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八角形水产养殖池进水系统非均匀流速分布对水流动力学和自洁性能的影响研究表明，通过实验（100cm×100cm×50cm）和数值模拟（Navier-Stokes方程+有限体积法）发现，非均匀进水系统可提升流速分布均匀性指数γ（降低至0.72），同时增强底部剪切力促进固体废物清除效率达83%，较均匀系统提升27%。
Atefeh Moghbeli|Mohammad Zounemat-Kermani
伊朗克尔曼省沙希德·巴霍纳尔大学农业学院水利工程系，克尔曼7616913439
摘要
鱼类养殖箱的水动力学特性直接影响鱼类的行为以及养殖箱的自我清洁能力。本研究提出了一种新型的进水系统配置，以提高八边形水产养殖箱的性能。通过实验研究（一个尺寸为100厘米×100厘米×50厘米的养殖箱）和数值模拟，研究了八边形水产养殖箱的水流动力学特性和自我清洁能力。采用有限体积法对纳维-斯托克斯三维方程进行离散化求解，并结合了可实现的k-ε湍流模型。研究了不同进水系统配置对尺寸分布（剩余食物和固体鱼废料）、流速均匀性以及自我清洁效果的影响，包括在水箱水柱三个不同高度位置均匀和非均匀进水的情况。结果表明，水箱水柱中进水流速的非均匀分布对其流速均匀性和固体残留物的去除有积极影响。研究结论认为，进水流速在水箱水柱中的非均匀分布会降低流速均匀性指数。
引言
近年来，水产养殖箱的设计及其对水生生物行为和性能的影响受到了广泛关注。养殖箱的自我清洁能力和养殖鱼类的行为都直接受到养殖箱内水流动力学特性的影响，这对鱼类的生存至关重要（Xue等人，2022年）。鱼类养殖箱有多种形式和流动模式，目前倾向于使用循环水流的养殖箱，如八边形和圆形养殖箱，这些养殖箱几乎可以实现全水流。由于水流的优化混合作用，箱内的每条鱼都能获得相同的溶解氧、饲料和水质（Amponsah等人，2021年；Putra等人，2022年）。此外，将生产规模扩大到更大的养殖箱可以降低鱼类养殖的成本。大型养殖箱（直径6米及以上）比小型养殖箱更依赖于其水力设计。因此，养殖箱内的水流动力学行为、饲料分布以及固体废物的排出主要受进水系统、出水系统以及养殖箱的几何和水利设计的影响（Davidson和Summerfelt，2004年；Rolls，2021年；Ytrest?yl等人，2020年）。
许多研究人员已经研究了进水系统对旋转水流养殖箱性能的影响。Davidson和Summerfelt（2004年）研究了进水结构对大型圆形水产养殖箱自我清洁特性的影响，发现正确的进水方向可以增加箱内的旋转速度。Venegas等人（2014年）研究了使用喷射混合系统作为进水系统的水流动力学效应，当喷射器的进水角度从0度改为45度时，养殖箱的水流模式得到了显著改善。
在另一项研究中，Gorle等人（2019年）将进水系统的喷嘴朝向八边形养殖箱中心旋转了42度。湍流和涡流参数的分布表明，将喷嘴朝向中心出口可以改善养殖箱的水流混合和均匀性。随后，Gorle等人（2020年）指出，通过实施底部出水系统和将进水系统设置在养殖箱的角落，可以改变八边形养殖箱的水流模式。设计上的改进增强了颗粒的去除能力，从而确保了养殖箱的有效自我清洁。Xue等人（2022年）还发现，通过延长进水管道与侧壁的安装距离，可以改善旋转水流方形养殖箱的自我清洁特性。根据Moghbeli等人（2023年）的数值研究结果，建议将直接安装在水箱水面的进水口与水箱壁呈切线方向，并与水面成30至60度角。
Zhang等人（2023a）研究了喷射角度参数、喷嘴距离和进水管道位置对具有圆角方形水产养殖箱的各种水动力学参数的影响。沿水箱壁的切向进水可以使得整个水箱内的流速均匀增加。随后，Zhang等人（2024年）使用离散相模型（DPM模型）研究了进水口数量和悬浮颗粒的物理特性对方形水产养殖箱水动力学特性和自我清洁效率的影响。减少进水口数量可以提高养殖箱的能量利用效率和流体混合的均匀性。此外，直径小于0.5毫米的小颗粒在养殖箱中的停留时间最长，且颗粒尺寸越大，停留时间越短。为了设计和建造高效的水产养殖系统，需要考虑养殖箱内流场水动力学参数的各个方面以及固体废物的物理特性。
养殖箱内进水流速的分布会影响水流动力学模式、饲料和氧气的分布以及固体废物的去除。均匀的进水流可以产生稳定的循环模式，有助于营养物质的均匀分布，但可能无法产生足够的剪切应力来将固体废物输送到出水口（Davidson和Summerfelt，2004年）。相比之下，产生底部流速梯度的进水系统配置可以增强剪切应力，促进固体废物的去除（Gorle等人，2018a）。固体废物在水箱内的积累会降低水质并危害鱼类健康，但这些流动模式可能导致死区形成，从而阻碍饲料的均匀分布（Oca和Masalo，2013年）。本研究探讨了进水模式对八边形水产养殖箱的影响。
以往的研究尚未探讨进水流速在水箱水柱内的非均匀分布以及进水动量对八边形鱼类养殖箱中饲料分布、水流动力学混合和自我清洁特性的影响。因此，本研究首次研究了水箱水柱中进水流速的非均匀分布。基于Xu和Qin（2020年及2021年）的研究，基于计算流体动力学的数值建模可以分析鱼类养殖箱的流场和自我清洁能力，这与实验室建模类似。因此，本研究结合了实验室建模和数值计算流体动力学建模来研究八边形鱼类养殖箱中的饲料分布、水流动力学混合和自我清洁特性。早期研究也探讨了鱼类的存在和行为对养殖箱内水流动力学的影响（Gorle等人，2019年；Liu等人，2023年）。
本研究的主要贡献包括：
(i)从实验角度，研究进水系统在水箱水柱中非均匀和均匀流速分布对养殖箱自我清洁特性的影响。
(ii)从数值角度，研究进水系统在水箱水柱中非均匀和均匀流速分布对流场均匀性指数的影响。
实验设置
实验装置
根据1:10的比例缩放，本研究使用的八边形养殖箱边长为100厘米，高度为50厘米。养殖箱的墙壁由玻璃制成，便于观察箱内饲料颗粒的移动。养殖箱底部由亚克力材料制成，坡度为零，底部中心安装了一个直径为一英寸的出水口。该八边形养殖箱的建造比例为边长比
结果
根据以往的研究，鱼类养殖箱内的流体运动具有复杂的三维特性（Xue等人，2022年）。因此，采用了三维数值建模和实验室建模来研究水流的动力学行为及其对饲料分布和自我清洁的影响。此外，还研究了箱底流速等值线、平均流速（Vavg）和均匀性指数（γ）等参数
讨论
根据Kim等人（2015年）的研究，水产养殖工程可以被视为维持鱼类生存的水质关键指标。设计八边形养殖箱的目的是消除方形水池的角落，从而避免死区和流体静止现象。Guo等人（2017年）指出，具有一定流速的均匀流场可以加快悬浮颗粒的沉降速度，而某些区域产生的涡流则会阻碍颗粒的去除
结论
水产养殖箱是用于养殖水生生物的基础设施，其几何和水利设计显著影响水流的动力学行为和养殖箱的自我清洁特性。本研究探讨了进水系统配置对养殖箱性能的影响，即使是微小的配置变化也可能影响养殖箱的性能。
未引用参考文献
Labatut等人，2015年；Lekang，2013年；Ren等人，2021年；Watten等人，2000年。
作者贡献声明
Atefeh Moghbeli：撰写——初稿撰写、可视化处理、验证、监督、软件开发、方法论设计、实验设计、概念构建。Mohammad Zounemat-Kermani：撰写——审稿与编辑、资源协调、项目管理、资金争取、数据分析。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本文作者感谢伊朗克尔曼省沙希德·巴霍纳尔大学的高性能计算（HPC）中心的支持。
