跑道式虾池管式射流驱动装置研究

陈 飞，潘 昀，桂福坤

（浙江海洋大学海洋科学与技术学院，国家海洋设施养殖工程技术研究中心，浙江舟山 316022）

跑道式虾池管式射流驱动装置研究

陈 飞，潘 昀，桂福坤

（浙江海洋大学海洋科学与技术学院，国家海洋设施养殖工程技术研究中心，浙江舟山 316022）

目前跑道式虾池水循环驱动装置传统且单一，仅使用水泵驱动的水流流速过快且不易调节，远不能满足新型养殖发展的需求。为优化跑道式虾池驱动装置，研发了一种新型射流驱动装置。采用模型试验的方法研究新型装置的水动力特性，使用水泵、挡水板、四层PVC射流管建立射流驱动装置模型，射流管沿水循环方向单方向开孔，通过开孔出水管道形成断面均匀分布水流。根据不同组次试验探讨新型驱动装置不同孔数与孔径对跑道式虾池断面的流速大小和分布影响，寻找新装置孔径和孔数与流速之间的变化规律。试验结果表明，该新式射流驱动装置能够调节跑道式虾池的断面流速大小，并且流速分布均匀，平均流速介于0.037 m/s和0.056 m/s之间，流速与开孔的孔数无关，仅与孔径呈反比。

跑道式虾池；射流装置；断面流速；开孔

近年来，我国陆基海水对虾养殖产业发展迅速。国内养虾池的型式也发展迅速，且样式各异，一般可分为长矩形、圆形、长圆形、跑道式等。普遍认为，采用跑道式的养虾池养殖效果较好，其优点是可使养殖池内水体单方向循环流动，一方面可使池内水质达到均匀分布，另一方面也可将虾粪便和残饵及时排出池外，保持池内水质良好[1]。而且特定方向的水流也符合对虾的生理及行为特性，有利于对虾的生长。虽然近几年在封闭式循环水养殖及污水处理技术方面开展了一系列研究，并取得显著效果[2-6]。赵乐等[7]研究了方形圆切角对虾养殖池管式射流集污水力学特性，结果表明，进水口方向的改变会影响养殖池内的流场特性。但是，针对跑道式虾池的驱动方式改良以及虾池内断面的流速分析等迄今报道很少。国内绝大数对虾养殖场中的循环装置依然采用旧式单纯的水泵驱动[8]，旧式的驱动方式即在池子四角以及池壁等距离布置PVC进水竖管，将水泵抽入的水通过PVC进水竖管喷出，通过设置喷嘴水流方向，使虾池内水进行循环。该种方式虽然能简单的满足水循环条件，但水泵的利用率较低，不同位置的进水竖管的喷嘴角度选择困难，并且各个PVC进水竖管会在喷嘴处形成辐散式水流，各个方向的水流极大地影响了虾池内整体的水体循环速度，降低了水泵功率。因此需要考虑驱动装置对水流速度的影响以及对跑道式虾池整体运行模式的影响。赵乐等[9]利用实验研究了管式射流装置对虾池内集污效果的影响，结果表明，管式射流对污物聚集有正向促进作用。因此本文设计了一款新型的管式射流驱动装置，新研发装置旨在改善水泵利用率低，流速过快不易调节的缺点。同时通过模型试验系统的研究了新研发驱动装置对跑道式虾池流速的影响，和驱动装置的排水孔的孔径以及孔数对跑道式虾池流速的整体影响。

1 材料与方法

1.1 跑道式虾池管道射流驱动装置构成与设计

本次试验采用的跑道式虾池试验水槽由浙江海洋大学国家海洋设施养殖工程与技术重点试验室提供，根据东极岛养虾基地跑道式水泥池1:4建造。该模型虾池池长4 m，宽1 m，深0.8 m，中间以厚0.01 m的隔板隔开，两端各有半径0.5 m的半圆结构模型形似跑道如图1所示。新型管式射流驱动系统由PVC管和中心立柱以及水泵组成（图2）。PVC管道直径3～3.2 cm，接口以PVC管胶密封，上下共四层，喷流孔平均分布在PVC管上，呈水平分布，使水流沿同一方向喷出，两孔水平间距6.2 cm，喷流孔出口圆滑。中心立柱由不锈钢板制成，前端封闭，后端开口使水泵只能从出口背部抽水，以减少水泵与喷流管互相作用对试验的影响。试验时采用的水为工厂化养殖南美白对虾的半海水，水深0.5 m。虾池模型内流速主要使用ADV流速仪进行测量。

图1 跑道式虾池模型图Fig.1 Model of raceway pond

图2 管式射流驱动装置Fig.2 Tube jet driving device

图3 横断面测点布置图Fig.3 Layout of cross section

1.2 试验设计

根据对虾工厂化海水养殖的特点，选取常规养殖1 Q/h的水循环量。跑道式虾池试验水槽水深0.5 m，水槽容量为2.39 m3，水的循环量为1 Q/h时，所需的总循环量为2.39 m3/h。因此选择两台功率为1.25 m3/h的水泵，共计2.5 m3/h，水的循环量为1.04 Q/h。在水泵功率不变的情况下，主要探究新装置对跑道式虾池流场的影响，以及新装置的孔径和孔数对跑道式虾池流速的影响。经过初步的试验猜想，认为当射流孔孔径越小时，射流孔射出来的水流流速越大。虾池平均流速随着孔数以及孔径的变化而变化，因此本试验利用控制变量法对其一种变量进行对比分析，分别对孔数以及孔径进行分组实验。在初步试验中发现，试验材料pvc管接口不崩开条件下孔径最小可设置为3 mm，拟选取3 mm、4 mm、5 mm、6 mm、7 mm、8 mm作为实验条件进行试验分组。射流孔数选取常规养殖池中的每层最少5孔，以及6、7、8、9孔（四层共计20、24、28、32、36孔）的试验分组。用ADV流速仪测量虾池内断面20 s的平均流速。试验共分3组进行：（1）射流孔孔数对虾池流场的影响研究；（2）射流孔孔径对虾池流场的影响研究；（3）对照组，六孔驱动装置对虾池流场的影响研究。实验分组见表1。

表1 试验分组Tab.1 Test grouping

1.3 测定方法与数据处理

跑道式虾池是循环水养殖池，虾池横断面的平均流速能直接反映池内的循环流速。为研究跑道式养殖池驱动装置与虾池平均流速的关系，在距离放置驱动装置的另一面中间断面上，采用ADV流速仪对断面水流流速进行测量，该断面点的位置及分布如图3所示。布点位置分别离池底5 cm、15 cm、25 cm、35 cm、45 cm，每层5个点，等距分布。

测试时虾池水深0.5 m，等水流稳定30 min后，利用流速仪对布点位置逐个测量，每个点测量20 s连续数据，每个点位滤波处理后取其平均值。最终将断面流速插值处理成断面流场分布图，如图4、图5、图6所示。

2 试验结果与分析

2.1 射流孔数对虾池流速的影响

在相同孔径的驱动装置下，对四层喷流孔进行不同数量的封孔处理，以验证新装置不同孔数对跑道式虾池流速的影响。测量虾池断面的平均流速如图4所示，流速值为20 s时间内的平均流速。由于各个试验分组结果大致相同，因此选取H1的试验结果作为详细描述。H1图中显示了虾池的水流流速与虾池垂向深度之间的变化关系，其中靠近中间隔板的流速小，从隔板到虾池外墙壁流速逐渐增大，最低流速区域的流速小于0.02 m/s；在靠近外墙壁的水流高达0.09 m/s，随着深度的增加，流速有逐渐减小的趋势，在虾池最上端靠近外墙壁的流速最大。H2，H3，H4，H5试验所得数据与H1所得数据大致相同，都是靠近隔板位置流速偏小，越靠近外墙壁流速以及上部流速越大，整体流速分布均匀，符合跑道式虾池水力学特性。从孔数试验（图4）得出，随着孔数的增加（20孔，24孔，28孔，32孔，36孔），驱动装置断面平均流速都在0.05～0.06 m/s之间，平均流速并没有随孔数的增加而有明显变化趋势。H1（20孔）和H5（36孔）得出的平均流速0.051 6 m/s和0.052 1 m/s相差仅有9.89%。

图4 不同孔数虾池断面流场分布图Fig.4 Distribution of different number of holes flow ponds

2.2 射流孔孔径对虾池流速的影响

在驱动装置孔数都为28孔时，孔径从3 mm增加到8 mm，随着孔径的增大，流速从0.051 6 m/s降至0.030 7 m/s，虾池平均流速呈线性减小。孔径的大小变化，整体流速分布均匀，与孔数变化所得断面流场分布大致相同。随着孔径的增大，低流速区域（蓝色区域）逐渐增多，高流速区域逐渐较少（红色区域），说明虾池里的流速整体下降。这中变化与孔径增大，单个射流孔接触水面积增大，导致水体能耗相对增大有关。

2.3 六孔试验对照组

为了对照新装置的孔数与孔径变化对虾池流速的影响，特进行了一项对照试验。即六孔对照试验，该实验是极端的最大孔径，减少孔数的对照试验。观测虾池内的流速变化，结果如图6所示的虾池流速分布与水池深度之间的变化关系。虾池水流从外围墙壁至中央隔板（图右到图左，下同）流速逐渐减小，靠近中间隔板的部分位置流速为负，该结果符合跑道式虾池外围流速大于内围流速的水力学特性，且池水上层流速略大于下层流速。断面的最大流速为0.035 7 m/s,平均流速为0.016 7 m/s，流速相对较小。这可能与装置射流孔径增大，射出水流辐散增大能耗增多，靠近中间隔板位置有回流有关。

2.4 射流孔出口总面积与虾池流速的关系

当改变孔数或者孔径时，改变最直观的就是射流孔出口的总面积。当孔径不变时，改变射流孔的孔数，最大孔数36与最小孔数20相差1.8倍。相对于改变孔径2 mm到8 mm相差16倍变化相对较小，从而对虾池流速的影响也相对较小。随着射流孔出口总面积的增大，虾池断面平均流速呈线性减小，如图7所示。

图5 不同孔数断面平均流速变化图Fig.5 Variation of average velocity of cross section

图6 不同孔径虾池断面流场分布图Fig.6 Flow distribution of different aperture ponds

图7 不同出口总面积与平均流速变化图Fig.7 The total area and the average velocity of different exports

3 讨论

一般认为，虾池的平均流速仅与水泵的功率有关。根据能量守恒定律，在水泵功率一定的条件下，水的流动不会以驱动装置的改变而改变。然而，在本试验中，通过改变驱动装置的射流孔径与孔数发现：

在相同的孔径下（4 mm），增加孔数（孔数范围20～36）对虾池断面的平均流速变化影响较小。改变孔数时射流孔出口的总面积也变化较小。由于水泵功率不变，喷流孔数减少，相应单孔的出水速度增加，当喷流孔数量增加时相应单孔的出水速度减小，所以射流孔数的变化对跑道式虾池的断面平均流速变化影响较小。

在相同的孔数下（28），增加孔径（孔径范围3～8 mm）对虾池断面的平均流速线性减小。孔数一定（28孔）时，随着孔径的减小，射出水的动能不变，回流减小，驱动虾池内的水的有效动能增加。出水口的水流接触池水的总面积随着孔径的减小而减小，射流孔对射出水的动能耗损远小于池水对射出水的动能损耗。因此，在一定范围内随着孔径的减小，虾池整体流速增大。

4 结论

通过试验研究该管式射流装置，探寻射流孔数以及孔径对断面流速大小和分布的影响，得出以下结论：（1）该管式射流驱动装置能够调节跑道式虾池的断面流速大小，并且流速分布均匀。（2）新研发装置形成的平均流速介于0.037 m/s和0.056 m/s之间。（3）管式射流装置的流速与其喷流孔的孔数无关，仅与孔径呈反比。

将该装置按照工厂养殖模式需要等比例放大。在工厂化养殖模式中使用该射流装置时，可以适当地减小射流孔的孔径，增多射流孔数，以有效节约水泵耗电率。在相同的流速环境下，使用的水泵功率越小，流场越均匀。该射流装置的设计改善了目前工厂化养殖水流过快且不易调节的缺点，使虾池中的水流更均匀，以及较大程度提高虾池平均流速。新研发装置使养殖池摆脱了仅靠增大水泵功率来提高虾池流速的困境，为工厂化养殖的驱动系统模式提供了新思路。

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The Study on the Jet Driving Device of Runway Shrimp Culture Pond

CHEN Fei,PAN Yun,GUI Fu-kun
(School of Marine Science and Technology of Zhejiang Ocean University,National Engineering Research Center for Mariculture,Zhoushan 316022,China)

At present,the driving devices for water circulation of raceway-type shrimp pond are traditional and only have few types.The widely used pump-type driving device usually produces fast water flow and cannot be adjusted easily,thus making it difficult to meet the requirements of modern aquaculture system.In this study,a jet-type driving device was newly developed to optimize the performance of driving device used in raceway-type shrimp pond.Laboratory experiments were carried out to study the hydrodynamics of the new type driving device.The model was made up of three parts:pump,water-retaining plate and four-layer jet pipes.Holes were made on the jet pile and directed along the direction of water circulation,and then uniform water flow was formed.Experimental data were analyzed to investigate the effect of hole diameter and number of holes on the velocity distribution along the section of shrimp pond and figure out the relationship between them.The results showed that the new driving device can produce uniform and adjustable water flow between 0.037 m/s and 0.056 m/s;the velocity is inversely proportional to the hole diameter only and has no relationwith the number of holes.

runway shrimp culture pond;jet driving device;section velocity;hole

S969

A

1008－830X(2017)03－0207－05

2017-03-17

浙江省自然科学基金重点项目（Z16E090006）；舟山市海洋专项（2015C41001）；国家级大学生创新创业计划（201410340001）

陈飞（1992-），男，河南郸城人，硕士研究生，研究方向：设施渔业工程装备.E-mail:598477104@qq.com

桂福坤（1976-），男，江西鹰潭人，教授，研究方向：海洋设施养殖工程技术.E-mail:gui2237@163.com