对养殖鱼类而言，养殖池是其最为重要的生存空间，是其进行整个生命过程的“家园”，那么建设怎样的“家”才是鱼类喜爱且适合实际生产的呢？
鱼类喜欢在流速较为舒适的区域活动，区域内流速过低或过急均对其生长不利。但在目前的养殖池中，为鱼类所喜爱的、较舒适的区域极为有限，这就造成了鱼群在狭小的有利空间里聚集和拥挤，大大限制了鱼群的活动范围。怎样才能让养殖池内的水流流速变得更加均匀，如何通过简单、高效的池型改造让养殖鱼类的活动范围变得更大些，是值得研究和优化的科学问题。
瑕瑜互见的常见池型——方形养殖池
方形养殖池具有空间利用率相对较高的优点。然而，由于受到池壁几何形状的制约，水流会在直角处急剧转弯，与池壁发生撞击，导致能量损失较大，池内剩余能量难以维持水体较高速度的旋转运动，致使池内的低流速区域增大；加之较差的水力混合条件导致了“死区”的产生，固体废弃物难以及时排除，加大了池内的耗氧量，进而导致鱼群分布不均，鱼类品质下降。
▲ 方形养殖池
瑕瑜互见的常见池型——圆形养殖池
圆形养殖池由于具有均匀的水质和稳定的流动模式，可以为养殖鱼类提供相对较优的水动力条件，池内较高的流速也可以使固体废弃物快速移出养殖池而实现自清洁。但相较于方形池，圆形养殖池存在空间利用率低的明显缺陷，影响了养殖成本和经济效益。
▲ 圆形养殖池
取长补短的池型变革——方形圆弧角养殖池
为了在尽量保持空间利用率的前提下，改善养殖池内的流场特性，方形圆弧角养殖池应运而生。通过改变养殖池的几何结构，采用圆弧角代替方形养殖池的直角，通过圆弧角和直边的池壁组合方式对其进行流场优化，从而实现方形和圆形养殖池优点的有效结合，为循环水养殖产业提供了更好的养殖装备。
▲ 方形圆弧角养殖池
最适弧宽比的确定
设计方形圆弧角养殖池，需要解决一个关键问题——最适弧宽比 (R/B ，R为圆弧角半径，B为池壁边长) 的取值范围。
▲ 池型优化示意图
本研究利用计算流体力学技术 (Computational fluid dynamics, CFD) 建立三维数值计算模型，分析不同底流分流比的工况下，相对弧宽比对双通道养殖池内流场特性的影响，通过对养殖池内平均速度进行修正，实现了在相同水体交换率下对不同体积养殖池的流场性能进行对比，并以均匀系数UC50量化评估R/B 对池内流场均匀性的影响。
▲ 模型建立
◆ 平均速度
从提高养殖效益的角度着眼，减少投入、增加收益是水产养殖可持续发展的重中之重。因此，以较低的能量成本实现养殖池内较高的速度是养殖池水动力研究的关键问题。
▲ 修正速度随相对弧宽比的变化趋势
养殖池内平均速度随着R/B的增大而呈现先大幅度增大后基本平稳的趋势。0.2≤R/B＜0.4的方形圆弧角养殖池维持了一个较高的平均速度。其中R/B=0.2的方形圆弧角养殖池与圆形养殖池 (R/B=0.5) 相比平均速度仅降低6%~11%，与方形养殖池 (R/B=0) 相比平均速度提高了42%~49%。
由此可见，0.2≤R/B＜0.4的方形圆弧角养殖池内平均速度与圆形养殖池相比变化幅度较小，而与方形养殖池相比增加幅度较大，实现了养殖需求的“低能、高速”。
◆ 均匀系数
改善流场均匀性是提高养殖水体空间有效利用率的首要问题。为量化评估养殖池内流场均匀性，以均匀系数UC50作为判别参数，评价相对弧宽比对双通道养殖池流场均匀性的影响。UC50越接近1，表示低流速区与高流速区的平均值越接近，养殖池内的整体流场均匀性越佳。
▲ 均匀系数随相对弧宽比的变化趋势
养殖池内流场均匀性受到R/B的影响而呈现先增大后减小的变化趋势。当R/B=0.2时，方形圆弧角养殖池的流场均匀性由于圆弧角的存在而明显改善，其UC50比方形养殖池提高了40%~46%。
由此可见，0.2≤R/B<0.4的方形圆弧角养殖池实现了与圆形养殖池相似的流态，池内流场较均匀，可使养殖鱼类均匀分布，提高了养殖水体空间的有效利用率。
◆ 空间利用率
空间利用率随着R/B的增大而减小，圆形养殖池的空间利用率仅为方形养殖池的78.5%。而0.2≤R/B＜0.4的方形圆弧角养殖池的空间利用率为方形养殖池的86%~97%；相比于圆形养殖池，其空间利用率得到明显提高。其中R/B为0.20（空间利用率97%）和0.25（空间利用率95%）时，兼具了较好的流场均匀性和空间利用率。
▲ 速度分布云图
小 结
综上所述，0.2≤R/B＜0.4的双通道方形圆弧角养殖池的水动力特性明显优于其他相对弧宽比的养殖池，并保持了较高的空间利用率，在空间利用率和养殖池内流态方面有效地结合了方形和圆形养殖池的优势，在水产养殖领域内有良好的推广应用前景。
通信作者
任效忠，设施渔业教育部重点实验室 ( 大连海洋大学 )教授、硕士生导师，入选市级人才计划。主要从事设施渔业高效养殖工程和工程水动力学方面的研究与应用示范，主持国家重点研发计划“智能农机装备”重点专项课题、国家自然科学基金面上项目等8项课题。获辽宁省科技进步一等奖（第8完成人），取得论文、专利、专著、教材等成果30余项。
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张倩, 桂劲松, 任效忠, 薛博茹, 毕春伟, 刘鹰. [J]. 南方水产科学, 2022, 18(4): 119-125. （点击论文题目了解研究详情。）
撰文 | 张 倩
编辑 | 江 睿
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