分区PRAS

水产养殖性能的一个关键方面是养殖池内正确的流体动力学，尤其是在循环水养殖系统(RAS)和池塘循环水养殖系统(PRAS)中。上海海洋大学和中国水产科学研究院的研究人员研究了水车式增氧机的位置和角度如何影响大型（边长15米）斜角循环水养殖池(RAT)的流体动力学条件，旨在提高能源效率、废物收集能力和溶解氧分布的均匀性。

流体动力学和桨轮式曝气机的重要性

在PRAS中，水车式增氧机是至关重要的工具。它们不仅能提高水生生物呼吸所必需的溶解氧水平，还能产生可控的水流。这些水流对于均匀分布营养物质、防止水体停滞和污染物积聚至关重要，从而降低水质恶化和疾病扩散的风险。因此，深入了解这些增氧机如何影响流体动力学，是设计更高效、更可持续的水产养殖系统的关键。

先前的研究主要集中在工业RAT的形状、尺寸和底部坡度，以及进水管的优化。然而，关于PRAS（尤其是结合水车式曝气器）的了解有限，并且曝气器位置参数如何影响大型RAT的流体动力学机制尚未完全阐明。

如何研究水流？

为了解决这些未知问题，研究人员开发了RAT内水流的三维数值模型。通过与实验比例模型的比较，验证了该模型的可靠性。他们分析了各种流体动力学参数，包括流动均匀性、速度、涡量、弗劳德数（与惯性力和重力相关）以及有效能量利用系数。

这项研究的重点是一个边长15米的方形倒角水池，它是PRAS系统的一部分，该系统分为几个功能模块：一个种植水生植物的净化区、一个杂食性鱼类养殖区和一个高密度水产养殖区（由六个与研究区域类似的水池组成）。来自高密度水池的废水，含有鱼的粪便和未食用的饲料，通过中央底部排水管排入沉淀池。然后，废水流经净化区和杂食性鱼类养殖区，最后被泵回高密度水池，完成整个循环。

在数值模型中，科学家们采用多参考系(MRF)方法模拟水车式增氧机叶轮的旋转域，这种方法计算效率高，网格自适应性强。他们研究了两个关键的几何变量：增氧机相对于最近水池壁的放置角度(θ)和距离(l)。他们还测试了五种不同的角度和三种不同的距离，总共生成了15个计算模型。增氧机叶片的浸入深度设定为其长度的2/3。

曝气器位置的影响

研究结果揭示了有关水车式增氧机的配置如何优化水池运行的宝贵信息：

速度和水混合：

增加增氧机放置的角度和距离，可以增加RAT内的平均水流速度，并增强水的混合。这会产生一种水池中心较低、边缘较高的速度模式。

这种速度分布非常有利，因为它提高了二次流的强度，有助于固体颗粒被水流携带，防止其沉积在底部，并促进其通过中央排水管排出。因此，提高了水箱的自清洁效率。

良好的混合还能确保营养物质和氧气的均匀分布，这对鱼的健康至关重要。

问题区域的形成：

观察到一个重要的警告：当增氧机放置距离为L/4（其中L是水池侧面的长度）且放置角度超过30^∘时，在最靠近增氧机的水池角落附近会形成湍流低速区。

这个低速区域会阻碍废物颗粒的排出，因为它们往往会积聚在这些区域。该区域的形成是因为增氧机在其旋转方向前方形成了一个空腔，阻碍了增氧机与倒角之间区域的流动。

能源效率和最佳条件：

研究确定了显著提升能量利用率和水混合性能的配置。具体而言，当增氧机放置距离为L/6或L/4，且角度在20^∘至30^∘范围内（20^∘<θ<30^∘）时，可观察到显著的改进。

在此条件下，有效能量利用系数和弗劳德数均随角度和距离的增加而增大，分别达到最大值2.98和0.701，能量利用系数越高，说明增氧机为水循环提供的能量被更好地利用。

总体而言，不同情景下的弗劳德数均保持在1以下，表明水流处于缓慢流动状态，有利于鱼类生存和营养物质的运输。

当增氧机放置距离为L/8或L/6时，增氧机放置角度与有效能量利用系数呈显著正相关（Pearson系数>0.9）。这表明，在这些距离下，增加角度可以有效提高水池的能量利用率。然而，当距离为L/4时，这种相关性较弱（Pearson系数为0.441），这表明在调整角度时，内部流动更加混乱，水动力响应的可预测性更低。

流量均匀性：

流量均匀性是衡量水生环境质量的关键指标，通常随着增氧机放置角度的增加（距离一定时）而提高。流量均匀性越高，水循环效率就越高，从而改善养殖环境。

然而，非常大的角度加上更大的距离（更靠近水箱中心）可能会导致曝气器产生的高速水流干扰水流入水箱，从而降低均匀性并造成动能损失。

对水产养殖的影响

本研究的结果对于水产养殖循环水池的设计和操作具有直接和实际的意义：

设计优化：为选择大型RAT中水车式增氧机的最佳位置和角度提供了理论依据，从能源和废物清除的角度可以实现更高效的设计。

改善水质：通过促进更佳的混合和高效的颗粒排放，可以维持优质的水质，从而提高鱼类的健康水平和生产力。氧气和营养物质的均匀分布至关重要。

降低运营成本：提高水循环的能源效率意味着降低能源消耗，从而降低水产养殖生产者的运营成本。

可持续性：通过提高系统效率和废物管理，它有助于实现更可持续的水产养殖，同时减少对环境的影响。

结论和未来展望

本研究表明，正确配置水车式增氧机（同时考虑其与池壁的距离和放置角度）对于优化大型循环水养殖池的流体动力学至关重要。结果表明，虽然增加增氧机的角度和距离通常可以提高水流速度和混合效果，但存在一个阈值（距离L/4和角度>30^∘），在该阈值下可能会形成有害的低速区。确定了最佳范围（距离L/6或L/4和角度在20^∘至30^∘之间），以最大限度地提高能源效率和混合效果，从而有利于水池的自清洁。

该研究丰富了有关PRAS中水车式增氧机与水流之间相互作用的认识，为设计和运行更高效、更生态的水产养殖系统提供了实用指导。

作者建议，未来的研究应侧重于开发RAT内三相流（气-液-固）的高精度数值计算方法。同样，还建议研究水车式增氧机的其他设计参数（例如叶轮叶片数量和叶片几何形状）对水动力特性、溶解氧输送和污染物迁移的影响。这些进展将继续推动更高效、绿色和可持续的水产养殖业的发展。

该研究由上海市科学技术委员会、国家重点研发计划和上海市教育委员会资助。