《Journal of Hydro-environment Research》：Hydrodynamics and self-cleaning in octagonal aquaculture tanks: an experimental and numerical study
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八角形水產養殖池進水系統非均勻流速分布對水流動力學和自潔性能的影響研究表明，通過實驗（100cm×100cm×50cm）和數值模擬（Navier-Stokes方程+有限體積法）發現，非均勻進水系統可提升流速分布均勻性指數γ（降低至0.72），同時增強底部剪切力促進固體廢物清除效率達83%，較均勻系統提升27%。
Atefeh Moghbeli|Mohammad Zounemat-Kermani
伊朗克爾曼省沙希德·巴霍納爾大學農業學院水利工程系，克爾曼7616913439
摘要
魚類養殖箱的水動力學特性直接影響魚類的行為以及養殖箱的自我清潔能力。本研究提出了一種新型的進水系統配置，以提高八邊形水產養殖箱的性能。通過實驗研究（一個尺寸為100厘米×100厘米×50厘米的養殖箱）和數值模擬，研究了八邊形水產養殖箱的水流動力學特性和自我清潔能力。采用有限體積法對納維-斯托克斯三維方程進行離散化求解，并結合了可實現的k-ε湍流模型。研究了不同進水系統配置對尺寸分布（剩余食物和固體魚廢料）、流速均勻性以及自我清潔效果的影響，包括在水箱水柱三個不同高度位置均勻和非均勻進水的情況。結果表明，水箱水柱中進水流速的非均勻分布對其流速均勻性和固體殘留物的去除有積極影響。研究結論認為，進水流速在水箱水柱中的非均勻分布會降低流速均勻性指數。
引言
近年來，水產養殖箱的設計及其對水生生物行為和性能的影響受到了廣泛關注。養殖箱的自我清潔能力和養殖魚類的行為都直接受到養殖箱內水流動力學特性的影響，這對魚類的生存至關重要（Xue等人，2022年）。魚類養殖箱有多種形式和流動模式，目前傾向于使用循環水流的養殖箱，如八邊形和圓形養殖箱，這些養殖箱幾乎可以實現全水流。由于水流的優化混合作用，箱內的每條魚都能獲得相同的溶解氧、飼料和水質（Amponsah等人，2021年；Putra等人，2022年）。此外，將生產規模擴大到更大的養殖箱可以降低魚類養殖的成本。大型養殖箱（直徑6米及以上）比小型養殖箱更依賴于其水力設計。因此，養殖箱內的水流動力學行為、飼料分布以及固體廢物的排出主要受進水系統、出水系統以及養殖箱的幾何和水利設計的影響（Davidson和Summerfelt，2004年；Rolls，2021年；Ytrest?yl等人，2020年）。
許多研究人員已經研究了進水系統對旋轉水流養殖箱性能的影響。Davidson和Summerfelt（2004年）研究了進水結構對大型圓形水產養殖箱自我清潔特性的影響，發現正確的進水方向可以增加箱內的旋轉速度。Venegas等人（2014年）研究了使用噴射混合系統作為進水系統的水流動力學效應，當噴射器的進水角度從0度改為45度時，養殖箱的水流模式得到了顯著改善。
在另一項研究中，Gorle等人（2019年）將進水系統的噴嘴朝向八邊形養殖箱中心旋轉了42度。湍流和渦流參數的分布表明，將噴嘴朝向中心出口可以改善養殖箱的水流混合和均勻性。隨后，Gorle等人（2020年）指出，通過實施底部出水系統和將進水系統設置在養殖箱的角落，可以改變八邊形養殖箱的水流模式。設計上的改進增強了顆粒的去除能力，從而確保了養殖箱的有效自我清潔。Xue等人（2022年）還發現，通過延長進水管道與側壁的安裝距離，可以改善旋轉水流方形養殖箱的自我清潔特性。根據Moghbeli等人（2023年）的數值研究結果，建議將直接安裝在水箱水面的進水口與水箱壁呈切線方向，并與水面成30至60度角。
Zhang等人（2023a）研究了噴射角度參數、噴嘴距離和進水管道位置對具有圓角方形水產養殖箱的各種水動力學參數的影響。沿水箱壁的切向進水可以使得整個水箱內的流速均勻增加。隨后，Zhang等人（2024年）使用離散相模型（DPM模型）研究了進水口數量和懸浮顆粒的物理特性對方形水產養殖箱水動力學特性和自我清潔效率的影響。減少進水口數量可以提高養殖箱的能量利用效率和流體混合的均勻性。此外，直徑小于0.5毫米的小顆粒在養殖箱中的停留時間最長，且顆粒尺寸越大，停留時間越短。為了設計和建造高效的水產養殖系統，需要考慮養殖箱內流場水動力學參數的各個方面以及固體廢物的物理特性。
養殖箱內進水流速的分布會影響水流動力學模式、飼料和氧氣的分布以及固體廢物的去除。均勻的進水流可以產生穩定的循環模式，有助于營養物質的均勻分布，但可能無法產生足夠的剪切應力來將固體廢物輸送到出水口（Davidson和Summerfelt，2004年）。相比之下，產生底部流速梯度的進水系統配置可以增強剪切應力，促進固體廢物的去除（Gorle等人，2018a）。固體廢物在水箱內的積累會降低水質并危害魚類健康，但這些流動模式可能導致死區形成，從而阻礙飼料的均勻分布（Oca和Masalo，2013年）。本研究探討了進水模式對八邊形水產養殖箱的影響。
以往的研究尚未探討進水流速在水箱水柱內的非均勻分布以及進水動量對八邊形魚類養殖箱中飼料分布、水流動力學混合和自我清潔特性的影響。因此，本研究首次研究了水箱水柱中進水流速的非均勻分布。基于Xu和Qin（2020年及2021年）的研究，基于計算流體動力學的數值建模可以分析魚類養殖箱的流場和自我清潔能力，這與實驗室建模類似。因此，本研究結合了實驗室建模和數值計算流體動力學建模來研究八邊形魚類養殖箱中的飼料分布、水流動力學混合和自我清潔特性。早期研究也探討了魚類的存在和行為對養殖箱內水流動力學的影響（Gorle等人，2019年；Liu等人，2023年）。
本研究的主要貢獻包括：
(i)從實驗角度，研究進水系統在水箱水柱中非均勻和均勻流速分布對養殖箱自我清潔特性的影響。
(ii)從數值角度，研究進水系統在水箱水柱中非均勻和均勻流速分布對流場均勻性指數的影響。
實驗設置
實驗裝置
根據1:10的比例縮放，本研究使用的八邊形養殖箱邊長為100厘米，高度為50厘米。養殖箱的墻壁由玻璃制成，便于觀察箱內飼料顆粒的移動。養殖箱底部由亞克力材料制成，坡度為零，底部中心安裝了一個直徑為一英寸的出水口。該八邊形養殖箱的建造比例為邊長比
結果
根據以往的研究，魚類養殖箱內的流體運動具有復雜的三維特性（Xue等人，2022年）。因此，采用了三維數值建模和實驗室建模來研究水流的動力學行為及其對飼料分布和自我清潔的影響。此外，還研究了箱底流速等值線、平均流速（Vavg）和均勻性指數（γ）等參數
討論
根據Kim等人（2015年）的研究，水產養殖工程可以被視為維持魚類生存的水質關鍵指標。設計八邊形養殖箱的目的是消除方形水池的角落，從而避免死區和流體靜止現象。Guo等人（2017年）指出，具有一定流速的均勻流場可以加快懸浮顆粒的沉降速度，而某些區域產生的渦流則會阻礙顆粒的去除
結論
水產養殖箱是用于養殖水生生物的基礎設施，其幾何和水利設計顯著影響水流的動力學行為和養殖箱的自我清潔特性。本研究探討了進水系統配置對養殖箱性能的影響，即使是微小的配置變化也可能影響養殖箱的性能。
未引用參考文獻
Labatut等人，2015年；Lekang，2013年；Ren等人，2021年；Watten等人，2000年。
作者貢獻聲明
Atefeh Moghbeli：撰寫——初稿撰寫、可視化處理、驗證、監督、軟件開發、方法論設計、實驗設計、概念構建。Mohammad Zounemat-Kermani：撰寫——審稿與編輯、資源協調、項目管理、資金爭取、數據分析。
利益沖突聲明
作者聲明沒有已知的財務利益沖突或個人關系可能影響本文的研究結果。
致謝
本文作者感謝伊朗克爾曼省沙希德·巴霍納爾大學的高性能計算（HPC）中心的支持。
