渔 业 现 代 化 ２０２２ 年

在 ５．３～６．４ ｓ 间，锚泊状态下船体横摇运动的周期

与船舶固有属性有关，无法因外界激励的作用而

发生较大的变化；对于锚泊状态下的工船，其船体

横摇运动的周期在 ５．３～６．４ ｓ 间，远离鱼舱水体的

一阶固有周期 Ｔ０ （３． ２７ ｓ）

［３，２７］

；因此，在本研究

中，重点分析 ６ ｓ 周期下的横摇运动。 在横摇周

期为 ６ ｓ 的条件下，研究横摇角度幅值对鱼舱流

速大小和流动均匀性的影响（图 ９、１０）；发现相较

于进水射流，横摇周期为 ６ ｓ、横摇角度为 ２°的横

摇运动对鱼舱流场的影响较小，而横摇周期为 ６

ｓ、横摇角度为 ５°的横摇运动对鱼舱流场影响较

大。 因此，对于锚泊状态下的工船，其横摇运动的

周期变化范围较小，多在 ５．３ ～ ６．４ ｓ 间；当横摇角

度幅值小于 ２°时，横摇运动对鱼舱流场的影响较

小，此时可以通过改变总进水流量和进水口数目

来调节鱼舱流场；而当横摇角度幅值大于 ２°时，

横摇运动对鱼舱流场的影响较大，尤其当横摇角

度幅值达到 ５°后，此时进水射流对鱼舱流场的调

节作用有限，或可考虑通过制荡减摇措施［３１⁃３２］ 来

调节鱼舱流场。

４ 结论

对于工船鱼舱，当进水口数目一定时，鱼舱最

大流速与总进水流量呈线性正相关；故对于 ４ 个

进水口的鱼舱，当总进水流量小于 １８４ ｍ

３

／ ｈ 时，

鱼舱流速始终小于 ０．５ ｍ ／ ｓ，是适合 １ 龄以上大黄

鱼（体长大于 ２７ ｃｍ）养殖的；同时，当因增加总进

水流量而导致舱内流速大于鱼类适养流速上限

时，可以通过增加进水口数目来降低鱼舱流速，增

加水体流动的均匀性。 对于锚泊状态下的工船，

当横摇角度幅值小于 ２°时，横摇运动对鱼舱流场

的影响较小，此时可以通过改变总进水流量和进

水口数目来调节鱼舱流场；当横摇角度幅值大于

２°时，横摇运动对鱼舱流场的影响较大，尤其当横

摇角度幅值达到 ５°后，此时进水射流对鱼舱流场

的调节作用有限。 □

参考文献

［１］ 蔡计强，张宇雷，李建宇等．１０ 万吨级深远海养殖平台总体技

术研究［Ｊ］．船舶工程，２０１７，３９（增刊 １）：１９８⁃２０３．

［２］ 崔铭超，金娇辉，黄温赟．养殖工船系统构建与总体技术探讨

［Ｊ］．渔业现代化，２０１９，４６（２）：６１⁃６６．

［３］ 方舟，徐红昌，戴锦阳．横摇运动下养殖工船多液舱流场特性

数值分析［Ｊ］．船海工程，２０２１，５０（６）：４１⁃４５，５０．

［４］ 徐皓，谌志新，蔡计强，等．我国深远海养殖工程装备发展研

究［Ｊ］．渔业现代化，２０１６，４３（０３）：１⁃６．

［５］ 崔铭超，鲍旭腾，王庆伟．我国深远海养殖设施装备发展研究

［Ｊ］．船舶工程，２０２１，４３（４）：８．

［６ ］ ＧＯＲＬＥ Ｊ Ｍ Ｒ， ＴＥＲＪＥＳＥＮ Ｂ Ｆ， ＳＵＭＭＥＲＦＥＬＴ Ｓ Ｔ．

Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ Ａｔｌａｎｔｉｃ ｓａｌｍｏｎ ｃｕｌｔｕｒｅ ｔａｎｋ： Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｉｎｌｅｔ

ｎｏｚｚｌｅ ａｎｇｌｅ ｏｎ ｔｈｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｆｉｅｌｄ［ Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ

ｉｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，２０１９，１５８：７９⁃９１．

［７］ ＧＵＯ Ｘ Ｙ，ＬＩ Ｚ Ｓ，ＣＵＩ Ｍ Ｃ，ｅｔ ａｌ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ ｆｌｏｗ

ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｓｈ ｔａｎｋ ｏｎ ａ ｆｏｒｃｅ⁃ｒｏｌｌｉｎｇ

ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ［Ｊ］．Ｏｃｅａｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０２０，２１７：１０７９３６．

［ ８ ］ ＺＨＡＮＧ Ｊ， ＪＩＡ Ｇ， ＷＡＮＧ Ｍ， ｅｔ ａｌ． Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ

ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｔａｎｋｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｐａｔｉａｌ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ

［Ｊ］．Ａｑｕａｃｕｌｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０２２，９６：１０２２１７．

［９ ］ ＢＵＲＲＯＷＳ Ｒ Ｅ， ＣＨＥＮＯＷＥＴＨ Ｈ Ｈ． Ｔｈｅ Ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ

Ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ Ｒｅａｒｉｎｇ Ｐｏｎｄ ［ Ｊ］． Ｔｈｅ Ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ Ｆｉｓｈ⁃Ｃｕｌｔｕｒｉｓｔ，

１９７０，３２（２）：６７⁃８０．

［１０］郑金秀，韩德举，胡望斌，等．与鱼道设计相关的鱼类游泳行

为研究［Ｊ］．水生态学杂志，２０１０，３１（５）：１０４⁃１１０．

［１１］吴飞飞，王萍，桂福坤，等．大黄鱼续航时间和临界游泳速度

的初步研究［Ｊ］．渔业现代化，２０１４，４１（４）：２９⁃３３．

［１２］ ＬＩ Ｚ Ｓ，ＧＵＯ Ｘ Ｙ，ＣＵＩ Ｍ Ｃ． Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｌｏｗ

ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｉｎ ａ ｒｅａｒｉｎｇ ｔａｎｋ ａｂｏａｒｄ ａｎ ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｖｅｓｓｅｌ

［Ｊ］．Ａｑｕａｃｕｌｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０２２，９８：１０２２７２．

［１３］ＧＯＲＬＥ Ｊ Ｍ Ｒ，ＴＥＲＪＥＳＥＮ Ｂ Ｆ，ＭＯＴＡ Ｖ Ｃ，ｅｔ ａｌ．Ｗａｔｅｒ ｖｅｌｏｃｉｔｙ

ｉｎ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ＲＡＳ ｃｕｌｔｕｒｅ ｔａｎｋｓ ｆｏｒ Ａｔｌａｎｔｉｃ ｓａｌｍｏｎ ｓｍｏｌｔ

ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ａｑｕａｃｕｌｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１８，８１：８９⁃１００．

［１４］ＰＡＢＬＯ Ａ，ＶＥＮＥＧＡＳ Ａ Ｌ，ＮＡＲＶÁＥＺ Ａ Ｅ，ｅｔ ａｌ．Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ

ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｕｓｅ ｏｆ ｅｄｕｃｔｏｒｓ （Ｊｅｔ⁃Ｍｉｘｉｎｇ Ｅｄｕｃｔｏｒ） ｆｏｒ ｗａｔｅｒ ｉｎｌｅｔ ｏｎ

ｃｉｒｃｕｌａｒ ｔａｎｋ ｆｉｓｈ ｃｕｌｔｕｒｅ［Ｊ］．Ａｑｕａｃｕｌｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１４．

［１５］ ＯＣＡ Ｊ， ＭＡＳＡＬＯ Ｉ． Ｄｅｓｉｇｎ ｃｒｉｔｅｒｉａ ｆｏｒ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｆｌｏｗ ｃｅｌｌｓ ｉｎ

ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｔａｎｋｓ ［ Ｊ ］． Ａｑｕａｃｕｌｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，

２００７，３６（１）：３６⁃４４．

［１６］ＯＣＡ Ｊ，ＭＡＳＡＬＯ Ｉ．Ｆｌｏｗ ｐａｔｔｅｒｎ ｉｎ ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｃｉｒｃｕｌａｒ ｔａｎｋｓ：

Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ， ｗａｔｅｒ ｄｅｐｔｈ， ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｉｎｌｅｔ ＆ ｏｕｔｌｅｔ

ｆｅａｔｕｒｅｓ［Ｊ］．Ａｑｕａｃｕｌｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１３，５２：６５⁃７２．

［１７］ＬＡＢＡＴＵＴ Ｒ Ａ，ＥＢＥＬＩＮＧ Ｊ Ｍ，ＢＨＡＳＫＡＲＡＮ Ｒ，ｅｔ ａｌ．Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ

ｉｎｌｅｔ ａｎｄ ｏｕｔｌｅｔ ｆｌｏｗ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｎ ｍｉｘｅｄ⁃ ｃｅｌｌ ｒａｃｅｗａｙ

（ＭＣＲ） ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ［ Ｊ］．Ａｑｕａｃｕｌｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００７，３７

（２）：１５８⁃１７０．

［１８］ＬＡＢＡＴＵＴ Ｒ Ａ，ＥＢＥＬＩＮＧ Ｊ Ｍ，ＢＨＡＳＫＡＲＡＮ Ｒ，ｅｔ ａｌ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ

Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ ａｎｄ Ｐａｔｈ ／ Ｒｅｓｉｄｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ⁃Ｌｉｋｅ

Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｉｎ ａ Ｍｉｘｅｄ⁃Ｃｅｌｌ Ｒａｃｅｗａｙ （ ＭＣＲ ） ｕｓｉｎｇ ３⁃Ｄ

Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ （ ＣＦＤ ） ［ Ｊ ］． Ａｑｕａｃｕｌｔｕｒａｌ

Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１５，６７：３９⁃５２．

［１９ ］ ＬＡＢＡＴＵＴ Ｒ Ａ， ＥＢＥＬＩＮＧ Ｊ Ｍ， ＢＨＡＳＫＡＲＡＮ Ｒ， ｅｔ ａｌ．

Ｅｘｐｌｏｒｉｎｇ ｆｌｏｗ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｏｆ ａ ｍｉｘｅｄ⁃ ｃｅｌｌ ｒａｃｅｗａｙ

（ＭＣＲ） ｕｓｉｎｇ ２⁃Ｄ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ （ ＣＦＤ） ［ Ｊ］．

Ａｑｕａｃｕｌｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１５，６６：６８⁃７７．

４２

第 ５ 期 秦康等：基于 ＦＬＯＷ⁃３Ｄ 的船载舱养流场特性分析

［２０］崔铭超，王靖，郭晓宇．横摇运动下养殖工船水环境流场特性

数值分析［Ｊ］．中国造船，２０２０，６１（３）：１２．

［２１］ＨＩＲＴ Ｃ Ｗ，ＮＩＣＨＯＬＳ Ｂ Ｄ．Ｖｏｌｕｍｅ ｏｆ ｆｌｕｉｄ （ＶＯＦ） ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ

ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ ｆｒｅｅ ｂｏｕｎｄａｒｉｅｓ ［ Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ

Ｐｈｙｓｉｃｓ，１９８１，３９（１）：２０１⁃２２５．

［２２］ＨＩＲＴ Ｃ Ｗ，ＳＩＣＩＬＩＡＮ Ｊ Ｍ．Ａ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ

ｏｆ ｏｂｓｔａｃｌｅｓ ｉｎ ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｃｅｌｌ ｍｅｓｈｅｓ ［ Ｃ ］． Ｉｎ： Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ

Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｈｉｐ Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ，１９８５．

［２３ ］ ＰＯＰＥ Ｓ Ｂ． Ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ Ｆｌｏｗｓ ［ Ｊ ］． Ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ Ｆｌｏｗｓ， ２０００， １２

（１１）：８０６．

［２４］ＫＯＮＯＰＫＡ Ｍ，ＮＯＥＤＩＮＧ Ｐ，ＫＬＡＴＴＥ Ｊ，ｅｔ ａｌ．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＬＮ２

ｆｉｌｌｉｎｇ，ｄｒａｉｎｉｎｇ，ｓｔｒａｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｌｏｓｈｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ［Ｃ］．４６ｔｈ

ＡＩＡＡ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ： Ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ

Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，２０１６：４２７ ２．

［２５］ＬＥＥ Ｄ Ｈ，ＫＩＭ Ｍ Ｈ，ＫＷＯＮ Ｓ Ｈ，ｅｔ ａｌ．Ａ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ

ｓｔｕｄｙ ｏｎ ＬＮＧ ｔａｎｋ ｓｌｏｓｈｉｎｇ ｌｏａｄｓ ｂｙ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ［ Ｊ］．

Ｏｃｅａｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００７，３４（１）：３⁃９．

［２６］ＬＩＵ Ｄ Ｍ，ＬＩＮ Ｐ Ｚ．Ｔｈｒｅｅ⁃ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｌｉｑｕｉｄ ｓｌｏｓｈｉｎｇ ｉｎ ａ ｔａｎｋ

ｗｉｔｈ ｂａｆｆｌｅｓ［Ｊ］．Ｏｃｅａｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００９，３６（２）：２０２⁃２１２．

［２７］ＦＡＬＴＩＮＳＥＮ Ｏ Ｍ．Ａ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｌｏｓｈｉｎｇ ｉｎ

ｔａｎｋｓ ｗｉｔｈ ｔｗｏ⁃ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｌｏｗ［ Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈｉｐ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，

１９７８，２２（３）：１９３⁃２０２．

［２８］ＸＵＥ Ｂ Ｒ，ＺＨＡＯ Ｙ Ｐ，ＢＩ Ｃ Ｗ，ｅｔ ａｌ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ

ａｎｄ ｐｏｌｌｕｔａｎｔ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｔａｎｋ ｆｏｒ ｆｉｓｈ

ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ ［ Ｊ］． Ｓｏｃｉａｌ

Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ，２０２２，２００：１０７２４３．

［２９］赵希坤，韩桢锷．鱼类克服流速能力的试验报告［ Ｊ］．水利水

运科技情报，１９７８（５）：４６⁃５４．

［３０］徐博，姜胜超，刘浩，等．基于 ＳＴＡＲ⁃ＣＣＭ＋的液舱晃荡数值研

究［Ｃ］．第十九届中国海洋（岸）工程学术讨论会．重庆：中国

海洋工程学会，２０１９：１７８⁃１８３．

［３１］许洪露，杨永春．养殖工船液舱晃荡的制荡措施研究［ Ｊ］．中

国水运（下半月），２０１７，１７（３）：７⁃１０．

［３２］苏朋，宁德志，张崇伟．泡沫式减晃荡技术的水动力实验研究

［Ｃ］．第十届全国流体力学学术会议论文摘要集．杭州：中国

力学学会流体力学专业委员会，２０１８：１８９．

４３

渔 业 现 代 化 ２０２２ 年

Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔａｎｋ ａｂｏａｒｄ ａｎ

ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｖｅｓｓｅｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＬＯＷ⁃ ３Ｄ

ＱＩＮ Ｋａｎｇ

１，２

，ＣＵＩ Ｍｉｎｇｃｈａｏ

２，３

，ＬＩＵ Ｈｕａｎｇ

２，３

，ＺＨＡＮＧ Ｃｈｅｎｇｌｉｎ

２，３

，ＪＩ Ｚｅｋｕｎ

１，２

（１ Ｓcｈｏｏｌ ｏｆ Ｎａｖｉgａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｎａｖａｌ Ａｒcｈｉｔｅcｔｕｒｅ，Ｄａｌｉａｎ Ｏcｅａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｌｉａｎ １１６０２３，Ｃｈｉｎａ；

２ Ｆｉｓｈｅｒｙ Ｍａcｈｉｎｅｒｙ ａｎｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｒｅｓｅａｒcｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａcａｄｅｍｙ ｏｆ Ｆｉｓｈｅｒｙ Ｓcｉｅｎcｅｓ，Ｓｈａｎgｈａｉ ２０００９２，Ｃｈｉｎａ；

３ Ｊｏｉｎｔ Ｒｅｓｅａｒcｈ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｄｅｅｐ Ｂｌｕｅ Ｆｉｓｈｅｒｙ Ｅｎgｉｎｅｅｒｉｎg Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｔｅcｈｎｏｌｏgｙ，

Ｐｉｌｏｔ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｍａｒｉｎｅ Ｓcｉｅｎcｅ ａｎｄ Ｔｅcｈｎｏｌｏgｙ （Ｑｉｎgｄａｏ），Ｑｉｎgｄａｏ ２６６２３７，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｔａｎｋｓ ａｂｏａｒｄ ａｎ ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｖｅｓｓｅｌ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｎｅｗ ｗａｙ ｔｏ ｃａｒｒｙ ｏｕｔ ｍａｒｉｎｅ

ｆｉｓｈ ｃｕｌｔｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｅｐ ｓｅａ．Ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｊｅｔ ｏｎ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｔｈｅ ｔａｎｋ ａｂｏａｒｄ ａｎ ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ

ｖｅｓｓｅｌ，ａｎｄ ｅｖａｌｕａｔｅ ｔｈｅ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｊｅｔ ｏｎ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｔｈｅ ｔａｎｋ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｒｏｌｌｉｎｇ ｍｏｔｉｏｎ，ｔｈｅ

ＦＬＯＷ⁃３Ｄ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔａｎｋ ａｂｏａｒｄ ａ ３０００⁃ｔｏｎ ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｖｅｓｓｅｌ，ａｎｄ

ｔｏ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｉｎｆｌｕｅｎｔ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ，ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｉｎｌｅｔｓ ａｎｄ ｔｈｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｌｌ ａｎｇｌｅ ｏｎ

ｔｈｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ｆｌｏｗ ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｓｈ ｔａｎｋ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｉｎｆｌｕｅｎｔ ｆｌｏｗ

ｒａｔｅ ｆｒｏｍ １１０ ｍ

３

／ ｈ ｔｏ ２１５ ｍ

３

／ ｈ，ｔｈｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔａｎｋ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ，ｂｕｔ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｉｎ ｔｈｅ ｆｌｏｗ

ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ｉｓ ｎｏｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｉｎｌｅｔｓ ｆｒｏｍ ４ ｔｏ １６，ｔｈｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｉｎ ｔｈｅ

ｔａｎｋ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ． Ｆｏｒ ｔｈｅ ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｖｅｓｓｅｌ ａｔ

ａｎｃｈｏｒ，ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｒｏｌｌｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄ ｃｈａｎｇｅ ｉｓ ｓｍａｌｌ，ｍｏｓｔｌｙ ５．３⁃６．４ ｓ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｏｌｌｉｎｇ ａｎｇｌｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｆｒｏｍ ０ °

ｔｏ ２ °，ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔａｎｋ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｆｒｏｍ ０．３８５ ｍ ／ ｓ ｔｏ ０．４１３ ｍ ／ ｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｃｈａｎｇｅｓ

ｓｌｉｇｈｔｌｙ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｒｏｌｌｉｎｇ ａｎｇｌｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｆｒｏｍ ０ °ｔｏ ５ °，ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔａｎｋ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｆｒｏｍ ０. ３８５

ｍ ／ ｓ ｔｏ ０． ５０７ ｍ ／ ｓ， ａｎｄ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｃｈａｎｇｅｓ ｇｒｅａｔｌｙ． Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔａｎｋ ａｂｏａｒｄ ａｎ

ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｖｅｓｓｅｌ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｉｎｌｅｔｓ ｉｓ ｃｏｎｓｔａｎｔ，ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔａｎｋ ｉｓ ｌｉｎｅａｒｌｙ ａｎｄ

ｐｏｓｉｔｉｖｅｌｙ ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｉｎｆｌｕｅｎｔ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｉｓｈ ｔａｎｋ ｗｉｔｈ ４ ｗａｔｅｒ ｉｎｌｅｔｓ，ｗｈｅｎ ｔｈｅ

ｔｏｔａｌ ｉｎｆｌｕｅｎｔ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ １８４ ｍ

３

／ ｈ，ｔｈｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔａｎｋ ｉｓ ａｌｗａｙｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ０. ５ ｍ ／ ｓ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ

ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｓｅｕｄｏｓcｉａｅｎａcｒｏcｅａ ｏｖｅｒ １ ｙｅａｒ ｏｌｄ，ｏｆ ｗｈｉｃｈ ｂｏｄｙ ｌｅｎｇｔｈ ｉｓ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ ２７ ｃｍ．

Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｓｈ ｔａｎｋ ｉｓ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｕｐｐｅｒ ｌｉｍｉｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｆｏｒ ｆｉｓｈ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ

ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｉｎｆｌｕｅｎｔ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ，ｔｈｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｓｈ ｔａｎｋ ｃａｎ ｂｅ ｒｅｄｕｃｅｄ ｂｙ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ

ｗａｔｅｒ ｉｎｌｅｔｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｆｌｏｗ ｃａｎ ｂｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ．Ｆｏｒ ｔｈｅ ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｖｅｓｓｅｌ

ａｔ ａｎｃｈｏｒ，ｗｈｅｎ ｔｈｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｌｌｉｎｇ ａｎｇｌｅ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ２°，ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｌｌｉｎｇ ｍｏｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｆｌｏｗ

ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｓｈ ｔａｎｋ ｉｓ ｓｍａｌｌ．Ａｔ ｔｈｉｓ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｓｈ ｔａｎｋ ｃａｎ ｂｅ ａｄｊｕｓｔｅｄ ｂｙ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ

ｉｎｆｌｕｅｎｔ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｉｎｌｅｔｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｗｈｅｎ ｔｈｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｌｌ ａｎｇｌｅ ｉｓ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ

２°，ｔｈｅ ｒｏｌｌｉｎｇ ｍｏｔｉｏｎ ｈａｓ ａ ｇｒｅａｔｅｒ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｓｈ ｔａｎｋ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｏｆ

ｔｈｅ ｒｏｌｌ ａｎｇｌｅ ｒｅａｃｈｅｓ ５°，ｔｈｅ ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｔ ｊｅｔ ｏｎ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｓｈ ｔａｎｋ ｉｓ ｌｉｍｉｔｅｄ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ； ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｖｅｓｓｅｌ； ｒｏｌｌｉｎｇ； ｆｌｏｗ ｖｅｌｏｃｉｔｙ； ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｆｌｏｗ

４４

第 48 卷第 4 期 渔 业 现 代 化 Vol．48 No．4

2021 年 8 月 FISHEＲY MODEＲNIZATION Aug．2021

DOI: 10．3969/j．issn．1007－9580．2021．04．008

收稿日期: 2020－ 10－ 27

基金项目: 山东省支持青岛海洋科学与技术试点国家实验室重大科技专项( 2018SDKJ0303－3)

作者简介: 高瑞( 1985—) ，男，高级工程师，硕士，研究方向: 流体力学、船舶设计等。E－mail: gaorui@ fmiri．ac．cn

养殖工船排水管路内颗粒流动特性研究

高 瑞1，2

，黄文超1，2

，张 彬1，2

( 1 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092;

2 青岛海洋科学与技术国家实验室深蓝渔业工程联合实验室，山东 青岛 266237)

摘要: 鱼类的排泄物及残饲等颗粒物易在管路中沉积造成堵塞，从而影响养殖水舱内水体清洁，并对鱼类造

成不利影响。基于拉格朗日两相流数值模拟技术对排水管路内颗粒物流动特性进行仿真，通过矿浆泵管路

提升试验结果标定了合适的湍流模型及计算方案，并据此开展分析研究。重点分析了颗粒物在不同粒径、不

同进水流速、不同管径下的流动特性。结果显示: 针对排水管路内的颗粒物流动问题，SST k－ω 湍流模型具

有较高的准确性; 颗粒大小对流动影响非常明显，当颗粒足够小时，流体湍动、曳引、萨夫曼力等影响占据主

导作用，而当颗粒达到一定大小后，重力则成为主要影响因素; 就沉积情况而言，颗粒粒径影响最大，管路进

口流速次之，管径的影响最小。

关键词: 排水管路; 颗粒物; 流动特性; 养殖工船; 深远海养殖; 速度云图; 颗粒分布

中图分类号: S965．3 文献标志码: A 文章编号: 1007－9580( 2021) 04－0061－09

深远海大型养殖工船内设有养殖水舱，是

鱼类养殖的主要场所。养殖水舱内产生的鱼粪

及投喂的饲料等颗粒物若不及时排出，容易造

成耗氧过多和有机物污染，水体中氮、磷元素超

负荷导致富营养化，影响养殖水体生态系统的

良性循环［1－2］，因此，需通过水体交换管路对舱

内水体定期进行交换。颗粒物在管路内的流动

是一个典型的多相流问题，目前，该类研究大多

集中在深海采矿、水力采煤、管路通风等领域，

针对养殖工船管路内颗粒流动问题的研究则相

对较少。在舱内水体排出过程中，鱼类排泄及

饲料等颗粒物有可能在管路内形成沉积，长时

间累积造成堵塞，从而影响鱼类养殖; 同时，由

于受到船体内部空间的限制，管路设计相对复

杂。因此，有必要研究养殖工船管路内颗粒物

流动特性，分析管路型式、速度、颗粒物大小等

对颗粒流动的影响。

国内外很多学者采用试验与数值仿真的方法

对颗粒物在管路内的沉积问题进行了大量研究。

夏建新［3］分析了水流沙内颗粒流动应力关系，对

颗粒碰撞项进行修正并开展了数值模拟，取得了

与实测资料一致的结果; 王英伟等［4］、邹燚［5］分

别通过理论计算、试验分析等方法，研究并给出了

粗颗粒在管道中的水击特性; 邹伟生等［6］提出新

型颗粒－均质桨体两相流模型，并采用商用软件

CFX 进行数值模拟，计算结果与试验能够较好吻

合，验证了该模型的准确性; 王凯等［7］针对固液

两相流中颗粒对弯管的冲蚀研究里采用标准 k－ε

模型开展计算分析; 陈云富等［8］、张金萍等［9］针

对通风管路中的颗粒物流动问题，认为 ＲSM 模型

能够更好地反映固体颗粒物的流动特性; Henry

等［10］、Longhitano 等［11］、Eibatsh 等［12］、Sippola

等［13］针对管路内颗粒物在湍流中的沉降问题，对

比分析不同湍流模型的预报准确性。Lin 等［14］针

对管路内颗粒物在湍流中的沉降问题，对比分析

了不同湍流模型的预报准确性; Oesterle 等［15］研

究了拉格朗日时间尺度对平衡湍动剪切流中粒子

耗散的影响; Lukas 等［16］利用欧拉－拉格朗日法

开展了液压储油器内颗粒沉积与再悬浮的数值模

拟与优化，并与试验进行了对比，结果表明数值模

拟能够较好地模拟真实物理现象，从而能有效指

导并优化液压储油器的设计。

渔 业 现 代 化 2021 年

1 数值方法

1．1 基本方程

水体交换管路内的固液两相流采用拉格朗日－

欧拉法进行计算求解［21－22］，其中，离散相( 颗粒即鱼

粪或残饲等) 控制方程采用拉格朗日形式，连续相

( 水) 控制方程采用欧拉形式。假设离散相稳定不可

溶，则颗粒尺寸在流动期间不会发生变化，离散相与

连续相不发生质量传递与相间热传递［20－23］。

颗粒的运动方程由式( 1) 给出［29］:

mp

dvp

dt = Fd + Fp + Fg + Fl ( 1)

式中: vp 为颗粒瞬时速度，m / s; Fd 为颗粒所受曳

力，N; Fp 为压力梯度力，N; Fg 为重力，N; FL 为颗

粒剪切升力，N。

颗粒所受曳力方程为:

Fd = 1

2

Cd ρAp | Vs | Vs ( 2)

式中: Cd 为曳力系数，采用 Schiller －Naumann 方

法计算曳力系数，如式( 3) 所示; ρ 为连续相密度，

kg /m3

; Vs 为颗粒滑移速度，m / s; Ap 为颗粒在其

所受曳力方向上的投影面积，m2

。

Cd =

24

Ｒep

( 1 + 0．15Ｒe0．687

p ) Ｒep ≤ 103

0．44 Ｒep ＞ 10 { 3

( 3)

式中: Ｒep 为颗粒雷诺数。

压力梯度力方程为:

Fp = － VpPstatic ( 4)

式中: Vp 为颗粒体积，m3

。Pstatic为连续相中静

压梯度，Pa /m。

剪切升力方程为:

FL = CL

ρπ

8

D3

( Vs × ω) ( 5)

式中: CL 为升力系数，见式( 6) ; D 为颗粒直径，

m; ω 为旋度。

CL = 4．112 6

Ｒe0．5

s

f ( Ｒep，Ｒes)

f ( Ｒep，Ｒes) = ( 1 － 0．331 4 β0．5

) e －0．1Ｒep + 0．331 4 β0．5 Ｒep ≤ 40

0．052 4( βＲep ) 0．5 Ｒe { p ＞ 40

β = 0．5

Ｒes

Ｒep

( 6)

式中: Ｒes 为剪切流的雷诺数。

1．2 湍流模型

湍流模型的选择对计算结果有较大影响，拟

通过不同湍流模型下的计算结果与试验结果进行

对比，最终选用合适的湍流模型并以此开展计算

分析。

1．3 边界条件

针对连续相，进口采用速度进口边界，出口采

用出流边界。假设颗粒物为标准球形，颗粒物在

速度入口处均匀喷射，喷射速度与连续相相同，颗

粒密度以质量流量描述［17－18，26－28］。壁面采用无

滑移标准壁面函数，假设当颗粒与壁面接触时不

反弹、不分离［8－9，14，24－25］。

2 计算验证

根据吴磊［30］提供的试验结果，采用上述计算

策略进行案例验证，所得结果如图 1 所示。

就计算结果的趋势而言，这 3 种湍流模型均

能正确体现颗粒在管路中的负载流动特性。就其

绝对值而言，采用 k－ε 模型，计算结果与试验结

果最大偏差在 24%左右; 采用 ＲSM 模型，最大偏

差约为 22%; 而采用 SST k－ω 模型，其最大偏差

在 16%左右。整体看，SST k－ω 模型能更好地模

拟颗粒在管路中的负载固液两相流状况。

3 研究对象及参数

3．1 物理模型

养殖舱内的颗粒行程如图 2 所示。养殖舱底

部中央设有出水柱，颗粒物通过排布在出水柱上

方的密集孔洞从养殖舱进入到出水柱内部，再通

过设置在出水柱底部的排水管路，先经水平方向

再竖直方向被输送至溢流水槽，通过溢流水槽底

26

第 4 期 高瑞等: 养殖工船排水管路内颗粒流动特性研究

边上的溢流孔排出船体。

图 1 算例验证结果

Fig．1 Cases for verification

图 2 颗粒行程示意图

Fig．2 Sketch for particle route

抽取排水管路部分，将其进行三维建模并作

为计算域，分析颗粒在管路的流动，其模型如图 3

所示。

图 3 排水管路三维模型

Fig．3 3D model of drainage piping

3．2 离散相与连续相参数

鱼类的排泄物及残饲等颗粒物的直径大致为

0．1 ～ 4 mm，颗粒物平均密度为 1 020 kg /m3

。本

文重点分析不同质量浓度、不同粒径、不同流速及

不同管径情况下的颗粒在管路内流动情况，表 1

给出了计算时不同边界条件下的排列组合。

表 1 不同条件组合下的计算工况

Tab．1 Cases for calculation under different conditions

算例 质量流量/

( kg / s)

颗粒直径/

mm

速度/

( m/ s)

管路

直径/m

工况 1 1．45×10－4 0．1 1．2 0．75

工况 2 1．45×10－4 1 1．2 0．75

工况 3 1．45×10－4 2 1．2 0．75

工况 4 1．45×10－4 3 1．2 0．75

工况 5 1．45×10－4 4 1．2 0．75

工况 6 1．45×10－4 1 1．4 0．75

工况 7 1．45×10－4 1 1．6 0．75

工况 8 1．45×10－4 1 1．8 0．75

工况 9 1．16×10－4 1 1．2 0．65

工况 10 0．87×10－4 1 1．2 0．70

工况 11 0．58×10－4 1 1．2 0．80

工况 12 1．74×10－4 1 1．2 0．85

4 结果分析

4．1 计算收敛性

由图 4 可知，残差曲线随迭代步数单调递减，

其连续性收敛曲线达到 1×10－5

，而监测面( 管路

进口、出口) 的平均压差随计算迭代也趋于稳定，

可见计算结果收敛性很好。

4．2 流场整体特性

以工况 3 为例。首先给出水在管路内的流动

情形( 图 5) ，由图 5 可知，在 X 方向的平直段内，

水体经过充分发展，截面处速度等值线呈现由中

心向外壁递减的合理趋势; 而随着管路由 X 方向

转为 Y 方向后，由于水体在转弯处产生涡流，管

内水体在 Y 方向靠近外径壁面处呈较高流速( Y =

3 m) ，经过一段时间的发展后，速度分布逐渐趋

于平均( Y = 5 m) ，而随着管路再一次由 Y 方向转

向 Z 方向后，高速区再一次向 Z 方向的外径处聚

拢( Y = 7 m) ; 在 Z 方向上，由于旋流的作用，管内

水体的流速分布随着水位的升高向正时针方向旋

转，直至最终流出计算区域。

36

渔 业 现 代 化 2021 年

图 4 计算收敛曲线

Fig．4 Convergence curve

图 6 给出了不同截面处的颗粒分布情况。

在 X 方向上，颗粒物在入口处均匀喷射至计算

域内，由于重力的影响，颗粒在流动过程中逐渐

向下沉积，但由于该方向上的流动较为平缓，因

此颗粒分布比较规整; 在由 X 方向转至 Y 方向

后，颗粒大部分位于管路截面下半部分，这与连

续相的速度分布差别较大，说明颗粒与连续相

产生了较大的相间滑移; 而当流动经 Y 方向转

至 Z 方向后，靠近外径处的颗粒分布基本不变，

而靠近内径处的颗粒在旋流的影响下做伴流

运动。

图 5 与图 6 分别展示了连续相与离散相在管

路内的流动特性。整体而言，在未经过转向的直

通管路内，颗粒的随水性较好，其分布特性与水的

流速分布情况呈明显的强相关性。而经过一次转

向后( X 向转 Y 向) ，水的流动特性在此遭到破

坏，颗粒主要受惯性力与重力影响。在经过二次

转向( Y 向转 Z 向) 后，由于管路在 Z 方向上较

长，流体在此经过充分发展后，其对颗粒的运动影

响再次占据主导地位。

4．3 不同粒径特性

颗粒大小与流场特性密切相关，一般来说颗

粒越小，随水性能越好，即流动过程中发生沉积的

可能性越小。图 7 显示了不同粒径在相同截面处

( Y = 5 m) 及相同流速下( V = 1．2 m / s) 的粒子分布

图，随着粒径的增加，颗粒发生沉积的概率也随之

增大，体现在图中则是随着粒径的增加，颗粒数量

越来越少。

一般可用无量纲沉积速度 u+

d 与无量纲豫驰

时间 τ

+

来衡量颗粒在管壁处的沉积影响。

46

第 4 期 高瑞等: 养殖工船排水管路内颗粒流动特性研究

图 5 水在管路内的速度云图

Fig．5 Fluid velocity nephogram in the pipeline

无量纲沉积速度见式( 7) :

u +

d = J

Caveu* ( 7)

式中: J 为颗粒至壁面的平均通量，kg /( m2

·s) ;

Cave为颗粒平均质量浓度，kg /m3

; u* 为摩擦速度，

m / s。

无量纲豫驰时间见式( 8) :

τ + = Cc ρp d2

pμ* 2

18vμ

( 8)

式中: Cc为坎宁汉修正系数，见式( 9) ; ρp为颗粒

密度，kg /m3

; dp 为颗粒直径，m; μ 为流体动力黏

度，N·s /m2

; v 为流体运动黏度，m2 / s。

Cc = 1 + Kn( 1．257 + 0．4e －1．1

Kn ) ( 9)

Kn = 2μ

0．499ρp dp v

式中: v 为颗粒速度，m / s; Kn 为努森数。

图 8 为不同直径下的颗粒在管壁 X、Y、Z 方

向上的无量纲沉积速度与豫驰时间的关系。由图

8 可知，颗粒的无量纲沉积速度与粒径成正比，颗

粒越大则沉积速度越大，意味着发生沉积的概率

也越大。管壁中发生沉积的地方主要集中于一次

转弯后的 Y 方向，这是因为流体在经过弯管后产

生旋流，因此截面流动速度分布不均匀( 图 5) ，从

而产生径向脉动。此外，该图还表明颗粒在管路

流动中，其粒径大小对沉积速度的影响。当粒径

不大于 3 mm 时，X、Y、Z 方向上的无因次沉积速

度随豫驰时间的曲线斜率变化不大; 当粒径由

3 mm增至 4 mm 时，其斜率陡然变小。产生这种

现象的原因在于当颗粒在管路内流动时，主要受

到流体湍动、曳引、重力、萨夫曼力等影响。当粒

径较小时，流体湍动及曳力影响占据主导作用，而

随着粒径的增大，重力占据越来越重要的作用。

针对本文所研究对象，主导影响的分界线在颗粒

直径 3 ～ 4 mm 之间。

56

渔 业 现 代 化 2021 年

图 6 管路不同截面处的颗粒分布

Fig．6 Particle distribution in different sections of the pipeline

图 7 不同粒径的颗粒在 Y = 5 m 截面处的分布

Fig．7 Distribution of particles with different sizes at

Y= 5 m section

图 8 不同直径的颗粒在管壁 X、Y、Z 方向上

无量纲沉积速度的比较

Fig．8 Comparison of dimensionless deposition velocity

of different diameters of particles in

X，Y，Z directions of pipe wall

颗粒沉积情况可用沉积率表示，其定义如式

( 10) :

66

第 4 期 高瑞等: 养殖工船排水管路内颗粒流动特性研究

η = Nin － Nout

Nin

( 10)

式中: Nin为入口处颗粒数量; Nout为出口处颗粒逃

逸数量。

图 9 给出了不同直径的颗粒在相同流速及颗

粒投放速度下的沉积情况，由图可见，颗粒沉积与

颗粒直径呈现明显的正相关性。

图 9 颗粒直径与沉积关系

Fig．9 Ｒelationship between particle diameter and deposition

4．4 不同流速特性

图 10 显示了不同流速下，相同粒径( 1 mm)

在 Y = 5 m 截面处的颗粒分布。由图 10 可知，液

体流速的变化对颗粒在管路内的流动分布并未有

显著影响，改变的主要还是颗粒速度本身。

图 10 不同流速下的颗粒在 Y=5 m 截面处的分布

Fig．10 Distribution of particles of different velocity at

Y= 5 m section

图 11 为颗粒在不同流速下，管壁各方向上的

无量纲沉积速度。由图 11 可知，X、Y 方向上的沉

积速度远大于 Z 方向上的沉积速度，表明此粒径

下的沉积主要受到重力影响，而受湍流波动的影

响相对较小，颗粒主要沉降在水平面上。随着流

速的增加，各个方向上的沉积速度均有所减小，表

明随着水流速度的增加，颗粒随水性能得以改善，

水的流动对颗粒特性占据越来越重要的主导作

用。这一特性也表明，颗粒的沉积与水流速度成

反比，流速越大，颗粒沉积的概率越小。

图 11 不同流速下颗粒在管壁 X、Y、Z 方向上

无因次沉积速度的比较

Fig．11 Comparison of dimensionless deposition velocity of

particles in X，Y，Z directions of pipe wall at

different velocity

4．5 不同管径特性

图 12 显示了不同管路直径在进口流速

1．2 m / s、粒径 1 mm 情况下的颗粒沉积情况。可

见，相对于颗粒大小、进口流速等因素，管径对颗

粒流动和沉积的影响相对较小。

图 12 管径与沉积关系

Fig．12 Ｒelationship between pipe diameter and deposition

76

渔 业 现 代 化 2021 年

对于养殖工船这种在深远海进行鱼类养殖的

船体平台，内部空间极其宝贵，管径不作为颗粒沉

积的主要因素，对船体布置及设计而言，无疑是一

个有利因素。

5 管路优化

由上文分析可知，颗粒主要沉积区域为管路

一次转向区域( X 向转 Y 向) ，且颗粒沉积与流体

流速成反比。若不改变颗粒直径与液体流率，要

想减少颗粒沉积，就管路而言，可能的办法是通过

改变管路的截面积，增大液体当地流速。根据这

一思路，在 Y 方向上做了收腰设计，减小了 Y 方

向上的截面面积，原设计与收腰设计如图 13 箭头

所示。

针对收腰管路开展仿真计算并与原设计进行

对比，沉积率由 52．14%降至 48．20%。可见，将管

路收腰后，颗粒的沉积确实有了一定程度的降低，

说明该思路能够对减少沉积产生积极效果。

图 13 管路在 Y 方向上的调整

Fig．13 Adjustment of pipeline in Y direction

6 结论

针对养殖工船排水管路内的颗粒物流动模

拟，开展了不同湍流模型的可靠性对比验证，结果

显示: SST k－ω 模型具有较高的准确性，整体计算

方案合理可行。颗粒大小对流动影响非常明显，

当颗粒足够小时，流体湍动、曳引、萨夫曼力等影

响占据主导作用，而当颗粒达到一定大小后，重力

则成为主要影响因素。就本研究对象而言，颗粒

作用力的分界线在粒径 3 ～ 4 mm 之间。就沉积情

况而言，颗粒粒径影响最大，管路进口流速次之，

管径的影响最小，管径的影响微小，对船体空间狭

小而言是个有利因素。 □

参考文献

［1］ 崔铭超，金娇辉，黄温赟．养殖工船系统构建与总体技术探

讨［J］．渔业现代化，2019，46( 2) : 61－66．

［2］ 吴宗文，张健，张羽熙，等．网箱鱼类排泄物收集碳汇系统与

生态效能研究［J］．中国渔业经济，2010( 5) : 85－93．

［3］ 夏建新，韩鹏．水沙流中离散颗粒流动应力关系［J］．力学学

报，2004( 2) : 213－217．

［4］ 王英伟，曹华德，曹斌，等．含粗颗粒固体物料在垂直管流中

水击规律［J］．应用基础与工程科学学报，2014，22( 5) : 909

－915．

［5］ 邹燚．粗颗粒固液混合物在管流中水击特性研究［D］．北京:

中央民族大学，2016．

［6］ 邹伟生，卢勇，李哲奂．深海采矿提升泵的数值模拟分析［J］．

湖南大学学报( 自然科学版) ，2013，40( 6) : 59－63．

［7］ 王凯，李秀峰，王跃社，等．液固两相流中固体颗粒对弯管冲

蚀破坏的位置预测［J］．工程热物理学报，2014，35( 4) : 691

－694．

［8］ 陈云富，张程宾．弯管内颗粒物流动特性研究［J］．建筑热能

通风空调，2016，35( 2) : 53－56．

［9］ 张金萍，李安桂．方形通风管路中粒子沉积的拉格朗日模拟

［J］．暖通空调，2006，36( 6) : 10－17．

［10］HENＲY C，MINIEＲ J P． Progress in particle resuspension from

rough surfaces by turbulent flows［J］． Progress in Energy and

Combustion Science，2014，45: 1－53．

［11］LONGHITANO M， PＲOTASE A， MUＲＲENHOFF H．

Experimental investigation of the air release in hydraulic

reservoirs［C］．10th International Fluid Power Conference: Vol 1．

Dresden: Technische Universitt Dresden，2016: 597－608．

［12］EI －BATSH H，HASELBACHEＲ H． Numerical investigation of

the effect ash partide deposition on the flow field through turbine

cascacles［C］．ASME Turbo Expo 2002: Power for Land，Sea，and

Air: Vol 5．Amsterdam: ASME，2002: 1035－1043．

［13］SIPPOLA M Ｒ，NAZAＲOFF W W． Experiments measuring

particle deposition from fully developed turbulent flow in

ventilation ducts［J］． Aerosol Science and Technology，2003，38

( 9) : 914－925．

［14］LIN T，AHMADI G．Particle deposition in turbulent duct flows－

comparisons of different model predictions［J］．Journal of Aerosol

Science，2007，38( 4) : 377－397．

［15］BENOIT O，LEONID Z．On Lagrangian time scales and particle

dispersion modeling in equilibrium turbulent shear flows［J］．

Physics of Fluids，2004，16( 9) : 3374－3384．

［16］LUKAS M，MANHAＲTSGＲUBEＲ B． Euler － Lagrange CFD

simulation and experiments on accumulation and resuspension of

particles in hydraulic reservoirs［J］．Journal of the Brazilian Society

of Mechanical Sciences and Engineering，2020，42( 4) : 1－17．

［17］CHU K W，KUANG 5 B，YU A B，et a1．Prediction of wear and

its effect on the multiphase flow and separation performance of

dense medium cyclone［J］．Minerals Engineering，2014，56( 2) :

91－101．

［18］QIU L C，WU C Y． A hybrid DEM /CFD approach for solid －

liquid flows［J］．Journal of Hydrodynamics，Ser．B，2014，26( 1) :

19－25．

86

第 4 期 高瑞等: 养殖工船排水管路内颗粒流动特性研究

［19］昌泽舟，BEＲLEMONT A，GOUESBET G．气固两相流中颗粒

弥散的拉格朗日模拟［J］．计算力学学报，2001，18( 3) : 284

－289．

［20］YOUNG Ｒ M，HAＲGATHEＲ M J，SETTLES G S． Shear stress

and particle removal measurements of a round turbulent air jet

impinging normally upon a planar wall ［J］． Journal of Aerosol

Science，2013，62: 15－25．

［21］刘向军，石磊，徐旭常．稠密气固两相流欧拉一拉格朗日的研

究现状［J］．计算力学学报，2007，24( 2) : 166－172．

［22］THOMSON D J．Criteria for the selection of stochastic models of

particle trajectories in turbulent flows［J］． Fluid Mech，1987，

180: 520－556．

［23］ZBOGAＲ A，FＲANDSEN F，JENSEN P A，et al．Shedding of ash

deposits［J］．Progress in Energy and Combustion Science，2009，

35: 31－56．

［24］安朴艳，庄晨，胡德安．竖直通风管路内颗粒物沉积数值仿真

研究［J］．计算机仿真，2016，33( 11) : 194－198．

［25］卓俊，黄流兴，牛胜利，等．湍流边界层中颗粒物扩散的双拉

格朗日模拟计算［J］．现代应用物理，2016，7( 3) : 63－68．

［26］过江，张碧肖．固—液两相流充填管道输送冲蚀磨损数值研

究［J］．科技导报，2015，33( 11) : 49－53．

［27］刘洪涛，张力．微细颗粒壁面沉积的数值研究［J］．工程热物

理学报，2010，31( 3) : 431－434．

［28］韩云龙，殷传慧，胡永梅．通风管道结构形式对颗粒物沉积的

影响［J］．过程工程学报，2015，l( 15) : 40－44．

［29］黄社华，李炜，程良骏．任意流场中稀疏颗粒运动方程的数值

解法及其应用［J］．水动力学研究与进展，1999( 1) : 51－63．

［30］吴磊．粗颗粒固液两相管流的数值模拟［D］．杭州: 杭州电子

科技大学，2010．

Study on flow characteristics of particles in

drainage piping of aquaculture ship

GAO Ｒui1，2

，HUANG Wenchao1，2

，ZHANG Bin1，2

( 1 Fishery Machinery and Instrument Ｒesearch Institute，Chinese Academy of

Fishery Sciences，Shanghai 200092，China;

2 Joint Laboratory for Deep Blue Fishery Engineering，Qingdao National Laboratory for

Marine Science and Technology，Qingdao 266237，Shandong，China)

Abstract: Particles such as fish excretion and residual feed are easy to deposit in the pipeline and cause

blockage，thus affecting the cleaning of water in aquaculture tank and causing adverse effects on fish． Based on

the numerical simulation of Lagrangian two－phase flow，the flow characteristics of particles in drainage piping

are simulated，the suitable turbulence model and calculation scheme are calibrated based on the slurry pump

pipe lifting test results，and the analysis and research are carried out accordingly． The flow characteristics of

particles under different particle size，flow velocity and pipe diameter are analyzed． The results show that the

SST K － ω turbulence model has high accuracy for the particle flow in the drainage piping．The influence of

particle size on flow is very obvious．When the particles are small enough，the turbulence，drag and saffman

force play a dominant role．When the particles reach a certain size，gravity becomes the main factor．For particle

deposition，the influence of particle size is the largest，followed by inlet velocity，and the influence of pipe

diameter is the least．

Key words: drainage piping; particles; flow characteristics; aquaculture ship; deep sea aquaculture; fluid

velociy nephogram; particle distribution

96

第 48 卷第 5 期 渔 业 现 代 化 Vol．48 No．5

2021 年 10 月 FISHEＲY MODEＲNIZATION Oct．2021

DOI: 10．3969 /j．issn．1007-9580．2021．05．005

收稿日期: 2021-03-08

基金项目: 山东省重大科技创新工程专项“船载舱养环境构建与控制技术研究”( 2018SDKJ0303－2) ; 国家现代农业产业技术体系( CAＲS

－47－G20)

作者简介: 管崇武( 1980—) ，男，副研究员，研究方向: 渔业水体净化技术研究。E－mail: guanchongwu@ fmiri．ac．cn

底推流量对养殖工船分隔式舱养系统水质影响的初步研究

管崇武1

，张宇雷1，2

，张成林1，2

( 1 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，农业农村部渔业装备与工程技术重点实验室，上海 200092;

2 青岛海洋科学与技术试点国家实验室，山东 青岛 266237)

摘要: 为探讨养殖鱼舱在海上摇摆晃荡条件下鱼舱内部水体流动特性，设计了一套底推流分隔式的模拟舱养

系统。该系统主要由离池底 1 m 处铺设的隔离网和隔离网下方放置的 4 台推流泵等养殖系统设施和装备组

成，通过分析不同底推流量对试验系统水中氨氮质量浓度和浊度等水质指标的影响，取得适宜底推流量，并

以此参数开展验证试验，与高换水量的对照池进行对比分析。结果显示: 试验池表层和底层水中氨氮质量浓

度的去除效果与底推流量呈正相关关系，在底推流量达到 160 m3 /h 时达到最佳去除效果，分别达到 68．02%

和 58．68%; 进水流量为 40 m3 /h 并在每次投喂时开启 1 h 底推流量为 160 m3 /h 推流泵的试验池，与进水流

量为 120 m3 /h 无底推流的对照池在为期 1 个多月的养殖期间，两者在氨氮质量浓度、浊度和水色等水质指

标方面均无显著差异，表明该底推流分隔式模拟舱养系统在进水流量降低 70%左右也能达到较好水质调控

效果。该舱养模拟系统可为后续探索优化适合海上复杂工况的养殖鱼舱工艺设计及为海上大型工船养殖模

式构建提供参考。

关键词: 养殖工船; 舱养系统; 深远海养殖; 底推流; 氨氮; 浊度; 水色

中图分类号: S953．9; S967．9 文献标志码: A 文章编号: 1007－9580 ( 2021) 05－0036－07

经过多年的探索，中国的渔业发展方针已明

确从“以捕为主”向 “以养为主”的模式转变［1］。

2014 年世界水产养殖产量超过了捕捞产量，成为

渔业生产的主体［2－3］。中国海水养殖存在布局不

合理、生产方式对环境影响较大等问题，为了加快

产业转型升级，向深远海水域拓展养殖新空间，发

展以养为主的海洋渔业新型生产方式，是渔业发

展突破生态环境和自然资源约束性挑战、培育新

动能的重要战略方向［4－5］。20 世纪 80 ～ 90 年代，

一些发达国家如挪威、日本等国已经出现海上工

业化养鱼［6－7］，目前中国也开始了大型养殖平台

的研发工作，但相关的学术研究还较少［8］。崔铭

超等［9］系统地研究了封闭舱养式养殖工船的构

建与总体技术，并开展船舶横摇和纵摇运动对养

殖鱼舱中流场的影响研究［10－11］。肖凯隆等［12］研

究了封闭舱养式养殖工船液舱晃荡与船体运动的

耦合。韩冰等［13］开展了养殖工船自航工况及系

泊作业工况下的耐波性能研究。高瑞等［14］进行

养殖水舱横摇激励下的适鱼性影响情况研究。上

述研究主要关注船体设计方面，对于养殖水舱具

体养殖过程中涉及的问题牵扯较少。大型养殖工

船属于新兴事物，船载养殖系统实际应用缺少基

础和经验的支撑［10］。

本研究依据早期研究成果，在陆基条件下模

拟构建一套养殖工船上的舱养系统，通过设计构

建隔离网和底部推流泵来实现养殖与舱内残饲和

粪便的快速排出，分析底推流流量参数对池内水

质指标的影响，确定适宜推流流量，并以此为基础

进行不同换水量条件下对养殖水质的净化效果对

比试验，为后期养殖工船设计提供参考和基础数

据支撑。

1 材料与方法

1．1 试验系统

试验系统构建于山东国信东方( 烟台) 循环

水鲑鱼养殖基地的养殖车间内，设置试验池和对

第 5 期 管崇武等: 底推流量对养殖工船分隔式舱养系统水质影响的初步研究

照池各 1 口，池呈方切角状，单个池的规格为 9 m

×9 m×3．5 m( 长×宽×高) ，有效养殖水体 240 m3

。

试验池切面图如图 1 所示，在离池底 1 m 高处铺

设一圈隔离网，隔离网宽 2．4 m，倾角 5°，隔离网

下方 4 个角落放置 4 台反冲水泵( CAL32－10－1

1．5kW) 用于制造反冲洗水流; 对照池则无铺设隔

离网和反冲水泵，其他与试验池一致。

1．2 养殖对象

选用的大西洋鲑来自国信东方( 烟台) 循环

水鲑鱼养殖基地。平均每个池放养 392 条，每条

鱼平 均 质 量 ( 2． 79 ± 0． 23 ) kg，平 均 养 殖 密 度

4．21 kg /m3

，试验时投喂量为 1． 6 kg /d。于 2020

年 4 月 29 日将鱼移入试验系统，5 月 8 日开始试

验，整个试验周期约 2 个月。

1．3 试验设计

1．3．1 隔离网对池内水流量的影响

为了验证隔离网对池内水流的流速影响效

果，采用多普勒测速法进行检验。对照池设定进

水流量 120 m3 /h，通过两根对角放置的进水管按

每个 60 m3 /h 的流量进水; 试验池通过 1 根进水

管按 40 m3 /h 的流量进水，并设定隔离网下方 4

个推流泵按每个 10 m3 /h 和 20 m3 /h 两种底推流

量状态开启。采用 Flow Tracker 手持式声学多普

勒流速仪在试验池中间轴线方向，按离池壁 1 m、

2 m、3 m，再按离池底 0．6 m、1．2 m、1．8 m 和 2．4 m

处进行采样检测流速量，检测点分布位置如图 1

所示，共设置 24 个采样点。在设定流量稳定运行

1 d 后，在上述各检测点检测 5 min 后，记录实测

流速值。为保证试验准确性和稳定性，在各检测

点检测进行 5 次重复检测。

图 1 采样点设置

Fig．1 Sampling points setting

1．3．2 底推流量对水质的影响

为了验证隔离网下推流泵的底推流量对水质

的净化影响效果，采用对比试验池的表层和底层

氨氮质量浓度和浊度等水质指标的变化情况分析

其影响效果。试验池的养殖密度为 4．5 kg /m3

，按

每天早晚各投喂 1 次，每次投喂饲料量为 1 kg。

设定试验池的进水流量为 40 m3 /h，在每次投喂

时开启 4 台推流泵，开启 2 h 后关闭推流泵，通过

设定每台 推 流 泵 的 流 量( 按 0 m3 /h、20 m3 /h、

30 m3 /h和 40 m3 /h 的流量) 进行推流，分析不同

底推流量对水质的作用影响。在开始投喂后 0

h、0．5 h、1 h 和 2 h 时，分别在离池壁 1 m、离池

底0．5 m处采集底部水样 A，在离池壁 1 m、离水

面下 0．5 m 处采集顶部水样 B，采集方法通过固

定水泵定点抽吸方式。为保证试验准确性和稳

定性，各不同流量试验组分别进行 3 次 重 复

试验。

1．3．3 隔离网底推养殖系统的水质变化

为了验证隔离网底推养殖系统在实际养殖过

程中的水质净化效果，试验池设定进水流量为

40 m3 /h，在每次投喂时开启 1 h 的推流泵，底推

流 量 为 160 m3 /h。 试验池的养殖密度为

4．5 kg /m3

，按每天早晚投喂 2 次，每次投喂饲料

量为1 kg。对照池的养殖密度和投喂量与试验池

一致，进水流量为 120 m3 /h。在每天早上喂食 1

h 后在各池的离池壁 1 m、离池底 0．5 m 处采用水

泵定点抽吸的方式进行采样，进行氨氮、浊度、水

色、溶氧等指标检测。

1．4 水质检测方法和数据处理

水温、溶氧等常规水质参数使用 YSI ODO 光

学溶氧仪检测; 氨氮质量浓度的检测使用水杨酸分

光光度法( HJ 536—2009)

［15］; 水色的检测使用 Pt－

Co 标准比色法( GB/T 11903—1989)

［16］; 浊度的检

测采用分光光度法( GB /T 13200—1991) ［17］，流

速的检测使用 Flow Tracker 手持式声学多普勒流

速仪检测，进水流量的检测使用电磁流量计检测。

使用 SPSS Statistics 20 统计软件对数据进行

处理及统计分析，使用独立样本 T－检验进行差异

性比较，检验显著水平 P = 0．05，结果用平均值±

标准 差 ( Mean ± SD) 表 示，图 表 用 Excel 2016

绘制。

37

渔 业 现 代 化 2021 年

2 结果

2．1 底推流速对隔离网养殖系统的水流流速分

布影响

图 2 为对照池各检测点位流速值分布情况，在

进水流量 120 m3 /h 时，离池底 1．2 m 处靠近池壁处

流速值最高，即 Ba 采样点和 Bf 采样点处，分别达到

( 21．16±4．86) cm/s 和( 19．98±3．66) cm/s; 靠近中心区

流速值偏低，均在 12 cm/s 以下; 其他 A、C 和 D 这 3

个不同水层检测点的流速值基本呈较为均一的分

布，数值在 8．38～13．90 cm/s 的范围内。

图 2 进水流量为 120 m3 /h 时对照池各采样点的

水流流速分布

Fig．2 The distribution of flow velocity at sampling points

of the control tank when the inlet flow is 120 m3 /h

图 3 为试验池在进水流量 40 m3 /h 条件下，

底推流 量 分 别 为 40 m3 /h ( 10 m3 /h × 4 台) 和

80 m3 /h( 20 m3 /h×4 台) 时，池内不同位置的水流

速度分布情况。可以看出在水平方向上，池内流

速分布呈离池壁距离近的流速值比靠近中心位置

的高; 在垂直方向上，在靠近池壁位置离池底越远

流速值越低。在底推流量为 80 m3 /h 条件下，不

同水平位置大部分以离池底距离为 1．8 m 处即 C

水层的流速值最高; 底推流量的加大，会导致池内

整体流速值的增大。A 水层和 B 水层分别位于隔

离网的上下两个区域，其流速值在底推流量为

40 m3 /h 时，两者间无明显差异; 但在底推流量为

80 m3 /h 时，A 水层处的流速值高于 B 水层，表明

隔离网底部的推流有利于底部区域水流流速的增

快，可能会加速池底颗粒物向中心排污管运动，有

助于池底污物的聚集和排出。

图 3 底推流速对试验池各采样点的水流

流速分布

Fig．3 Influence of bottom pushing velocity on flow velocity

distribution of sampling points in experimental tank

总体而言，进水流量高的池内水体流速值也

呈较高水平，在高进水流量条件下，池内水体的流

速值相对混合比较均匀，无明显的分区域分布趋

势; 在低进水流量条件下，提高底推流量将有助于

隔离网上下两层水流速值差异化分布。

2．2 底推流速对水质的作用影响

2．2．1 底推流速对池中氨氮质量浓度的作用

影响

图 4 为进水流量为 40 m3 /h 时 4 种不同底推

流量对试验池中表层和底层水体的氨氮质量浓度

变化情况。从图 4 可以看出，水体中氨氮质量浓

度去除效果随着底推流量的加大而增强。在开启

推流时长为 0．5 h 时，各不同推流量的试验组大

部分都表现出氨氮质量浓度上升的趋势，并且随

着推流量的加大上升幅度加强，在底推流量为

38

第 5 期 管崇武等: 底推流量对养殖工船分隔式舱养系统水质影响的初步研究

160 m3 /h 的条件下，表层和底层的水中氨氮质量

浓度 值 相 对 于 初 始 值 分 别 上 升 22． 09% 和

47. 31%。在开启推流时长为 1 h 时，不开推流和

底推流量为 80 m3 /h 的试验池中底层水的氨氮质

量浓度尚高于初始值，其他均显著下降，以底推流

量为 160 m3 /h 时去除效果最佳，表层和底层的水

中氨 氮 质 量 浓 度 值 相 对 于 初 始 值 分 别 去 除

68. 02%和 58．68%。在开启推流时长 2 h 时，各组

氨氮质量浓度均低于初始值，但对氨氮质量浓度

的去除效果与 1 h 时相接近。

图 4 换水量为 40 m3 /h 时 4 种不同推流量对试验

池中表层和底层水体的氨氮质量浓度变化

情况

Fig．4 The change of ammonia nitrogen concentration in the

surfaceand bottom water of the experimentaltank under

four different pushing flow rates when the water

exchange rate is 40 m3 /h

2．2．2 底推流速对池中浊度的作用影响

图 5 为进水流量为 40 m3 /h 时 4 种不同底推

流量对试验池中表层和底层水体的浊度变化情

况。对于浊度下降效果而言，底推流量 160 m3 /h

的试验组随着时间的增加表现出明显的下降趋

势，其他 3 种条件均表现出中途有升高的状态，可

能是推流将原沉淀的污物搅起导致。表层水中浊

度相对于底层无明显变化，在开推流时长 2 h 时，

推流 量 分 别 为 0 m3 /h、80 m3 /h、120 m3 /h 和

160 m3 /h 条件下底层水中浊度分别为初始值的

43．09%、65．32%、72．31%和 36．61%，以推流量为

160 m3 /h 对池中浊度去除效果最佳。

图 5 换水量为 40 m3 /h 时 4 种不同推流量对试验

池中表层和底层水体的浊度变化情况

Fig．5 Turbidity changes of surface water and bottom water

in the experimentaltank under four different pushing

flow rates when the water exchange rate is 40 m3 /h

2．3 隔离网底推养殖系统的水质变化情况

在为期 1 个多月的养殖试验期间，试验池与

对照池的水质情况如图 6 所示。试验池的氨氮质

量浓度为 0．007～0．087 mg /L，平均值为( 0．046±0．

024 ) mg /L，对照池的氨氮质量浓度为 0．012 ～ 0．

094 mg /L，平均值为( 0．040±0．023) mg /L; 试验池

的浊度为 0．231～0．850 NTU，平均值为( 0. 504±0．

39

渔 业 现 代 化 2021 年

190) NTU，对照池的浊度为 0．191 ～ 0. 805 NTU，平

均值为( 0．380±0．180) NTU; 试验池的水色为 1 ～

8．3 mg /L PtCo，平均值为( 3．9±2. 0) mg /L PtCo，对

照池的水色为 1 ～ 9 mg /L PtCo，平均值为( 3．8±2．

5) mg /L PtCo。通过独立样本 T 检验，试验池与

对照池的氨氮质量浓度、浊度和水色均无显著性

差异( P＞0．05) 。表明采用底推流与隔离网结合

的方式，在换水流量降低 70%条件下，也能达到

较好水质调控效果，可以有效解决无稳定旋转流

态鱼池中排污和调控水质的问题。

图 6 试验池和对照池的水质对比情况

Fig．6 Comparison of water quality between experimental tank

and control tank

3 讨论

3．1 分隔式舱养模拟系统流态分析

开展养殖工船构建技术研究是当前研究热点

之一，船载养殖舱内的水体在船体摇摆作用下产

生晃荡作用，对舱内的水流和颗粒物的集排污形

成的较大影响，但目前养殖舱晃荡对水流速与流

态的影响鲜有研究［10］。宋协法等［8］研究发现养

殖池内水体速度呈对称分布，水流速度由池壁向

池中心逐渐减小，池中心存在一定规模死水区，会

影响水舱的排污能力。崔铭超等［10］研究发现舱

内产生围绕横摇轴旋转的水流，在轴中心位置仍

存在低速区。本试验研究结果与上述研究相同，

对照池的进水流速远大于试验池，池内各检测点

的流速均高于试验池，而且池内水平方向水流速

度呈池壁往池中心减小的趋势，但垂直方向无明

显变化规律。底推流的推流流量对试验池的水流

流速影响较大，随着底推流速的增大，其向前推动

水体流动的强度就越大，在隔离网上下两层有明

显分层现象，有利于养殖池底部沉积的沉积污物

( 残饲、粪便等) 排出。

关于养殖池的水体流速分布规律已有相关报

道，早在 1989 年，杜汉斌等［18］研究圆形鱼池进水

设施与流速排污的问题，指出排污的关键是使池

底各点的流速都大于污物的止动流速。Davidson

等［19］比较了双排水养殖系统的流速分布，提出 1．

3～1．7 min 的旋转周期为从双排水系统中排出池

底污物的最佳水速。Oca 等［20］提出循环水养殖

池的流场特性受流速、水深、进水量与出水量的影

响。于林平等［21］通过流体力学仿真技术研究了

单进水管结构对单通道圆弧角养殖池水动力特性

的影响，研究表明进水管采用圆弧角位置布设，日

循环次数为 100 ～ 120 次/d 时，养殖池内尤其是

底部能达到较优流场状态。赵乐等［22］研究发现

工厂化养殖池内水体的流场分布特性直接决定了

其对残饵、粪便等的排污性能，在射流角度固定的

情况下，射流速度越大，池心低流速区域越小，污

物向池心的聚集效果越好。本研究表明，推流流

量从 40 m3 /h 提高到 80 m3 /h 时，A 处流速从( 3．

74±0．72) cm /s 上升至( 6．12±0．66) cm /s，略低于

于林平［21］研究中得到的平均流速 7．3 ～ 8. 2 cm /s

有利于残饲粪便向排污口汇聚迁移，因此在后续

试验中推流流量为 160 m3 /h。

针对隔离网用于养殖系统水层的分隔研究尚

无报道。田昌凤等［23］设计了分隔式循环水池塘

养殖系统，进行吃食性鱼类养殖区和滤杂食性鱼

类养殖区的分隔。这与本研究设计理念不完全相

同，本隔离系统是垂直方向进行上下水层分隔，其

为水平方向进行左右位置的分隔。Cui 等［24］开展

双层网底鲆鲽网箱耐流特性的数值模拟研究，发

现双层网底鲆鲽网箱的网底结构在水流作用下会

发生倾斜与转动。众多国内外学者［24－26］对水流

下网衣的水动力特性进行了许多研究，表明网衣

会产生一定阻流效应，形成流速的明显衰减。本

研究中隔离网与水平方向呈 5%夹角布置，A 处流

速比 B 处平均高 24%，表现出一定程度的阻流效

应，这与赵云鹏等［27］研究结果相近，隔离网上下

水流流速变化规律也与刘超等［28］发现的网箱系

统内部与周围流场分布及流速变化规律相符。

40

第 5 期 管崇武等: 底推流量对养殖工船分隔式舱养系统水质影响的初步研究

3．2 分隔式舱养模拟系统运行效果分析

本研究采用浊度来反映水中悬浮颗粒物的变

化情况。浊度指水体中悬浮物质的含量，既反映

水的表观质量，又反映水的内在质量［29］。它并不

能直接表示水中悬浮物杂质颗粒的具体含量，但

能通过其数值的变化反应水中悬浮颗粒数量的变

化趋势［30］。在本研究中试验池与对照池的浊度

变化无显著差异，表明采用分隔式底推流技术可

以实现养殖池的有效集排污。

养殖系统的电费支出在养殖成本中占了相当

大的比例［31］，在水质指标保持相对稳定条件下，

本舱养模拟系统换水量可以从 120 m3 /h 降低至

40 m3 /h，按流量 40 m3 /h 扬程 9 m 潜水泵功率

2. 2 kW 计，流量 120 m3 /h 潜水泵功率要 7．5 kW，

推流泵按每台 1．5 kW 计，对照池每天运行能耗 180

kWh，试验池每天运行能耗 64．8 kW/h( 4 台推流泵

开启 2 h /d) ，每天运行能耗降低 115．2 kWh。从运

行成本上来看，舱养模拟系统相对于传统流水养

殖方式具有良好的节能效果。

4 结论

设计了一套在养殖池底部设置分隔网和 4 台

推流泵构建的舱养模拟系统，研究了底推流量对

系统流速和水质的影响，并与传统高进水流量的

流水养殖池进行对比。提高推流的流量将有助于

隔离网上下两层水流速值差异化分布，有利于养

殖池底部沉积的沉积污物( 残饲、粪便等) 排出;

底推流量与水质净化效果呈正相关关系，在相同

进水流量条件下，以底推流量为 160 m3 /h 时对水

质净化效果最佳; 进行为期 1 个多月养殖对比试

验，进水流量为 40 m3 /h 的舱养模拟系统水质指

标与进水流量为 120 m3 /h 的对照池无显著差异，

表明该舱养模拟系统可有效降低运行换水量，具

有良好节能效果。 □

参考文献

［1］ 唐启升，丁晓明，刘世禄，等．我国水产养殖业绿色、可持续发

展战略与任务［J］．中国渔业经济，2014，32( 1) : 6－14．

［2］ 王波，韩立民，倪国江．产业结构改革下海洋渔业经济增长结

构效应研究———来自面板门槛模型的解释［J］．农业技术经

济，2019( 4) : 132－144．

［3］ 徐琰斐，刘 晃． 深 蓝 渔 业 发 展 策 略 研 究［J］． 渔 业 现 代 化，

2019，46( 3) : 1－6．

［4］ 徐皓，陈家勇，方辉，等．中国海洋渔业转型与深蓝渔业战略

性新兴产业［J］．渔业现代化，2020，47( 3) : 1－9．

［5］ 徐琰斐，徐皓，刘晃，等．中国深远海养殖发展方式研究［J］．

渔业现代化，2021，48( 1) : 9－15．

［6］ 麦康森，徐皓，薛长湖，等．开拓我国深远海养殖新空间的战

略研究［J］．中国工程科学，2016，18( 3) : 90－95．

［7］ 丁永良．海上工业化养鱼［J］．现代渔业信息，2006，21( 3) : 4－

6．

［8］ 宋协法，郑书星，董登攀，等．利用 CFD 技术对养殖工船养鱼

水舱温度场和流场模拟及验证［J］．中国海洋大学学报( 自

然科学版) ，2018，48( 6) : 37－44．

［9］ 崔铭超，金娇辉，黄温赟．养殖工船系统构建与总体技术探

讨［J］．渔业现代化，2019，46( 2) : 61－66．

［10］崔铭超，王靖，郭晓宇．横摇运动下养殖工船水环境流场特性

数值分析［J］．中国造船，2020，61( 3) : 204－215．

［11］崔铭超，王庆伟，张彬．纵摇运动下船载养殖水体流场特性数

值分析［J］．船舶工程，2020，42( 10) : 56－60，132．

［12］肖凯隆，陈作钢，代燚．多液舱晃荡与船体运动耦合数值研究

［J］．船舶工程，2020，42( 8) : 50－54．

［13］韩冰，谌志新，崔铭超，等．基于三维势流理论的深远海养殖

工船耐波性能分析［J］．渔业现代化，2020，47( 6) : 58－65．

［14］高瑞，崔铭超，王庆伟，等． 养殖水舱横摇适鱼性数值分析

［J］．船舶工程，2020，42( 12) : 35－42，47．

［15］HJ 536—2009 水质 氨氮的测定 水杨酸分光光度法［S］．

［16］GB /T 11903—1989 水质 色度的测定［S］．

［17］GB /T 13200—1991 水质 浊度的测定［S］．

［18］杜汉斌，易高社，王明义，等．圆形鱼池进水设施与流速排污

问题的初步探讨［J］．水生态学杂志，1989( 3) : 39－45．

［19］DAVIDSON J，SUMMEＲFELT S． Solids flushing，mixing，and

water velocity profiles within large ( 10 and 150 m3 ) circular

‘Cornell－type’dual－drain tanks［J］．Aquacultural Engineering，

2004，32( 1) : 245－271．

［20］OCA J，MASALO I．Flow pattern in aquaculture circular tanks:

Influence of flow rate，water depth，and water inlet ＆ outlet

features［J］．Aquacultural Engineering，2013，52( 1) : 65－72．

［21］于林平，薛博茹，任效忠，等．单进水管结构对单通道矩形圆

弧角养殖池水动力特性的影响研究［J］．大连海洋大学学报，

2020，35( 1) : 134－140．

［22］赵乐，张清靖，许静，等．工厂化对虾养殖池管式射流集污水

力特性［J］．中国水产科学，2017，24( 1) : 190－198．

［23］田昌凤，刘兴国，车 轩，等．分隔式循环水池塘养殖系统设计

与试验［J］．农业工程学报，2017，33( 8) : 183－190．

［24］YONG C，GUAN C T，ＲONG W，et al．Numerical simulation of a

flatfish cage system in waves and currents［J］． Aquacultural

Engineering，2013，56( 5) : 26－33．

［25］陈天华，潘昀，冯德军，等．固定方式对水流作用下桩柱式围

网网片力学特性的影响［J］． 水 产 学 报，2018，42 ( 3) : 452

－460．

［26］桂福坤，祝含接，冯德军．海洋养殖网衣水动力特性研究进展

［J］．渔业现代化，2019，46( 5) : 9－14，21．

41

渔 业 现 代 化 2021 年

［27］赵云鹏，毕春伟，董国海，等．平面网衣周围流场的三维数值

模拟［J］．水动力学研究与进展，2011，26( 5) : 606－613．

［28］刘超，关长涛，崔勇，等．圆形重力式网箱流场效应的试验研

究［J］．中国工程科学，2014，16( 9) : 69－77．

［29］曾洁，陈正福，吴尚书，等．炭砂滤池对农村饮用水中浊度及

细菌的去除效果［J］．环境工程学报，2020，14( 10) : 154－159．

［30］张晓晶，李畅游，贾克力，等．乌梁素海水体透明度分布及影

响因子相关分析［J］．湖泊科学，2009，21( 6) : 879－884．

［31］王辉，许学工．山东省莱州市大菱鲆养殖经济效益评估［J］．

中国渔业经济，2016( 2) : 64－71．

Preliminary study on the effect of bottompush flow on water quality

in separated cabin culture systems of aquaculture vessels

GUAN Chongwu1

，ZHANG Yulei

1，2

，ZHANG Chenglin1，2

( 1 Key laboratory of Fishery Equipment and Engineering，Ministry of Agriculture and Ｒural Affairs/Fishery Machinery

and Instrument Ｒesearch Institute，Chinese Academy of Fishery Sciences，Shanghai 200092，China;

2 Qingdao Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology，Qingdao 266237，Shandong，China)

Abstract: In order to investigate the flow characteristics of water in cabin fish tanks under the condition of

swaying at sea，a bottom push flow separated simulated tank culture system was designed． The system was

mainly composed of aquaculture facilities and equipment such as isolation net laid 1m from the bottom of the

tank and four push flow pumps placed below the isolation net．By analyzing the influence of different bottom

pushing flows on water quality indexes such as ammonia nitrogen mass concentration and turbidity of the test

system，the appropriate bottom pushing flow was obtained，and the verification experiment was carried out with

this parameter，and compared with the control tank with high water exchange capacity．The results show that the

removal effect of ammonia nitrogen mass concentration in the surface and bottom water of the test tank was

positively correlated with the bottom push flow．When the bottom push flow reached 160 m3 /h，the best removal

effects were achieved，reaching 68．02% and 58．68% respectively．During the farming period of more than one

month，there was no significant difference in ammonia nitrogen mass concentration，turbidity，water color and

other water quality indexes between the test tank，which had an inlet flow of 40 m3 /h and a 160 m3 /h capacity

bottom push flow pump turned on for 1h whenever feeding started，and the control tank with an inlet flow of

120 m3 /h without bottom push flow．The results show that the designed system can also achieve ideal water

quality control effects even when the inlet flow is reduced by about 70%．This cabin bottom push flow culture

simulation system could provide reference for the follow－up exploration and optimization of fish culture cabins

suitable for complex offshore conditions and the construction of large － scale marine industrial ship culture

mode．

Key words: aquaculture vessel; cabin maintenance system; deep sea aquaculture; bottom push flow;

ammonia nitrogen; turbidity; water color

42

第 ４９ 卷第 ５ 期 渔 业 现 代 化 Ｖｏｌ．４９ Ｎｏ．５

２０２２ 年 １０ 月 ＦＩＳＨＥＲＹ ＭＯＤＥＲＮＩＺＡＴＩＯＮ Ｏｃｔ．２０２２

ＤＯＩ：１０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１００７⁃９５８０．２０２２．０５．００３

收稿日期：２０２２⁃０８⁃１１

基金项目：国家重点研发计划蓝色粮仓科技创新专项“深远海工业化大型养殖装备与模式”项目“深远海养殖平台智能化管控系统研发

（２０１９ＹＦＤ０９０１００４）”

作者简介：翟绪辉（ １９９７—） ，男，硕士研究生，研究方向：渔业信息化。 Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｚｘｈｄｙｎ＠ １２６．ｃｏｍ

通信作者：刘长东（ １９７９—） ，男，副教授，研究方向：渔业信息化。 Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｃｈａｎｇｄｏｎｇ＠ ｏｕｃ．ｅｄｕ．ｃｎ

基于热流固耦合模型的养殖工船养殖舱温度场数值模拟

翟绪辉，程 晖， 刘长东， 黄六一

（中国海洋大学水产学院海洋渔业系，山东 青岛 ２６６００３）

摘要：养殖工船养殖舱水温的适宜性对保障养殖品种的生长和存活十分重要。 通过抽取冷水团冷水，利用养

殖工船进行鲑鳟鱼养殖的过程中，为科学布设温度传感器位置，合理监测养殖水体温度，本研究构建养殖工

船养殖水舱三维瞬态热流固耦合模型，开展不同冷水进水流速和保温层厚度下养殖舱水温数值模拟研究。

结果显示：保温层厚度对养殖舱中水温空间分布并未有显著性影响，稳定状态时的平均水温与保温层厚度无

关，但是较厚的保温层可以减慢来自水舱外部的热量传入，有利于减缓养殖水舱水温升高，比较 ３０ ｃｍ 和 ４０

ｃｍ 保温层，养殖水体水温变化无显著差异，故 ３０ ｃｍ 硬质聚氨酯材料具有较好的保温效果。 ４ ｍ／ ｓ、５ ｍ／ ｓ 和

６ ｍ／ ｓ ３ 种不同进水流速主要影响养殖水舱的水温降低速度，对温度的空间分布并没有显著性影响。 研究表

明，温度传感器布设于养殖舱中心垂直剖面、远离排水口、靠近水面的位置，可较好监测养殖水体水温。

关键词：养殖工船；养殖舱；温度场；数值模拟；水温监测

中图分类号：Ｓ９６９ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００７⁃９５８０（２０２２）０５⁃００１５⁃００９

随着社会经济的发展，近岸养殖空间不断压

缩，研发深远海大型养殖设施装备，如深远海大型

网箱、养殖工船，开发现代化的“深蓝”养殖空间，

是提高养殖发展质量的新途径［１⁃３］

。 养殖工船是

一种可移动的海上养殖平台，与养殖网箱相比，养

殖工船具有养殖密度高、方便海上移动等优点。

根据养殖环节的需求，养殖工船可以移动到适宜

水温和水质条件的海域进行养殖生产，有效避开

台风等恶劣自然灾害［４］

。

２０ 世纪 ８０～９０ 年代，法国、日本、挪威等渔业

发达国家进行了养殖工船的概念设计，并提出大

型养殖工船方案［５］

。 中国于 ２１ 世纪初期，也陆续

开展了深远海养殖装备设施设计及发展趋势研究

分析。 ２００６ 年，丁永良［６］论述了国外海上工业化

养鱼现状、技术内涵及中国开展海上工业化养鱼

的必要性。 徐皓等［７］ 论述了中国深远海养殖工

程装备科技发展现状及深远海养殖产业发展存在

的主要问题，并提出实施旧船加改装，集成构建游

弋式大型养殖工船及综合渔业生产平台等深远养

殖工 程 装 备 科 技 重 点 任 务。 王 靖 等［８］

、 韩 冰

等［９］

、肖凯隆等［１０］

、崔铭超等［１１］ 对养殖工船的系

统结构设计进行了研讨。

养殖工船养殖舱内水体温度、流速及船体

摇动 会 对 养 殖 对 象 产 生 重 要 影 响。 崔 铭 超

等［１２⁃１３］开展了横摇和纵摇运动下养殖工船水环

境流场特性数值分析研究，发现船体晃动对养

殖对象安全及结构强度均有极大的不利影响。

刘闯［１４］开展了新型养鱼船工作船舱内流场计算

流体力学（ ＣＦＤ） 数值仿真研究，研究结果可为

养鱼船改造方案中的母船选型提供参考。 韩冰

等［１５］基于三维势流理论，对养殖工船的耐波性

能进行研究和评价。 高瑞等［１６］通过数值仿真分

析了横摇状态下养殖水舱的适鱼性。 鲑鳟等冷

水鱼类对水温的要求较为苛刻，大西洋鲑的适

宜生活温度为 １２ ～ １６℃ ，超过 １８℃ 逐渐衰弱死

亡［１７］

。 开展养殖工船养殖舱水温的数值仿真研

究，掌握温度的空间分布，对水温进行实时监测，

对保障养殖鱼种的生长存活具有重要意义。 宋协

法等［４］基于 ＣＦＤ 技术开展了养殖工船养殖水舱

的流场和温度场数值模拟研究，论述了最小进水

渔 业 现 代 化 ２０２２ 年

流速和保温方案。 张慧鑫［１８］ 釆用 Ａｎｓｙｓ 软件进

行了养殖池温度场和速度场模拟与仿真，并依据

模拟的温度场分布，指导温度传感器布设，实施养

殖池温度的实时监测。

应用养殖工船开展鲑鳟等高品质鱼种养

殖［１９］

，需建立完善的水循环系统和温度控制系

统［２０⁃２２］

。 温度控制系统需在养殖水体中布设温

度传感器，根据温度传感器的实时监测数据，通过

自动控制系统控制冷水进水流速，保证养殖水体

水温的适宜性［２３］

。 开展养殖舱养殖水体数值仿

真研究，探究温度场分布，可有效指导温度传感器

的布设位置。

相比于传统的养殖舱养殖水体数值仿真分析

方法，本研究考虑温度场与流场的耦合交互作用，

构建养殖工船养殖水舱三维瞬态热流固耦合模

型，并应用该模型进行数值仿真分析，研究不同流

速和不同保温层厚度对养殖工船养殖水舱温度分

布的影响，探讨温度控制系统中温度传感器布设

位置。 本研究结果对养殖工船养殖水舱水温的实

时监测，保障水温的适宜性具有重要意义。

１ 材料

研究对象为位于青岛的钢质、单甲板、单底、

柴油机推进尾机型冷水团养殖工船［２］

。 夏季通

过抽取冷水团的冷水进行大西洋鲑养殖。 养殖水

舱立体规格为 １０ ｍ×６ ｍ×３．８ ｍ，由横、纵舱壁、甲

板和底板组成，横、纵舱壁上分别有等距的高度为

３００ ｍｍ、４００ ｍｍ 肋板。 养殖水舱的结构如图 １

所示，其中浅蓝色部分为流体，灰色部分为保温

层。 入水口设计在养殖水舱的对角处，距离水舱

外侧壁 ０．５ ｍ，从舱底向上垂直排列间隔 ０．６ ｍ。

溢流管在养殖水舱中间，从底部伸至 ２． ４ ｍ 处。

入水 口 直 径 Φ１

＝ ２５ ｍｍ， 溢 流 口 直 径 Φ２

＝

２５０ ｍｍ。 入水口的水流速度选取范围为 ４ ｍ ／ ｓ、

５ ｍ ／ ｓ和 ６ ｍ ／ ｓ。 保温层材料选用硬质聚氨酯泡

沫，其厚度 Ｔ 选取范围为 ２０ ｃｍ、３０ ｃｍ 和 ４０ ｃｍ。

(a)主视图 (b)左视图

(c)俯视图 (d)三维效果图

Z

X Y

图 １ 养殖水舱几何尺寸

Ｆｉｇ．１ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｓｈ ｔａｎｋ

２ 数学模型及模拟方法

２．１ 控制方程

瞬态热流固耦合中主要涉及水舱内流体控制

方程和保温层的固体传热方程。 养殖水舱中的水

体流动的计算使用有限体积法求解瞬态雷诺时均

纳维 － 斯 托 克 斯 （ Ｒｅｙｎｏｌｄｓ⁃ ａｖｅｒａｇｅｄ Ｎａｖｉｅｒ –

Ｓｔｏｋｅｓ，ＲＡＮＳ

［２４］

） 方程。 流场的控制方程为：

Δ·ｕ ＝ ０ （１）

∂ｕ

∂ｔ

＋ ｕ·Δｕ ＝ －

１

ρ

Δｐ ＋ Δ·［（ｖ ＋ ｖＴ ）

（Δｕ ＋ Δ ｕＴ）］ ＋ g （２）

１６

第 ５ 期 翟绪辉等：基于热流固耦合模型的养殖工船养殖舱温度场数值模拟

∂ρＥ

∂ｔ

＋ Δ·（ρｕＥ） ＋ Δ·（ｕｐ） ＝ － Δ·ｑ ＋

Δ·（τ·ｕ） ＋ ρｒ ＋ ρg·ｕ （３）

式中：ｕ 为流体速度， ｐ 为压强，ｖ 为粘性系数， ρ

为流体密度，g 为重力加速度，Ｅ 为能量。 对于湍

流问题使用 k －ｗ ＳＳＴ 模型进行封闭，模型的形

式为［２５］

：

Ｄ

Ｄｔ

（ρω）＝ Δ·（ρＤωΔω）＋

ρ γＧ

ｖ

－

２

３

ρ γω

（Δ·ｕ）－ρ βω

２－ρ（Ｆ１

－１）ＣＤkω

＋Ｓω （４）

Ｄ

Ｄｔ

（ρk） ＝ Δ·（ρＤkΔk） ＋ ρＧ －

２

３

ρk

（Δ·ｕ） － ρβ·ωk ＋ Ｓk （５）

ｖＴ

＝ ａ１

k

ｍａｘ（ａ１ωｂ１Ｆ２３ Ｓ）

（６）

式中：k 为湍动能，ｗ 为湍动能耗散率。

对于固体部分（保温层），考虑其初始温度为

室温，养殖鱼舱的外侧有固定的温度。 其固体传

热方程［２６］

：

ρc

∂Ｔｓ

∂ｔ

＝

∂

∂ｘ

k

∂Ｔｓ

∂ｘ

■

■

|

■

■

| ＋

∂

∂ｙ

k

∂Ｔｓ

∂ｙ

■

■

|

■

■

| ＋

∂

∂ｚ

k

∂Ｔｓ

∂ｚ

■

■

|

■

■

| （７）

２．２ 边界条件和初始值

热边界条件和初始值是求解上述偏微分方程

的必要条件。 养殖水舱的进水流量影响养殖舱水

体温度，本研究设置 ３ 个速度梯度。 养殖水舱与

外界的热交换主要通底板、舷侧、舱壁热传导及水

体表面与空气的热交换。 夏季黄海表层的水温较

均匀，一般为 ２４～２７℃之间，本研究取黄海表层温

度为 ２７℃ ，壁面温度设置为 ２７℃ 。 水体表面空气

温度为 ３４℃ 。 保温层为硬质聚氨酯材料，密度 ３０

ｋｇ ／ ｍ

３

，导热系数设置为 ０．０３ Ｗ／ （ｍ·℃ ）

［２７］

。 黄

海中部洼地存在一个巨大的夏季冷水团，黄海冷

水团具有 ３ 个低温中心，夏季低温中心水温低于

９℃

［２８］

，本研究取入水口温度为 １０℃ 。 边界条件

和初始值根据养殖工况给出，具体的数值如表 １

所示。

表 １ 数值模拟的初始条件和边界条件

Ｔａｂ．１ Ｉｎｉｔｉａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ

固体域

初始温度 ３４℃

保温层外侧温度 ３４℃

保温层厚度 ２０ ｃｍ、３０ ｃｍ、４０ ｃｍ

保温层热传导率 ０．０３ Ｗ／ （ｍ·Ｋ）

流体域

初始温度 ２７℃

入水口水温 １０℃

入水口流速 ４ ｍ／ ｓ、５ ｍ／ ｓ、６ ｍ／ ｓ

入水口湍流强度 ５％

自由液面水温 ３４℃

２．３ 数值求解方法

数值求解使用 Ａｎｓｙｓ Ｆｌｕｅｎｔ 软件进行。 其中

流体部分使用压力－速度耦合算法。 固体部分为

不考虑热应力问题，因此只求解热传导方程。 耦

合传热包括在固体和液体交界面进行热传导与热

对流。

３ 数值模拟结果

３．１ 水温和流速随时间变化

因为入水口的水温较低，随着时间的增加，养

殖水舱的水温会逐渐降低。 图 ２ 反映了在保温层

厚度为 ３０ ｃｍ，入水水流速度为 ５ ｍ ／ ｓ 时，养殖舱

水温和流速随时间的变化。 流速分布图显示：水

流在入口处附近速度达到最大，然后沿着水流方

向逐渐降低；同一侧的 ４ 个入水口的水流在经过

一段距离后汇集成一股水流；由于受到湍流作用

的影响，这股水流会随时间沿着池壁上下摆动，这

种上下摆动的现象有利于水体的温度交换，有利

于整个养殖水舱的温度的均匀分布。 由于入水口

处水温较低，因此池壁附近，尤其是接近入水口处

水温会比较低。 根据计算条件设定，养殖水舱上

方在接近空气处有较薄的一层水温较高的区域，

并且在养殖水舱的上表层附近有较大的温度

梯度。

１７

渔 业 现 代 化 ２０２２ 年

水温

(Temperature)

流速

(Velocity)

t =5 min t =15 min t =45 min t =60 min

图 ２ 养殖水舱内流速和水温的断面分布随时间变化

Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗｉｔｈ ｔｉｍｅ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｓｈ ｔａｎｋ

３．２ 速度场三维空间分布

从图 ３ 的流速空间分布可以看出，养殖水

舱内水流的流动比较复杂。 在壁面的流动属

于典型的依附壁面的边界层湍流，由于入流速

度较高，在图示红圈处形成了旋转涡流。 黑色

圆圈标出水流冲击对面舱壁的位置，由于湍流

的不稳 定 特 性，这 个 冲 击 位 置 会 随 时 间 上 下

摆动。

图 ３ 当保温层厚度 ３０ ｃｍ、入水流速 ５ ｍ ／ ｓ、时间 ６０ ｍｉｎ 时养殖水舱水流速度空间分布

Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｆｌｏｗ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｓｈ ｔａｎｋ，ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ３０ ｃｍ，ｉｎｌｅｔ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ５ ｍ／ ｓ ａｎｄ ６０ ｍｉｎ

３．３ 温度场三维空间分布

图 ４ 显示保温层厚度为 ３０ ｃｍ，入口流速为 ５

ｍ ／ ｓ 时养殖水舱温度三维空间分布，图中等温面

均为 １６℃ 结果。 图 ４ 所示，入水口处的 ４ 股低温

水流会先汇聚成 １ 股水流，然后沿着养殖鱼舱的

侧壁流向对面的舱壁。 由于水的流动，入水口侧

壁的水温要比中间处的水温低。 随着时间的推

移，养殖水舱内的水温会逐渐降低。 由于冷水的

密度比热水的高，养殖水舱底部水体会先降温，然

后上方水体降温。 由于两侧水流的相对流动，会

１８

第 ５ 期 翟绪辉等：基于热流固耦合模型的养殖工船养殖舱温度场数值模拟

在养殖水舱中心的出水孔附近产生一个漩涡状的

温度场。

图 ５ 展示了保温层厚度为 ３０ ｃｍ，入口流速

为 ５ ｍ ／ ｓ 时，养殖水舱水温体积百分比随时间的

变化。 养殖水舱内的水温空间波动范围比较小，

基本在 ４℃ 以内。

随着时间的增加，水舱温度逐渐降低，并且水

温的空间波动范围趋于减小。 当时间超过 １ ｈ，养

殖水舱的全部水体温度都处在大西洋鲑适宜生长

的温度范围内。

(a) t=40 min (b) t=45 min (c) t=50 min

图 ４ 当保温层厚度 ３０ ｃｍ、入水水流速度 ５ ｍ ／ ｓ 养殖鱼舱的温度三维空间分布

Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｓｈ ｔａｎｋ，ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ３０ ｃｍ，ｉｎｌｅｔ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ５ ｍ／ ｓ

图 ５ 当保温层厚度为 ３０ ｃｍ、入口流速为 ５ ｍ ／ ｓ 时养殖水舱水温体积比例随时间变化

Ｆｉｇ．５ Ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ ｏｆ ｖｏｌｕｍｅ ｆｏｒ ｆｌｕｉｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｓｈ ｔａｎｋ，ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓ ３０ ｃｍ ａｎｄ ｉｎｌｅｔ ｖｅｌｏｃｉｔ ５ ｍ／ ｓ

３．４ 温度场断面分布

图 ６～图 ８ 展示了在 ３ 种保温层厚度和入口

流速下，养殖水舱水体 Ｘ ＝ ０ ｍ、 Y ＝ ０ ｍ 和 Ｚ ＝

２. ４ ｍ 断面处的温度分布。 这 ３ 幅图均反应水

舱下层水温比上层水温低，水舱壁面附近水温

比中部溢流管附近水温低。 对比不同保温层厚

度发现保温层厚度对养殖水舱中水温空间分布

并未有显著性影响，但是较厚的保温层可以减

慢来自水舱外部的热量传入，有利于加快养殖

水舱水温的降低。 不同的冷水入水流速主要影

响养殖水舱的水温降低速度，入水流速越快，养

殖水舱水温降低越快，但是对水温的空间分布

并没有显著性影响。

１９

渔 业 现 代 化 ２０２２ 年

T=20 cm

T=30 cm

T=40 cm

Uin=4 m/s Uin=5 m/s Uin

=6 m/s

图 ６ 时间为 ６０ ｍｉｎ 时养殖水舱水温在 Ｘ ＝ ０ ｍ 断面的分布

Ｆｉｇ．６ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｏｕｒ ａｔ Ｘ＝ ０ ｍ ｗｈｅｎ ｔｉｍｅ ｉｓ ６０ ｍｉｎ

Uin

=5 m/s Uin=6 m/s

T=20 cm

T=30 cm

T=40 cm

Uin

=4 m/s

图 ７ 时间为 ６０ ｍｉｎ 时养殖水舱水温在 Y ＝ ０ ｍ 断面的分布

Ｆｉｇ．７ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｏｕｒ ａｔ Y＝ ０ ｍ ｗｈｅｎ ｔｉｍｅ ｉｓ ６０ ｍｉｎ

４ 讨论

４．１ 温度传感器布设分析

利用养殖工船开展鲑鳟等鱼类养殖，需保障

养殖舱适宜的水温［２８］

，故构建温度自动控制系统

十分必要。 温度控制系统需通过温度传感器实时

监测养殖舱水温，并通过监测的水温调控进水流

速。 由于养殖舱水温分布不均，故养殖舱水温数

值仿真模拟结果，可指导温度传感器的布设位置。

温度控制系统一般采用多点测温法［１８，２９］

，温度控

制点应布设在水温相对稳定，温度变化幅度较小

的区域。 本研究预设 ６ 个温度监测点（图 ９，Ｐ１－

Ｐ６），６ 个监测点位于垂直剖面，垂直高度均为

２. ５ ｍ （即距水面 ０．５ ｍ），模拟监测点的温度变化

情况，分析传感器布设的合理性。

２０

第 ５ 期 翟绪辉等：基于热流固耦合模型的养殖工船养殖舱温度场数值模拟

图 ９ 温度监测点位置

Ｆｉｇ．９ Ｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒｓ

图 １０ 展示了 ６ 个温度监测点的水温随时间

的变化曲线。 图 １０（ａ）显示 Ｐ２、Ｐ３ 监测点的水温

在达到相对稳定的状态时，仍有较大的水温波动，

这是因为入水口的湍流效应，水流会上下摆动，同

时带动水温的大幅波动。 图 １０（ｂ）显示位于出水

口附近的 Ｐ５ 监测点同样有较大的水温波动。 监

测点 Ｐ４ 、Ｐ６ 在温度达到稳定状态时，水温上下波

动最小，适合作为水温自动控制系统温度传感器

的布设位置。

同时，由于养殖鱼舱的对称特征，这两点表现

出了几乎重合的温度变化曲线。

图 １０ 温度监测点的水温随时间变化曲线

Ｆｉｇ．１０ Ｔｉｍｅ⁃ｓｅｒｉｅｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ６ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒｓ

４．２ 热流固耦合模型及模拟结果分析

本研究考虑到流场会影响温度场分布，温度

场又反作用于流场［３０］

，同时考虑水体与外界空气

的热量交换，构建热流固耦合模型［３１］

，模拟养殖

水体温度场和流场分布。 相比于传统的不考虑耦

合作用，分别对养殖水体的流场和温度场开展模

拟的方法［４］

，本研究方法虽对计算机计算能力有

较高要求，但随着并行计算能力的不断提升，本研

究方法会改善模拟精度。 张慧鑫［１８］ 应用与本研

究相似的流程，开展了大面积养殖池的温度场和

流场数值模拟研究，并基于模拟结果指导温度传

感器布设位置。 本研究基于 ＣＦＤ 数值模拟结果，

开展养殖工船养殖水体温度监测研究，发现温度

传感器的布设应在温度高的上水层，保障养殖水

舱冷水鱼类的生长存活。 同时养殖工船利用冷水

团进行鲑鳟鱼类养殖的养殖水舱温度场分布应尽

可能均匀，维持鲑鳟鱼类适宜温度范围，最大程度

利用养殖水体。 对比保温层厚度和不同流速，温

度场变化差异不显著，可通过增加搅动设备等措

施，使养殖水舱温度分布更加均匀［１８，２９，３２］

。

５ 结论

考虑温度场与流场的耦合作用，本研究构建

三维瞬态热流固耦合模型，对养殖工船养殖舱水

体温度和流速进行数值仿真模拟。 对比 ２０ ｃｍ、

３０ ｃｍ 和 ４０ ｃｍ ３ 种保温层厚度发现：保温层厚度

对养殖舱中水温空间分布并未有显著性影响，稳

定状态时的平均水温与保温层厚度无关，但是较

厚的保温层可以减慢来自水舱外部的热量传入，

有利于加快养殖水舱的水温降低。 比较 ３ 种保温

层厚度，２０ ｃｍ 保温层养殖水体水温降低较慢，但

３０ ｃｍ 和 ４０ ｃｍ 保温层，水温变化无显著差异，均

２１

渔 业 现 代 化 ２０２２ 年

具有较好的保温效果，故考虑节约成本，可使用

３０ ｃｍ 硬质聚氨酯材料的保温层。 水舱下层水温

比上层水温低，这是由于水体表面与空气的热交

换引起的，故配置具有保温功能的养殖舱盖对减

缓养殖舱水温降低速度十分必要。 由于壁面的边

界层湍流作用，养殖水舱壁面附近水温比中部溢

流管附近水温低。 比较 ３ 种入口流速，不同入口

流速主要影响养殖水舱的水温降低速度，对水温

的空间分布并没有显著性影响。 温度监控系统中

温度传感器应布置在水温变化幅度小、温度相对

较高的位置，这样有利于保证所有养殖水体适宜

养殖品种的生长成活。 本研究发现温度传感器适

宜布设于养殖舱中心垂直剖面，远离排水口，靠近

水面的位置。 □

参考文献

［１］ 崔铭超，鲍旭腾，王庆伟．我国深远海养殖设施装备发展研究

［Ｊ］．船舶工程，２０２１，４３（４）： ３１⁃３８．

［２］ 闫国琦，倪小辉，莫嘉嗣．深远海养殖装备技术研究现状与发

展趋势［Ｊ］．大连海洋大学学报，２０１８，３３（１）： １２３⁃１２９．

［３］ 麦康森，徐皓，薛长湖，等．开拓我国深远海养殖新空间的战

略研究［Ｊ］．中国工程科学，２０１６，１８（３）： ９０⁃９５．

［４］ 宋协法，郑书星，董登攀，等．利用 ＣＦＤ 技术对养殖工船养鱼

水舱温度场和流场模拟及验证［ Ｊ］．中国海洋大学学报（自

然科学版），２０１８，４８（６）： ３７⁃４４．

［５］ 纪毓昭，王志勇．我国深远海养殖装备发展现状及趋势分析

［Ｊ］．船舶工程，２０２０，４２（Ｓ２）： １⁃４，８２．

［６］ 丁永良．海上工业化养鱼［Ｊ］．现代渔业信息，２００６（３）： ４⁃６．

［７］ 徐皓，谌志新，蔡计强，等．我国深远海养殖工程装备发展研

究［Ｊ］．渔业现代化，２０１６，４３（３）： １⁃６．

［８］ 王靖，张彬，张怡．某大型养殖工船船体结构设计方法［ Ｊ］．船

舶工程，２０２０，４２（增刊 ２）： １４⁃１８．

［９］ 韩冰，谌志新，崔铭超，等．深远海养殖工船稳性设计准则及

校核方法［Ｊ］．船舶工程，２０２０，４２（增刊 ２）： ３０⁃３５．

［１０］肖凯隆，陈作钢．多液舱晃荡与养殖工船时域耦合运动的数

值模拟［Ｊ］．中国舰船研究，２０２０，１５（１）： １３６⁃１４４．

［１１］崔铭超，金娇辉，黄温赟．养殖工船系统构建与总体技术探讨

［Ｊ］．渔业现代化，２０１９，４６（２）： ６１⁃６６．

［１２］崔铭超，王庆伟，张彬．纵摇运动下船载养殖水体流场特性数

值分析［Ｊ］．船舶工程，２０２０，４２（１０）： ５６⁃６０，１３２．

［１３］崔铭超，王靖，郭晓宇．横摇运动下养殖工船水环境流场特性

数值分析［Ｊ］．中国造船，２０２０，６１（３）： ２０４⁃２１５．

［１４］刘闯．新型养鱼船工作船舱内流场 ＣＦＤ 数值仿真研究［Ｄ］．

大连：大连理工大学，２０１９．

［１５］韩冰，谌志新，崔铭超，等．基于三维势流理论的深远海养殖

工船耐波性能分析［Ｊ］．渔业现代化，２０２０，４７（６）： ５８⁃６５．

［１６］高瑞，崔铭超，王庆伟，等． 养殖水舱横摇适鱼性数值分析

［Ｊ］．船舶工程，２０２０，４２（１２）： ３５⁃４２，４７．

［１７］ ＳＡＭＢＲＡＵＳ，ＦＬＯＲＩＡＮ，ＯＬＳＥＮ，ｅｔ ａｌ． Ｗａｔｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ

ｏｘｙｇｅｎ： ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｒｉｐｌｏｉｄｙ ｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ ｉｎ

ｆａｒｍｅｄ ａｔｌａｎｔｉｃ ｓａｌｍｏｎ （ Ｓａｌｍｏ Ｓａｌａｒ Ｌ．） Ｐｏｓｔ⁃ｓｍｏｌｔｓ ［ Ｊ ］．

Ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ Ａｍｓｔｅｒｄａｍ，２０１７，４７３： １⁃１２．

［１８］张慧鑫．海水养殖水温三维传热模型与控制算法的研究［Ｄ］．

沈阳：东北大学，２０１１．

［１９］董双林，高勤峰，万荣，等．一种原位利用黄海冷水团低温海水

养殖冷水鱼类的方法：ＣＮ２０１５１０７４６６１９．１ ［Ｐ］．２０１５⁃１１⁃０５．

［２０］ 范 强， 杨 建 会， 肖 志 刚． 三 文 鱼 养 殖 池 水 温 控 制 系 统：

２０１６２１２６１２３６．１［Ｐ］．２０１７⁃０５⁃１０．

［２１］姜衍礼，董信林，崔从明，等．工厂化水产养殖循环水系统控

温技术的探讨［Ｊ］．水产养殖，２０１７，３８（３）： ５．

［２２］孙成波，王汝梅．一种水产工厂化养殖池水温自动化控制系

统与方法：２０１３１０３４５９０８．１［Ｐ］．２０１３⁃１１⁃１３．

［２３］吴燕翔，胡咏梅，刘雨青．基于 ＰＬＣ 循环水养殖温控系统的设

计［Ｊ］．科学技术与工程，２０１１，１１（２０）： ４７３４⁃４７３９．

［ ２４ ］ ＶＥＲＳＴＥＥＧ Ｈ Ｋ， ＭＡＬＡＬＡＳＥＫＥＲＡ Ｗ． Ａｎ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ

ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ ： ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｖｏｌｕｍｅ ｍｅｔｈｏｄ ［ Ｍ］．

Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ．，１９９５．

［２５］王福军．计算流体动力学分析：ＣＦＤ 软件原理与应用［ Ｍ］：

北京：清华大学出版社，２００４．

［２６］赵镇南．传热学［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００８：３０１⁃３８９．

［２７］曾骐．硬质聚氨酯及其聚苯乙烯复合保温材料的性能研究

［Ｄ］．武汉：武汉科技大学，２０１４．

［２８］董双林．黄海冷水团大型鲑科鱼类养殖研究进展与展望［ Ｊ］．

中国海洋大学学报（自然科学版），２０１９，４９（３）： １⁃６．

［２９］余利锋．地热水产养殖温度监控系统研究［Ｄ］．武汉：华中农

业大学，２００８．

［３０］马方凯，江春波，李凯．三峡水库近坝区三维流场及温度场的

数值模拟［Ｊ］．水利水电科技进展，２００７（０３）：１７⁃２０．

［３１］朱红钧．ＡＮＳＹＳ １４．５ 热流固耦合实战指南［Ｍ］．北京：人民邮

电出版社，２０１４．

［３２］李竟超．循环水养殖调温系统技术研究［Ｄ］．上海：上海海洋

大学，２０１８．

２２

第 ５ 期 翟绪辉等：基于热流固耦合模型的养殖工船养殖舱温度场数值模拟

Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ ｗａｔｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｗａｔｅｒｓ ｏｎ

ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｓｈｉｐ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｈｅａｔ⁃ｆｌｕｉｄ⁃ｓｏｌｉｄ ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｅｄ ｍｏｄｅｌ

ＺＨＡＩ Ｘｕｈｕｉ，ＣＨＥＮＧ Ｈｕｉ，ＬＩＵ Ｃｈａｎｇｄｏｎｇ，ＨＵＡＮＧ Ｌｉｕｙｉ

（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｆｉｓｈｅｒｉｅｓ，Ｃｏｌｌｅgｅ ｏｆ Ｆｉｓｈｅｒｉｅｓ，Ｏcｅａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｑｉｎgｄａｏ ２６６００３，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｕｉｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｔａｎｋ ｏｆ ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｓｈｉｐｓ ｉｓ ｅｓｓｅｎｔｉａｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｇｒｏｗｔｈ

ａｎｄ ｓｕｒｖｉｖａｌ ｏｆ ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｓｐｅｃｉｅｓ．Ｔｈｅ ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｓｈｉｐ ｒａｉｓｅｓ ｓａｌｍｏｎ ａｎｄ ｔｒｏｕｔ ｂｙ ｐｕｍｐｉｎｇ ｃｏｌｄ ｗａｔｅｒ ｆｒｏｍ

ｃｏｌｄ ｗａｔｅｒ ｍａｓｓｅｓ．Ｆｏｒ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｂｙ ｄｅｐｌｏｙｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒｓ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃａｌｌｙ，

ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ３Ｄ ｈｅａｔ⁃ｆｌｏｗ⁃ｓｏｌｉｄ ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｅｄ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ

ｏｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｌｏｗ ｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓ ａｎｄ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ． Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ

ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ ｄｏｅｓ ｎｏｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ａｎｄ ａｌｓｏ ｉｓ ｎｏｔ

ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｅａｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ａ ｓｔａｂｌｅ ｓｔａｔｅ，ｂｕｔ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｅｒ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ ｃａｎ ｓｌｏｗ ｄｏｗｎ ｔｈｅ ｈｅａｔ

ｉｎｐｕｔ ｆｒｏｍ ｏｕｔｓｉｄｅ ａｎｄ ｉｓ ｃｏｎｄｕｃｉｖｅ ｔｏ ｍａｉｎｔａｉｎ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｔａｎｋ．Ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｉｎ ｗａｔｅｒ

ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｓ ｎｏｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ３０ ｃｍ ａｎｄ ４０ ｃｍ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ，ｈｅｎｃｅ ３０ ｃｍ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ ｍａｄｅ

ｂｙ ｒｉｇｉｄ ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ ｈｅａｔ ｐｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｉｓ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ．Ｔｈｒｅｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｉｎｌｅｔ ｓｐｅｅｄｓ （４ ｍ ／ ｓ，５ ｍ ／ ｓ，６

ｍ ／ ｓ） ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ， ｂｕｔ ｄｏ ｎｏｔ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ

ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ．Ｗｅ ｆｏｕｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｅ ｓｅｎｓｏｒ ｃａｎ ｍｏｎｉｔｏｒ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｂｙ ｄｅｐｌｏｙｉｎｇ ｉｔ ｉｎ ｔｈｅ

ｖｅｒｔｉｃａｌ，ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｆｉｌｅ ｄｉｓｔａｎｔ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｏｕｔｌｅｔ ａｎｄ ｎｅａｒ ｔｏ ｗａｔｅｒ ｓｕｒｆａｃｅ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｓｈｉｐ； ａｑｕａｃｕｌｔｕｒｅ ｔａｎｋ； ｗａｔｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ； ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ； ｗａｔｅｒ

ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ

２３

第 50 卷第 6 期 渔 业 现 代 化 Vol. 50 No. 6

2023 年 12 月 FISHERY MODERNIZATION Dec. 2023

DOI:10. 3969 / j. issn. 1007-9580. 2023. 06. 001

收稿日期:2023-03-13

基金项目:大连市科技创新基金(2021JJ11CG001)

作者简介:叶林昌(1983—),博士研究生,高工,研究方向:船舶振动噪声控制。 E-mail:13621823545@ 126. com

通信作者:殷雷明(1985—),博士,讲师,研究方向:鱼类行为学、渔业水声学。 E-mail:yinleiming@ dlou. edu. cn

低频振动刺激对大黄鱼行为及生理影响

叶林昌1

,刘 赟1

,刘 媛1

,郭建磊2

,殷雷明2

(1 中国船舶集团有限公司第七一一研究所,上海 201108;

2 大连海洋大学辽宁省海洋牧场工程技术研究中心,大连 116023)

摘要:为了解低频振动刺激对大黄鱼行为及生理的影响,通过自制钢制水槽及作动器模拟养殖舱振动

125 Hz(150 dB)、200 Hz(150 dB)分别对 250 g 组和 500 g 组大黄鱼进行连续 1 h 振动刺激试验,以此确定大

黄鱼行为反应及生理生化指标变化(皮质醇、肾上腺素、甲状腺素)。 结果显示:在振动刺激过程中,试验鱼

未出现明显惊扰反应现象; 250 g 试验组,125 Hz 频率条件下肾上腺素变化(增长约 40. 93%)最为显著(P<

0. 05),200 Hz 频率条件下甲状腺素(增长约 41. 08%)变化最为显著(P<0. 05);500 g 试验组,125 Hz 频率条

件下甲状腺素(增长约 28. 68%) 变化最为显著( P < 0. 05),200 Hz 频率条件下也是甲状腺素( 增长约

41. 79%)变化最为显著(P<0. 05)且高于 125 Hz 频率组,故认为两组试验鱼均对 200 Hz 振动刺激更为敏感。

本研究为提升大黄鱼的生长率、存活率以及深远海养殖新空间的新型海上养殖平台建设与发展提供参考。

关键词:大黄鱼;低频振动;行为反应;生理指标; 养殖工船;深远海养殖

中图分类号:S 965. 322 文献标志码:A 文章编号:1007-9580(2023)06-0001-008

大黄鱼( Larimichthys crocea) 属于石首鱼科,

主要分布在中国黄海以南、东海、台湾海峡以及南

海雷州半岛区域,具有极高的经济价值,以听觉敏

感而著称[1]

。 养殖工船作为一种新型的养殖载

体,不仅可以提供优质的养殖水体还能保持恒温

的养殖环境,相比于网箱养殖大大降低了自然环

境破坏的风险[2]

,然而养殖船舱内水下噪声对大

黄鱼是否会产生影响则有待研究。

养殖工船内主要噪声源为船舶的固体声,它

是由船上机械设备振动辐射到空气中及水下,同

时向机座及其连接板壁等固体中传递,引起机座

和相邻板壁等的振动噪声,虽然振幅和功率都很

微小,但危害性极强[3]

。 鱼类在水中主要通过内

耳、侧线和鳔感受声压和振动,且低频振动对鱼类

的影响主要是被侧线器官感受到并引起脑神经兴

奋产生应激[4]

。 活鱼运输条件下振动频率会对

大口黑鲈(Micropterus salmoides)和鳜鱼( Siniperca

chuatsi)的生理、生化特征等产生影响[5-6]

。 张饮

江等[7]探讨金鱼(Carassius auratus Linnaeus)对低

温和振动胁迫的反应规律,结果表明在振动频率

为 50 Hz 的条件下,金鱼的呼吸率下降 30% ~

49%,血 液 中 的 皮 质 醇 质 量 分 数 升 高 35% ~

129%,因此振动刺激是影响金鱼苗存活的重要外

部环境因子。 王文博[8] 对鲫(Carassius auratus)

进行振动应激研究,发现振动应激后鲫血清中皮

质醇水平明显高于正常组。 Demers 等[9] 在虹鳟

鱼(Oncorhynchus mykiss)的振动胁迫研究中也得

到了相同的结论。 张宇雷等[10] 利用机械振动台

模拟船载养殖工况,研究对比了不同频率条件下

斑石鲷(Oplegnathus punctatus)的血清和生化指标

变化情况,结果表明低频振动对鱼类的影响主要

是通过产生水流变化进而被侧线器官感受到,引

起斑石鲷脑神经兴奋,产生应激。 短时振动对斑

石鲷不会造成较大影响,而长时间振动会引起斑

石鲷一定程度的应激反应。

目前关于大黄鱼声敏感性的研究方法主要为

水槽声暴露试验观察行为反应及生理生化指标变

化。 相关研究指出,高强度短暂性的水下噪声会

导致大黄鱼产生暂时性失聪、行为异常、血液和神

经组织等生理指标异常。 长期暴露在高强度水下

渔 业 现 代 化 2023 年

噪声中,可能会降低摄食转换效率、免疫力、存活

率和生长率等,从而影响大黄鱼生长[11]

。 刘贞文

等[12]针对 3 个年龄段的大黄鱼进行了不同频率

和不同声压等级的刺激试验,得到鱼龄越小的大

黄鱼对声音越敏感,高强度噪声不会对鱼直接致

死,在后续的 2 ~ 3 d 内出现非正常行为或不进食

而死亡。 林听听等[11] 将大黄鱼产卵场附近的航

船噪声作为刺激源对大黄鱼的幼鱼进行声刺激,

当噪声低于 60 dB 时,反应不强烈,随着噪声的加

剧,表现出不同强度的趋避行为,超过 200 dB,刺

激 2 min 后死亡,在 120~150 dB 范围内进行单次

或多次刺激,其中皮质醇、血糖和乳酸上升幅度最

大。 施慧雄等[13] 模拟船舶噪声对大黄鱼皮质醇

分泌的影响,结果表明当受到船舶噪声刺激时,大

黄鱼血液中皮质醇水平显著升高,并发生应激反

应,影响健康。 关于大黄鱼对振动刺激的反应研

究未见相关文献。

本研究通过自制钢制水槽及作动器模拟养殖

舱振动,利用传统敲罟作业捕捞大黄鱼的水下噪

声主频率对大黄鱼进行振动刺激试验,以此研究

大黄鱼对振动刺激的行为反应及生理生化指标的

影响,为实现对养殖工船内水下噪声定量控制,提

升大黄鱼的生长率、存活率以及品质提供数据参

考和理论依据。

1 材料与方法

1. 1 试验装置设计

大黄鱼振动刺激试验系统主要由试验水槽、

作动器、摄像头、传感器、数据采集系统组成(图

1),其中试验水槽为 2. 0 m×1. 7 m×1. 2 m(长×宽

×深)的钢质(Q 235B)水槽;单个作动器尺寸 120

mm×120 mm×85 mm,质量 5. 6 kg,输出力大于 85

N,工作频率 30 ~ 1 000 Hz,安装在钢制水槽侧边

靠近中央位置。

水声

信号

前置放大器

试验水槽

振动

激励

壁面

振动

信号

壁面

振动

信号

加速度 壁面振动信号

传感器

加速度

传感器

信号采

集系统

电脑

加速度

传感器

作动器

图 1 鱼群声敏感性试验系统示意图

Fig. 1 Schematic diagram of the fish herd acoustic sensitivity test system

2

第 6 期 叶林昌等:低频振动刺激对大黄鱼行为及生理影响

作动器在不运行或者失效状态下不会对水槽

壁面产生不利的振动影响。 作动器可同时设置 6

个特征频率,信号输出类型可以设置带宽输出

(带通频率范围内能量全部激励) 和单频正弦输

出,因此可模拟船上会产生中低频机械噪声的主

动力设备。

1. 2 振动刺激试验

试验用大黄鱼,250 g 试验组的平均体质量为

268. 09± 58. 94 g,500 g 试验组的平均体质量为

448. 88±79. 86 g。 试验前于室内水泥池中暂养 2

周,试验水槽表面光强为 28 Lx,所用海水经过砂

滤处理,水温为 20. 0 ± 0. 5 ℃ ,盐度为 29. 57 ±

0. 84,使用气泵进行连续充气。

每组试验开始前,从暂养水槽中随机选取 5

尾健 康 试 验 鱼 进 行 振 动 刺 激 试 验, 并 利 用

Accelnet 直流驱动器操作,产生 125 Hz(150 dB)、

200 Hz(150 dB)的正弦波连续 1 h 振动刺激,同

时通过水槽上方高清摄像头进行实时行为记录,

试验结束后对试验鱼进行抽血用于生理生化指标

测定。 考虑到运输和安装,试验水槽空间有限,为

了便于观察试验鱼的行为反应,需要留出充足的

运动空间,因此在试验水槽中并未按照实际工船

养殖密度进行试验。

水下噪声使用水听器(灵敏度:- 193 dB re

1V/ μPa,日本, 频率带宽 20 Hz ~ 20 kHz, 日本

AQH)进行测量校准(图 2)。

125 Hz振动条件 200 Hz振动条件

频率/Hz 频率/Hz

声

压

机SPL/dB1upa

声

压

机SPL/dB1upa

图 2 水槽内振动噪声测量校准示意图

Fig. 2 Schematic diagram of the calibration of vibration noise measurement in the tank

1. 3 数据分析

大黄鱼行为反应分析,参照张旭光等[14]的方

法,根据试验鱼的行为进行特征分类,并以不同字

母定义,然后在记录时间内将代表这些行为特征

的字母按时间顺序组合,构建大黄鱼的行为序

列谱。

大黄鱼的生理生化指标,则是选取皮质醇、肾

上腺 素、 甲 状 腺 素 作 为 应 激 反 应 的 参 考 指

标[15-16]

。 对试验鱼取样时,从钢制水槽中取 5 尾

大黄鱼个体,迅速用 MS-222 麻醉后进行尾静脉

取血。 血液样品放置在 4 ℃静置 6 h 后进行离心

(8 000 r/ min,15 min),收集上层血清用于皮质

醇、肾上腺素和甲状腺素的 ELISA 方法测定。 测

定所用试剂盒购于南京建成生物工程研究所,具

体测定方法参照说明书进行。

最后用 SPSS 26. 0 软件对数据进行统计,数

据以平均值±标准误(X ±SE)的形式表示,并对不

同频率刺激下各组样品生理指标数据进行单因素

方差分析(one-way ANOVA),并对各组的差异数

据做 LSD 多重比较,P<0. 05 表明差异显著。

2 结果

2. 1 大黄鱼振动刺激行为反应

试验鱼群在 125 Hz、200 Hz 振动条件下不同

频率刺激 1 h 条件下的行为反应如图 3 所示。 声

刺激初期,试验鱼主要表现为四处乱窜、无规则运

动、缓慢靠近后巡航离开、自由或环绕巡航。 试验

鱼在不同频率条件下会出现靠近振源而后巡航离

开;待适应后,试验鱼基本处于规则绕壁或自由巡

航、缓慢靠近后巡航离开或停滞不前,未出现明显

惊扰反应现象。 在声暴露条件下大黄鱼行为序列

图谱如图 4 所示。

3

渔 业 现 代 化 2023 年

250 g 125 Hz频率下游泳状态

500 g 125 Hz频率下游泳状态

(a) (b)

(c) (d)

振

动

源

振

动

源

振

动

源

振

动

源

500 g 200 Hz频率下游泳状态

250 g 200 Hz频率下游泳状态

注:250 g 组(a. 125 Hz 振动刺激下游泳状态;b. 200 Hz 振动刺激下游泳状态);

500 g 组(c. 125 Hz 振动刺激下游泳状态;d. 200 Hz 振动刺激下游泳状态)

图 3 试验鱼的运动轨迹示意图

Fig. 3 Schematic representation of the movement trajectory of the test fish

250 g

125 Hz

200 Hz

对照组

500 g

125 Hz

200 Hz

对照组

图 4 大黄鱼在不同振动频率条件下的

行为序列图谱

Fig. 4 Behavior sequence map of Larimichthys crocea at

different vibrational frequencies

2. 2 大黄鱼振动刺激后生理生化反应

大黄鱼连续振动刺激 1 h 后生理生化指标变

化结果为:250 g 试验组在振动频率为 125 Hz 条

件下,血清中皮质醇的浓度上升了 16. 65%,肾上

腺素的浓度上升了 40. 30%,甲状腺素的浓度上

升了 26. 82%;在振动频率为 200 Hz 条件下,血清

中皮质醇的浓度上升了 26. 90%,肾上腺素的浓

度上 升 了 15. 68%, 甲 状 腺 素 的 浓 度 上 升 了

41. 07%;500 g 试验组在振动频率为 125 Hz 条件

下,血清中皮质醇的浓度下降了 4. 75%,肾上腺

素的浓度下降了 9. 07%,甲状腺素的浓度上升了

28. 68%;在振动频率为 200 Hz 情况下,血清中皮

质醇的浓度上升了 18. 19%,肾上腺素的浓度上

升了 18. 41%,甲状腺素的浓度上升了 41. 79%。

具体分析如下:

(1)皮质醇

试验鱼皮质醇变化结果如图 5 所示。

对照组 125 200

频率/Hz

皮

质

醇(C0

RTIS0L)含

量/(ng/mL)图 5 不同频率声刺激下大黄鱼的皮质醇

含量变化

Fig. 5 Cortisol content changes in Larimichthys crocea under

acoustic stimulation at different frequencies

与对照组相比,1 h 不同频率振动刺激下,

250 g 试验组大黄鱼血清中的皮质醇含量上升,其

4

第 6 期 叶林昌等:低频振动刺激对大黄鱼行为及生理影响

中振动频率为 200 Hz 时显著上升(P<0. 05),500 g

试验组大黄鱼的皮质醇在 125 Hz 振动刺激频率时

出现下降,但在 200 Hz 振动刺激频率时皮质醇含

量略有上升,与对照组并无显著性差异(P>0. 05)。

(2)肾上腺素

试验鱼肾上腺素变化结果如图 6 所示。

对照组 125 200

频率/Hz

肾

上

腺

素(E)含

量/(ng/mL) 14

12

10

8

6

4

2

0

图 6 不同频率声刺激下大黄鱼的肾上腺素

含量变化

Fig. 6 Changes in epinephrine content in Larimichthys crocea

under acoustic stimulation at different frequencies

与对照组相比,1 h 不同频率振动刺激下,

250 g 试验组大黄鱼的肾上腺素含量上升。 但与

对照组并无显著性差异(P>0. 05),500 g 试验组

大黄鱼的肾上腺素在 125 Hz 振动刺激频率出现

下降,但在 200 Hz 振动刺激频率肾上腺素含量上

升,与对照组并无显著性差异(P>0. 05)。

(3)甲状腺素

试验鱼甲状腺素变化结果如图 7 所示。

对照组 125 200

频率/Hz

甲

状

腺

素(T4)含

量/(ng/mL)图 7 不同频率声刺激下大黄鱼的甲状腺素

含量变化

Fig. 7 Changes in thyroxine content in Larimichthys crocea

under acoustic stimulation at different frequencies

与对照组相比,1 h 不同频率振动刺激下,

250 g 试验组大黄鱼的甲状腺素含量上升,但与对

照组并无显著性差异。 500 g 试验组大黄鱼的甲状

腺素含量上升,且振动刺激频率为 125 Hz、200 Hz

大黄鱼的甲状腺素显著高于对照组(P<0. 05)。

试验鱼在 125 Hz 和 200 Hz 振动条件下无异

常行为反应。 具体分析如表 1 所示。

表 1 大黄鱼在 1 h 连续振动刺激下的行为反应

Tab. 1 Behavioral responses of Larimichthys crocea under 1 h

continuous vibration stimulation

组别

振动刺激

频率/ Hz

行为反应

鱼群行为序列

图谱代号

250 g 组

125

四处乱窜、无规则运动

缓慢靠近后巡航离开

RM

SC-CR

对照组

自由或环绕巡航

缓慢靠近后随机离开

停滞反应

CR

SC-RM

SR

200

自由环绕巡航

缓慢靠近后随机离开

缓慢靠近后巡航离开

滑翔游泳

自由环绕巡航

停滞反应

CR

SC-RM

SC-CR

KG

CR

SR

对照组

无规则运动

自由巡航

停滞反应

RM

CR

SR

500 g 组

125

缓慢靠近声源后停滞

自由或环绕巡航

缓慢靠近后随机离开

停滞反应

SC-SR

CR

SC-RM

SR

对照组

无规则运动

自由巡航

停滞反应

RM

CR

SR

200

缓慢靠近后停滞

自由或环绕巡航

缓慢靠近后随机离开

无规则运动

停滞反应

SC-SR

CR

SC-RM

RM

SR

对照组

无规则运动

自由巡航

停滞反应

RM

CR

SR

注:无规则运动 RM( Random motion); 缓慢靠近 SC( Slowly

close); 滑翔游泳 KG(Kicking-Gliding model);自由或环

绕巡航反应 CR (Cruise response);停滞反应 SR (Standstill

response)

3 讨论

3. 1 低频振动对大黄鱼行为的影响

Banner

[17]使用标准地震探测器测量了声学

5

渔 业 现 代 化 2023 年

粒 子 振 动, 并 证 实 了 柠 檬 鲨 ( Negaprion

brevirostris)可感知声粒子位移。 Lu 等[18] 使用自

制振动系统从-90° ~ 90°方向对鱼类粒子振动行

为感知阈值进行了测量,并提出粒子振动在鱼类

听觉测量中更精准。 而在本研究振动刺激的行为

试验中,未出现明显的应激行为反应(即敲罟作

业描述的行为现象),这主要是由于单一的激振

器无法模拟上百艘渔船敲罟作业的方式,水下噪

声无法达到振晕大黄鱼的量级。 本试验使用的是

250 g 和 500 g 的大黄鱼成鱼,而大黄鱼成鱼鱼鳔

已发育完全。 因此,对声压表现更加敏感,对振动

刺激的敏感性较弱。 另一方面原因可能是由于试

验用水槽尺寸规格较小,大黄鱼虽然能清晰感受

到振动现象,但由于行动范围受限而无法对其做

出相应的趋避行为。

3. 2 低频振动对大黄鱼血液指标的影响

鱼的应激由下丘脑-垂体-髓质(HPI 轴) 控

制[19]

。 鱼的应激主要表现为生理参数的波动,导

致鱼体内外稳态的变化。 皮质醇、肾上腺素、甲状

腺素和其他指标被广泛地用作鱼类应激指标,以

评估鱼类所面临的各种环境和运输压力[20-23]

。

从振动刺激试验结果可知,250 g 试验组,125

Hz 频率条件下肾上腺素变化(增长约 40. 93%)

最为显著(P<0. 05);200 Hz 频率条件下甲状腺

素(增长约 41. 08%)变化最为显著(P<0. 05),除

了肾上腺素以外,其他血液指标增长均高于 125

Hz 频率组,故认为 250 g 大黄鱼对 200 Hz 更为敏

感;500 g 试验组,125 Hz 频率条件下甲状腺素

(增长约 28. 68%)变化最为显著(P<0. 05),其他

项血液指标均出现了下降等情况;200 Hz 频率条

件下也是甲状腺素(增长约 41. 79%)变化最为显

著(P<0. 05)且高于 125 Hz 频率组,而其他项血

液指标在 200 Hz 频率组则不同程度地出现增长

的情况,故认为 500 g 大黄鱼对 200 Hz 更为敏感。

综合分析认为,试验水槽的振动导致水体流

场不断发生各种不规则变化,这些变化通过侧线

器官被大黄鱼感受到并产生应急反应,该现象与

鱼类在运输胁迫下的响应相吻合[21,24-25]

。

3. 3 低频振动应激对鱼类肌肉品质的影响

肌肉是动物体内最基本的物质,也是最大的

能量和氨基酸储备[26-27]

。 由于受到多种不利环

境因素的干扰,以及运输和屠宰等因素的作用,动

物会产生应激反应,从而造成肌肉品质下降,生长

迟缓,免疫力下降等现象[28]

。 当受到胁迫因素的

影响而发生应激时,其对应激的响应是通过调节

体内一些与之有关的物质的代谢来影响其正常的

生理状况,从而导致鱼体出现“亚健康”“疲倦”等

现象,进而影响其肉质。 从本次振动刺激试验结

果可知:除振动频率为 125 Hz,500 g 试验组以

外,其他试验组肾上腺素、皮质醇、甲状腺素均出

现了不同程度的增长。 处于应激反应状态中,肾

上腺分泌肾上腺激素,面对慢性而持续的刺激,肾

上腺也会分泌皮质醇,又称为糖皮质激素,能够快

速升高血糖,急性应激下,鱼体内与葡萄糖代谢相

关的酶类活性显著升高,而肌肉中糖原含量显著

降低,血液中葡萄糖浓度升高[27,29-30]

。 这表明刺

激提高了鱼的生命活动,这会导致体内无氧糖酵

解、脂质过氧化和其他反应的增加。 这时,身体调

动与能量代谢相关的物理化学反应来适应压力,

导致 代 谢 物 大 量 堆 积, 从 而 导 致 肌 肉 质 量

下降[27,31-32]

。

4 结论

本研究通过自制钢制水槽及作动器模拟养殖

工船结构声能量的传递,并利用传统敲罟作业捕

捞大黄鱼过程中的噪声主频率对大黄鱼进行振动

刺激试验。 在振动刺激条件下,250 g 和 500 g 组

的试验鱼在 120 Hz 和 200 Hz 条件下生理生化指

标均变化显著,从一定程度上解释了渔船敲罟作

业的工作原理。 大黄鱼行为上未出现明显的应激

行为反应,主要是由于单一的作动器无法模拟上

百艘渔船敲罟作业的方式,水下噪声无法达到振

晕大黄鱼的量级;从应激反应生理生化指标变化

结果可知,250 g 组和 500 g 组大黄鱼均对 200 Hz

更为敏感,养殖工船的声学控制过程中须特别注

意此频率下的控制效果。 本研究仅做了 125 Hz、

200 Hz 频率,今后将从不同鱼体规格、振动刺激

频率、养殖密度进行试验,为实现对养殖工船内水

下噪声定量控制,提升大黄鱼的生长率、存活率以

及品质提供数据参考和理论依据。 □

参考文献

[1] 汉霖. 大黄鱼内耳解剖[J]. 上海水产大学学报,1992,1(2):

147-152.

[2] 刘晃,徐皓,庄志猛. 封闭式养殖工船研发历程回顾[ J]. 渔

6

第 6 期 叶林昌等:低频振动刺激对大黄鱼行为及生理影响

业现代化,2022,49(5):1-7.

[3] 董邦宜. 船体固体声控制技术综述[ J]. 噪声与振动控制,

1983(2):15-22.

[4] 虞嘉玥,王杰,孙鹏,等. 不同养殖密度下大黄鱼的生理响应

及应激敏 感 指 标 的 筛 选 [ J ]. 海 洋 渔 业, 2022, 43 ( 3 ):

327-339.

[5] 王利娟. 大口黑鲈保活运输的研究[D]. 上海:上海海洋大

学,2015.

[6] 程守坤. 鳜鱼活体运输技术基础研究[D]. 上海:上海海洋大

学,2015.

[7] 张饮江,黎臻,谢文博,等. 金鱼对低温、振动胁迫应激反应的

试验研究[J]. 水产科技情报,2012,39(3):116-122.

[8] 王文博. 环境胁迫、中草药及基因转植对鱼体非特异性免疫

功能的影响[D]. 武汉:中国科学院研究生院(水生生物研究

所),2005.

[9] DEMERS N E,BAYNE C J. The immediate effects of stress on

hormones and plasma lysozyme in rainbow trout [ J ].

Developmental & Comparative Immunology,1997, 21 ( 4): 363

-373.

[10]张宇雷,管崇武. 船载振动胁迫对斑石鲷影响实验研究[ J].

渔业现代化,2017,44(3):29-34.

[11]林听听,刘鑫,王昌勃,等. 船舶噪声声压级对大黄鱼幼鱼游

泳、摄食行为及免疫生理指标的影响[ J]. 海洋渔业,2020,

42(1):61-72.

[12]刘贞文,许肖梅,黄二辉,等. 大黄鱼的声刺激行为研究[ J].

应用海洋学学报,2014,33(1):105-110.

[13]施慧雄,焦海峰,尤仲杰,等. 船舶噪声对鲈鱼和大黄鱼血浆

皮质醇 水 平 的 影 响 [ J]. 生 态 学 报, 2010, 30 ( 14 ): 3760

-3765.

[14]张旭光,陈佳,刘鑫,等. 水下金属的腐蚀电场诱发西伯利亚

鲟摄食行为反应[ J]. 中国水产科学,2021, 28 ( 10): 1272

-1280.

[15]方可菲,刘鉴毅,王妤,等. 投喂频率对长鳍蓝子鱼幼鱼生长

性能、肌肉粗营养及血清生化指标的影响[ J]. 海洋渔业,

2021,43(3):308-317

[16]解竞静. 大黄鱼肌纤维生长和脂肪沉积规律以及甲状腺激

素的作用[D]. 南京:南京农业大学,2006.

[17]BANNER A. Evidence of sensitivity to acoustic displacements in

the lemon shark,Negaprion brevirostris( Poey) [ J]. Lateral line

detectors,1967(1):265-273.

[18]LU Z,POPPER A N,FAY R R. Behavioral detection of acoustic

particle motion by a teleost fish (Astronotus ocellatus):sensitivity

and directionality [ J ]. Journal of comparative physiology. A,

Sensory,neural,and behavioral physiology,1996,179 ( 2):227

-233.

[19] FERGUSON R A,KIEFFER J D,TUFTS B L. The effects of

body size on the acid-base and metabolite status in the white

muscle of rainbow trout before and after exhaustive exercise[J].

Journal of Experimental Biology,1993,180(1):195-207.

[ 20 ] MARTÍNEZ PORCHAS M, MARTÍNEZ - CÓRDOVA L R,

RAMOS - ENRIQUEZ R. Cortisol and Glucose: Reliable

indicators of fish stress? [J]. Pan-American Journal of Aquatic

Sciences,2009,4(2):158-178.

[21]徐钢春,杜富宽,聂志娟,等. 10‰盐度对长江刀鲚幼鱼装载

和运输胁迫中应激指标的影响[ J]. 水生生物学报,2015,39

(1):66-72.

[22]彭士明,施兆鸿,李杰,等. 运输胁迫对银鲳血清皮质醇、血

糖、组织中糖元及乳酸含量的影响[ J]. 水产学报,2011,35

(6):831-837.

[23] ANDERSON P A,BERZINS I K,FOGARTY F, et al. Sound,

stress,and seahorses:The consequences of a noisy environment to

animal health[J]. Aquaculture,2011,311(1 / 4):129-138.

[24]ACERETE L,BALASCH J C,ESPINOSA E,et al. Physiological

responses in Eurasian perch (Perca fluviatilis,L. ) subjected to

stress by transport and handling[J]. Aquaculture,2004,237(1 /

4):167-178.

[25]OYOO-OKOTH E,CHEROP L,NGUGI C C,et al. Survival and

physiological response of Labeo victorianus( Pisces:Cyprinidae,

Boulenger 1901) juveniles to transport stress under a salinity

gradient[J]. Aquaculture,2011,319(1 / 2):226-231.

[26] LOGAN C A, BUCKLEY B A. Transcriptomic responses to

environmental temperature in eurythermal and stenothermal

fishes[ J]. Journal of Experimental Biology, 2015, 218 ( 12):

1915-1924.

[27]尤孝鹏,汪兰,熊光权,等. 运输应激对鱼类生理特性和肌肉

品质影响的研究进展[J]. 食品科学,2021,42(7):311-318.

[28] TERLOUW E M C, ARNOULD C, AUPERIN B, et al. Pre -

slaughter conditions,animal stress and welfare:current status and

possible future research[J]. Animal,2008,2(10):1501-1517.

[29] CHATTERJEE N, PAL A K, DAS T, et al. Secondary stress

responses in Indian major carps Labeo rohita( Hamilton),Catla

catla ( Hamilton ) and Cirrhinus mrigala ( Hamilton ) fry to

increasing packing densities[J]. Aquaculture Research,2006,37

(5):472-476.

[30]DOBSIKOVA R V A F,SVOBODOVA Z V A F,BLAHOVA J V

A F, et al. The effect of transport on biochemical and

haematological indices of common carp ( Cyprinus carpio L. )

[J]. Czech Journal of Animal Science,2009,54(11):510-518.

[ 31 ] MOMMSEN T P, VIJAYAN MM, MOON T W. Cortisol in

teleosts: dynamics, mechanisms of action, and metabolic

regulation[ J]. Reviews in fish biology and fisheries, 1999, 9

(3):211-268.

[32]RUANE N M,CARBALLO E C,KOMEN J. Increased stocking

density influences the acute physiological stress response of

common carp Cyprinus carpio (L. ) [ J]. Aquaculture Research,

2002,33(10):777-784.

7

渔 业 现 代 化 2023 年

Study on behavior and physiology of low frequency

vibration for Larimichthys crocea

YE Linchang

1

,LIU Yun

1

,LIU Yuan

1

,GUO Jianlei

2

,YIN Leiming

2

(1 Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute,Shanghai 201108,China;

2 Center for Marine Ranching Engineering Science Research of Liaoning Province,

Dalian Ocean University,Dalian 116023,Liaoning,China)

Abstract:In order to understand the effect of low - frequency vibration stimulation on the behavior and

physiology of Larimichthys crocea,this study simulated the vibration of breeding cabin by self-made steel sink

and actuator,and used the main frequency of underwater noise of traditional knocking operation to catch large

yellow croaker. The frequency of 125 Hz (150 dB) and 200 Hz (150 dB) were used to conduct vibration

stimulation experiments on 250 g and 500 g groups of large yellow croaker to determine the behavioral response

and physiological and biochemical changes of large yellow croaker ( cortisol, epinephrine, thyroxine). The

results showed that:(1) In the early stage of acoustic stimulation,the behavioral responses of the two groups of

test fish were characterized by random movement,cruising away after slow approach,free or around cruising.

After adaptation,the test fish were basically in a regular or free cruising around the wall,cruising away after

slow approach,or stagnant,and there was no obvious disturbance response. (2) In 250 g test group,the change

of adrenaline at 125 Hz frequency (about 40. 93% increase) was the most significant (P<0. 05). Under the

condition of 200 Hz frequency,the change of thyroxine (increased by about 41. 08%) was the most significant

(P< 0. 05). Except for increase of other blood indexes except epinephrine was higher than that of 125 Hz

frequency group. Therefore,250 g large yellow croaker was more sensitive to 200 Hz. In the 500 g test group,

the change of thyroxine ( increased by about 28. 68%) at 125 Hz frequency was the most significant ( P <

0. 05),and other blood indexes decreased. Under the condition of 200 Hz frequency,the change of thyroxine

(increased by about 41. 79%) was the most significant (P<0. 05) and higher than that of 125 Hz frequency

group,while other blood indexes increased in different degrees in 200 Hz frequency group. Therefore,the 250 g

and 500 g groups were more sensitive to 200 Hz vibration stimulation. In this study, the effects of low -

frequency vibration stimulation on the behavioral response and physiological and biochemical indexes of large

yellow croaker were analyzed. The aim was to improve the growth rate,survival rate and quality of large yellow

croaker during the breeding process of large yellow croaker,and to provide data support and reference.

Key words: Larimichthys crocea; low frequency vibration; behavioral response; physiological indicators;

aquaculture platform; deep sea aquaculture

8

综 述 与 专 论

标题 作者 结论 核心观点 创新点我国离岸养殖工程发展策略 徐皓等

提出了中国离岸养殖工程的发展

目标和战略

发展离岸养殖工程对于保障水产品供给、

开发蓝色国土资源具有重大意义

提出至2020 年形成面向深海的养殖生产与流通体系封闭式养殖工船研发历程回顾 刘晃等

强调了封闭式养殖工船在深远海

养殖中的重要性

提出养殖工船的发展历程、技术特点、经

验做法，并展望了可持续发展

首次系统总结了封闭式养殖工船的研发历程，提出了未来发展的方向和策略养殖工船系统构建与总体技术探讨 崔铭超等

探讨了养殖工船的系统构建和总

体技术框架

养殖工船是深远海养殖工程的核心装备，

养殖工船的系统构建对实现规模化深远

海养殖至关重要

提出构建深远海养殖工船系统和总体技术框架的初步探讨中国深远海养殖发展方式研究 徐琰斐等

养殖品种选择、养殖系统构建、养

殖海域规划是深远海养殖产业稳

步有序发展的关键

发展深远海养殖是突破生态环境和自然

资源约束性挑战的战略选择

界定中国深远海养殖概念，提出养殖品种选择和养殖系统构建的新思路深远海养殖装备系统方案研究 黄温赟等

深远海养殖装备系统方案对推动

深远海养殖发展具有重要意义

深远海养殖是拓展养殖区域、提高海产品

产量的重要方式

利用大型货船改造为养殖工船，提出养殖工船功能设计和结构改建的方案中国深远海养殖装备发展探议及思

考

鲍旭腾等

深远海养殖装备存在自动化、智能

化差距

深远海养殖对渔业现代化和可持续性至

关重要

提出装备发展定位、功能拓展和科技支撑的建议

船 体 结 构 及 系 统 研 究

标题 作者 结论 核心观点 创新点工船养殖集中控制系统研发与应用 黄温赟等

实现了对养殖参数的监测和集中

显示等功能

为养殖工船提供了有效的生产过程管理 养殖工船的集中控制系统研发某型深远海养殖工船动力系统方案

设计

黎建勋等

交流电力推进系统作为最优配置

方案

动力系统方案对养殖工船安全性、可靠性

与经济效益至关重要

提出了养殖工船动力系统的最优配置方案，为同类工船提供借鉴大型养殖工船的结构设计 王靖等

验证了养殖工船结构设计的合理

性

养殖工船结构设计需满足各种作业工况

及养鱼布置条件下的强度要求

首次将双壳油船规范应用于养殖工船结构设计，结合有限元方法进行强度校核基于三维势流理论的深远海养殖工

船耐波性能分析

韩冰等

在六级海况下需考虑加装减摇装

置或运营管理来确保安全

养殖工船耐波性能分析对确保人员、设备

和养殖安全至关重要

构建了养殖工船耐波性能分析方法及评价体系，为同类船舶设计提供参考动态边界粒子 SPH 法在养殖工船横

摇液舱晃荡模拟中的应用比较

赵新颖等

研究养殖工船养殖舱晃荡对结构

强度和养殖安全的影响

引入动态边界粒子法解决SPH法固壁边界

上的粒子截断误差问题

首次将动态边界粒子SPH 法应用于养殖工船横摇液舱晃荡模拟，提供了数值模拟的新方法

基于晃荡载荷的养鱼水舱操作平台

结构强度分析

王靖等 操作平台设计满足规范要求

晃荡载荷计算和强度分析方法为后续船

设计提供参考

晃荡载荷计算和操作平台强度分析方法

10 万吨级养殖工船快速性及动力

系统配置分析

崔铭超等 提出了电力推进系统的配置方案

探索了养殖工船快速性研究方法和动力

系统配置，为同类船舶设计提供参考

首次将CFD 技术和船模试验相结合，用于养殖工船快速性研究和动力系统优化养殖工船视域盲区分析研究 王庆伟等

改装设计的养殖工船主甲板上吊

机不影响驾驶室视线

针对养殖工船视域盲区问题提出了新的

解决方案，适用于类似船舶

提出了一种新的视域盲区处理方法，适用于主甲板上设备布置复杂的船舶养殖工船电力推进调距桨动力系统

策略

黎建勋等

该系统简化了动力系统配电网络，

提高了系统冗余度

经济性、可行性、可靠性、适渔性的新型

动力系统策略

新型动力系统设计散货船改装养殖工船的经济论证模

型及系统设计

张光发等

确定了适合改装为养殖工船的散

货船型

深远海养殖工船是新型海洋作业平台，改

装散货船为养殖工船具有经济和技术可

行性。

开发了可用于养殖工船的技术经济论证系统，提供了改装散货船为养殖工船的经济论证模型。养 殖 环 境 及 配 套 设 施

标题 作者 结论 核心观点 创新点基于氨氮平衡的水产养殖换水率计

算方法研究

张宇雷等

提出了基于氨氮平衡的换水率计

算方法

准确计算养殖所需换水率对于减少养殖

平台运行维护成本、提高经济效益具有重

要意义。

提出了基于氨氮平衡的换水率计算方法，为深远海大型养殖平台养殖模式与系统设计提供基础数据和技术支撑。深远海养殖工船投饲系统设计 王志勇等

投饲系统能有效完成工船养殖模

式的投喂需求

为深远海养殖工船投饲系统研制提供了

技术参考

新型投饲系统设计深远海养殖自动投饲系统仿真分析

与试验验证

黄建伟等

自动投饲系统具有多种优点，适用

于深远海养殖的应用场景

自动投饲系统设计满足深远海养殖的实

用需求，优化了下料口、投料选择器等关

键管路结构

针对深远海养殖的特殊需求，优化了自动投饲系统的关键部件设计，提高了系统性能和适用性养殖工船自动投饲机设计和螺旋下

料器的仿真分析

高炜鹏等

螺旋下料器设计合理，满足投饲速

度 1.5 t/h 要求

为后续投饲设备设计和性能优化提供参

考

自动投饲机和螺旋下料器的新型设计基于 FLOW-3D 的船载舱养流场特性

分析

秦康等 横摇运动对鱼舱流场的影响较大 为船载鱼舱养殖提供理论指导 考虑横摇角度影响的流场特性分析底推流量对养殖工船分隔式舱养系

统水质影响的初步研究

管崇武等

底推流量与水质净化效果呈正相

关

有效解决无稳定旋转流态鱼池中排污和

调控水质问题

实现了分隔式舱养系统设计养殖工船排水管路内颗粒流动特性

研究

高瑞等

颗粒大小对流动影响显著，颗粒沉

积与流体流速成反比

为防止管路堵塞提供了科学依据 排水管路内颗粒物流动特性的数值模拟基于热流固耦合模型的养殖工船养

殖舱温度场数值模拟

翟绪辉等

保温层厚度对水温空间分布无显

著性影响

为养殖工船养殖舱温度场的数值模拟提

供了新方法

热流固耦合模型应用于温度场模拟低频振动刺激对大黄鱼行为及生理

影响

叶林昌等 200 Hz 振动刺激更敏感

低频振动对行为影响小，生理层面有显著

影响

首次系统研究低频振动对大黄鱼生理影响