此進行改進。

養(yǎng)殖池內流場分布特性可以間接評價養(yǎng)殖池自清洗性能優(yōu)劣，闡釋污物運動機制。Gorle等[21]和仁效忠等[22]利用ADV 流速儀測量養(yǎng)殖池內流場分布特性，在測量時存在布點密度低、ADV 接觸水流影響?zhàn)B殖池內流場等缺點，難以準確顯示養(yǎng)殖池內流場的分布特性?；诖?，本研究利用PIV 技術測量了養(yǎng)殖池內的流場情況，PIV 技術在測量時不擾動流場，可在同一時刻記錄整個流場的信息，提供豐富的流動空間結構[23-24]。因此，通過PIV 技術測量養(yǎng)殖池內流場，可以更全面地了解養(yǎng)殖池內整體流場的分布特性。

養(yǎng)殖池內水體旋轉產(chǎn)生的二次流是影響?zhàn)B殖池自清洗能力的另一個主要因素[25]，進水管設置角度通過影響?zhàn)B殖池底部二次流強度進而影響?zhàn)B殖池的自清洗性能[25]。但是相較于養(yǎng)殖池內主環(huán)流，二次流流速較小且貼近養(yǎng)殖池側壁和底部，較難觀察與測量，因此本研究未量化進水管設置角度對養(yǎng)殖池內二次流的影響。后續(xù)研究中，可以通過改進試驗裝置以及采用高精度PIV 設備對養(yǎng)殖池內產(chǎn)生的二次流現(xiàn)象進行系統(tǒng)深入的研究。

4 結論

本研究通過實驗探究了進水管設置角度對養(yǎng)殖池的自清洗能力和流場分布特性的影響，主要研究結論：

①進水管設置角度會明顯影響圓形養(yǎng)殖池的污物匯集效果，養(yǎng)殖池內污物匯集能力隨進水管設置角度的增大先變好后變差，進水管設置角度在45°～50°工況時污物匯集效果最好。

②進水管設置角度會明顯影響?zhàn)B殖池流場分布特性，高速環(huán)流區(qū)域面積隨進水管設置角度的增大先增大后減小，高速環(huán)流區(qū)域隨進水管設置角度的增大逐漸向養(yǎng)殖池中心遷移，進水管設置角度在45°～50°工況時高速環(huán)流區(qū)域面積最大。

③養(yǎng)殖池內平均流速隨進水管設置角度的增大先增大后減小，阻力系數(shù)與平均流速呈現(xiàn)負相關性，流場均勻性整體隨進水管設置角度增大先增大后減小。綜合考慮養(yǎng)殖池內水動力特性，當進水管設置角度在到45°～50°工況時，養(yǎng)殖池內平均流速高，阻力小，流場相對均勻，是比較理想的進水管設置角度。

綜合養(yǎng)殖池內污物運動匯集特性以及養(yǎng)殖池內水動力特性，進水管設置角度在到45°～50°工況時養(yǎng)殖池自清洗能力最強。

（作者聲明本文無實際或潛在的利益沖突）