中国拥有绵延的海岸线和独特的陆缘海结构，其水文环境复杂多变。发展可移动式养殖设备，通过主动寻找适宜的养殖水域，能够更好地满足中国海水养殖业的需求^[1]。以大型游弋式养殖工船为核心的深远海养殖工程为渔业养殖提供了新的发展方向。20世纪70年代末，海上工业化养殖的设想首次被提出^[2]；随后，徐皓^[3]和蔡计强^[4]等对养殖工船展开系统研究；2019年，10万吨级大型养殖工船的技术研究与基础船型构建基本完成^[5]；2022年5月，全球首艘10万吨级大型养殖工船“国信1号”正式交付并投入运营，标志着海上工业化养殖进入了可以满足无限航区需求的新阶段。此外，崔铭超等^[6-9]提出了舱养流态适渔性问题,并对外部激励与进水方式等因素对舱内流态的影响展开了研究。

循环水养殖系统内的流场环境对养殖生物具有至关重要的影响。适当流速的养殖水体不仅利于鱼类生长，还能提升系统的自清洁性能^[10-11]。因此，流速大小与流场分布规律成为评价池内流场条件的重要因素^[12]。目前，对循环水养殖系统内流场流态的研究主要集中在陆基循环养殖系统^[12-15]。养殖工船作为一种特殊船舶，兼具船舶和水产养殖的双重特点，其船载养殖系统的实际应用缺少鱼类福利研究基础和经验的支撑。传统的陆基工厂化养殖模式以及液货船舶行业的研究均无法直接解释养殖舱结构对舱内流场适渔性的影响。

随着船载舱养技术在深远海养殖中的不断应用，养殖舱内流场研究逐渐受到关注。船舶不可避免的外部激励对舱内流场的干扰及其对适渔性的影响首先被提出^{[7-9, 16-20]}，Tao等^[6]阐述了外部激励和填充水平对横摇与俯仰运动的自然周期的影响。试验数据表明，当横摇角度超过3°时，晃荡对舱内流场的负面影响难以通过调整进水方式抵消^[20]。虽然液舱内加装隔板可有效抑制晃荡波振幅及角动量幅度^[21-22]，但这一措施会导致养殖空间被割裂，从而损害进出水口所营造的流场^[23]。Xiong^[24]和吉泽坤等^[25]对养殖舱进出水口及颗粒自身特性对固体排除效率的影响进行了探索；Zhang^[26]和Xue等^[27]发现，将养殖舱两直角边切角或倒圆后，养殖舱能兼顾水动力特性与空间利用率，这与陆基养殖池的研究结果接近^[28-29]。

陆基养殖池径深比变化对颗粒物输运及水动力特性的影响已有相关研究^[30-32]，但工船养殖舱内水体的径深比较小，导致陆基池大径深比下的研究结果对养殖舱流场的实践指导作用有限。其次，与原型试验相比，模型试验不可避免地存在缩尺效应以及模型与原型间的相似性问题^[20]。养殖水体面积直接决定了养殖产量，这直接影响工船的经济效益。目前，关于养殖舱径深比对舱内流场影响的研究尚未见报道。因此，通过采集原型舱流速数据，探索兼备舱内流态与经济效益的径深比范围，在机理认知和实际应用方面具有重要意义。

1.   １ 材料与方法

1.1   试验装置

1.1.1   工船与养殖舱

本试验在8 000 t级养殖试验平台“渔机一号深远海养殖试验平台”(以下简称“平台”)的养殖舱内进行，平台长64.5 m、型宽17.0 m、型深10.2 m，吃水7.7 m，排水量8 654.0 t，“平台”结构尺寸如图1所示。在实船试验过程中，平台始终处于锚泊状态，锚泊地点为山东省荣成市鸡鸣岛附近锚地(122°31'38''E, 37°26'20''N)，锚泊位置距岸约2 000 m。

图  1  养殖平台布置

Figure  1.  Aquaculture platform layout

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流速试验在T2养殖舱内进行，养殖舱舱长12.0 m、宽12.0 m、高9.75 m，最高液位9 m，最大容积为1 190 m³。养殖舱内共在4个切角处布置16个进水口，4层进水口距舱底分别为6.88、5.32、3.76、2.20 m，在养殖舱中央底部布置1个排水口，进出水口均可通过阀门调节流量，养殖舱进出水口布置如图2所示。

图  2  养殖舱进出水口位置

Figure  2.  Location of inlet and outlet of aquacultural tank

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1.1.2   试验仪器

本研究的流速数据通过声学多普勒流速剖面仪(Acoustic doppler current profiler, ADCP)采集。ADCP是一种基于多普勒频移原理设计的海洋观测仪器，常用于测量各深度水层的流速以及设备相对于水底的速度和深度。如图3所示，ADCP由多普勒流速剖面仪传感器和海卫平台 (SeaGuard II)两部分构成。该仪器由安德拉数据仪器公司生产，型号为DCPS 5400，测量精度为±0.3 cm·s⁻¹。其工作原理为：设备发射声波，通过接收反射回来的信号计算与水底的相对速度，并根据回波的时间差和频率变化确定测量点的深度。多普勒流速剖面仪传感器(Doppler current profiler sensor, DCPS) 以2 min间隔输出1组数据，获取1个垂直剖面上多个层次的流速分布数据，且层间距及层高可由用户设置。输出数据包括流速的三维分量(X、Y、Z 3个方向的矢量流速)以及绝对方向，输出的流速为采集时间内的平均流速。

图  3  声学多普勒海流剖面仪

Figure  3.  Acoustic doppler current profiler

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1.2   试验设计

本研究中，单个水泵的流量为180 m³·h⁻¹，舱内的进水和出水分别由2台水泵控制，舱内循环采用内循环方式(图4-a)。在试验过程中，设置了2处进水位置。为避免进水口数量对不同工况产生影响，试验开始前关闭了最上层 (6.88 m处)的入水口阀门。本次试验所使用的进水口位置如图4-b所示。

图  4  试验进水和出水口布置

Figure  4.  Layout of inlet and outlet for experiment

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根据ADCP的工作原理，应在待测区域内布置测点以完成该区域内的流速采集。由于养殖舱为中心对称结构，为避免流速采集测点的重复布置并提高试验效率，仅在舱内1/4区域布置测点。当舱内流场趋于稳定后，舱内流速主要由旋流惯性所致。舱内流场收敛后，4片水域的流速差距较小。因此，为避免进水口流场波动对舱内流场造成影响，选择入水口扰动最小的1/4处进行流速数据采集。如图5-a所示，养舱内共布置了9个流速采集测点，即测点1—测点9。其中，测点1位于养殖舱中央位置。为便于后续处理，将各测点至舱中央处(即1测点位置)的直线距离记为“距舱中心距离”； 测点1—测点9的距舱中心距离依次为0、1.1、1.5、3.0、3.2、4.5、5.3、5.5、5.8 m。

图  5  试验点布置(a)和ADCP层距 (b)

Figure  5.  Measurement point arrangement (a) and ADCP layer spacing (b)

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前文提到，DCPS输出的数据为单个测点内各层流速数据。在本试验中，设置层高为0.5 m，每个测点停留4~6 min，获得2组以上数据后，取其平均值作为该测点的流速。如图5-b所示，试验时使用吊机将ADCP倒置悬挂于养殖舱上方，并通过行车将其移动至待测点位。将ADCP探测器探头全部浸入水中后固定绳子，以确保其垂直向下。

1.3   试验分组

本研究基于养殖舱径深比设置，通过调整液位高度，采集不同工况下的流速数据,以分析径深比对舱内流场特征的影响。试验设置4组径深比,分别为1.4∶1、1.6∶1、1.8∶1、2.0∶1，对应的水深分别为8.57、7.50、6.67、6.00 m，各工况具体参数如表1所示。定义养舱长与液位高度之比为径深比L/H，各工况的示意图如图6所示。

表  1  试验分组

Table  1.  Test groups

工况 Working condition	径深比L/H Diameter to depth ratio	液位 Water surface height/m	舱容 Tanks capacity/m3	日循环次数 Number of daily cycle
A1	1.4∶1	8.57	1 120	7.7
A2	1.6∶1	7.50	985	8.8
A3	1.8∶1	6.67	873	10.0
A4	2.0∶1	6.00	782	11.0

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图  6  试验工况分组

Figure  6.  Grouping of experimental conditions

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1.4   数据处理

试验当日海况条件为小潮(死汛)，浪高范围为0.5~1.9 m，数据采集工作在24 h内完成。数据采集期间，平台始终处于锚泊状态。试验选择在风浪较小的窗口期进行，以避免外部激励引起船舶晃荡，从而对试验结果造成影响。

1.4.1   阻力系数

Oca等 ^[14,33]定义了养殖池内的阻力系数$ {C}_{\mathrm{t}} $，即在稳态流场状态下运行的养殖池系统,养殖池克服阻力消耗的能量与入口冲击力提供的能量相等。

式中：$ \mathcal{Q} $为进水流量；$ {\upsilon }_{\mathrm{i}\mathrm{n}} $为进水速度；$ {\upsilon }_{\mathrm{a}\mathrm{v}\mathrm{g}} $为池内平均速度；$ A $为湿周面积。

1.4.2   流场均匀性

循环水养殖系统内鱼类分布与流场特性有较大关联^[34]。任效忠^[35]将循环水系统中50%较低速度的平均值$ {\mathrm{V}}_{\mathrm{L}50} $与50%较高速度的平均值$ {\mathrm{V}}_{\mathrm{H}50} $的比值定义为$ {\mathrm{U}\mathrm{C}}_{50} $。为量化评估养殖舱内流场的均匀性，本研究以均匀系数$ {\mathrm{U}\mathrm{C}}_{50} $作为判别参数，并采用$ {\mathrm{U}\mathrm{C}}_{50} $分析养殖舱流速的均匀性。

式中：$ {\mathrm{U}\mathrm{C}}_{50} $为养殖系统的均匀系数；$ {\mathrm{V}}_{\mathrm{L}50} $(m·s⁻¹)为养殖系统内50%较低流速的平均值；$ {\mathrm{V}}_{\mathrm{H}50} $(m·s⁻¹)为养殖系统内50%较高流速的平均值；$ {\mathrm{U}\mathrm{C}}_{50} $越接近1，代表较低流速平均值与较高流速平均值越接近，养殖系统内的整体流场均匀性越好。

2.   结果

2.1   径深比对养殖舱流速分布特性的影响

如图7-a所示，在进水口和出水口的共同作用下,养殖舱内水体形成旋流。由图7-b可知，各径深比下的平均流速分布曲线趋势一致。养殖舱水体从舱壁到舱中心的流速呈现先减小、后增大、再减小的规律，曲线明显呈现出“M”型分布。在距养殖舱半径1/2处监测到的流场速度较低；从舱半径1/2处到舱中心，流速增幅较高；而从舱半径1/2处到边壁处，流速增幅较低。由于进出水口形成的漩涡流场，4种工况下中心处的流场流速均趋近于0 m·s⁻¹。

图  7  液面旋流 (a) 和舱内流速分布 (b)

Figure  7.  Water surface vortex (a) and flow velocity distribution in tank (b)

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对比4种工况可以发现，当径深比介于1.4∶1~1.6∶1区间时，随着径深比增大 (即液位降低)，单位水体平均接触舱壁面积 (湿周面积) 减小，摩擦消耗也随之减少，从而导致单位水体所蕴含的能量增加，此时平均流速增幅较大；当径深比进一步增大至1.6∶1~2.0∶1区间时，养殖舱水深下降速度减缓，单位水体平均接触舱壁面积的下降趋势趋于平缓，摩擦能量损失也随之减缓，因此呈现出流速增长缓慢且趋于接近的状态。

为探究舱内流速与湿周面积关系，采用回归模型对湿周面积和舱内平均流速进行线性回归分析。其线性回归方程为：V_mean= −0.085 8x + 0.63、r²=0.991、p=0.004 4。通过回归方程可看出，舱内平均流速与湿周面积呈显著的线性负相关关系，即湿周面积每增加1 m²，平均流速将下降8.58×10⁻⁴ m。如图8所示，对比4种工况下流速数据所绘制的箱型图可以发现，随着流速的降低，舱内离群值数量也有所增加。在A1工况下，舱内整体流速偏低，而舱中心处的流速较为突出，导致A1工况下出现更多的离群值。

图  8  湿周面积与平均流速的线性回归分析

Figure  8.  Linear regression analysis of wetted perimeter area and average flow velocity

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2.2   水平流速距舱中心距离的变化

图9展示了在A1、A2、A3、A4工况下工船养殖舱内水平流速分布情况。在4种工况下，养殖舱的平均水平流速分别为0.22、0.25、0.29和0.31 m·s⁻¹。整体来看，养殖舱的中央区域为低流速区，舱内的水平流速从舱中心至舱壁呈递减趋势，4种工况的最大水平流速均出现在距舱中心1.1 m处。

图  9  各工况下水平流速分布

Figure  9.  Horizontal flow velocity distribution under various operating conditions

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从图9可以看出，舱内各点的水平流速与平均流速的变化规律一致，流速随径深比的增加而增大。在A1工况下，舱内流速相对较低，舱内存在明显的低速区 (流速低于0.1 m·s⁻¹)^[30]，低速区占舱体总水体面积的12%；在A2工况下，舱内流速有所改善，低速区占比降至5.5%；在A3、A4工况下，舱内各点流速均有所提升，低速区显著缩小，整体流速得到改善。为直观展示流场变化，低速评定标准已在图中示出(红色虚线)。

2.3   垂向流速距舱中心距离的变化

ADCP在水体内偶尔以Z坐标为轴做小幅旋转运动(±5°内)，在水平流速中无法判断流速方向，但垂向流速可被ADCP检测到。图10中，流速值的正负代表垂向流速的方向，正值表示垂向流速方向为向上，即从舱底至水面；负值则表示方向向下。

图  10  各种工况下垂向流速分布

Figure  10.  Vertical flow velocity distribution under various operating conditions

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对比A1、A2、A3、A4工况下的垂向流速箱型图可以发现，随着径深比的增大，靠近舱壁处向下和舱中心处向上的垂向流速均有所提高。4种工况下的垂向流速平均值分别为0.004 2、−0.016 3、−0.014 4、−0.015 2 m·s⁻¹。4种工况下工船养殖舱内垂向流速的范围分别为−0.147 6 ~0.227 1、−0.162 8~0.127 3、−0.245 5~0.112 8、−0.197 7~0.999 8 m·s⁻¹。在4种工况下，距舱中心1 m处多数表现为上升的垂向流速，而靠近舱壁位置多数表现为向下的垂向流速。此外，在距离舱中心最近的2个测点处，液位1 m以下的垂向流速均为向下，这可能与养舱底部中央处的出口排水有关。

如图10所示，在4种工况中，A1工况下的垂向流速相对较弱，仅在距舱中心1.1 m处有上升的垂向流速，而靠近舱壁处下降的垂向流速并不明显；A2工况下，在舱中心1.1 m处流速得到提升，但边壁处仍未出现大幅的下降垂向流速；与A1、A2工况相比，在A3和A4工况中，靠近舱中心的区域整体呈现上升的垂向流速趋势，且在靠近舱边壁处有明显的下降垂向流速。为直观展示流场变化，垂向流速0值已在图中示出(红色虚线)。

2.4   径深比对阻力系数的影响

在固定换水流量的条件下，根据公式(1)计算得到各工况下养殖舱的阻力系数。随着径深比的增大，养殖舱阻力系数总体呈现上升趋势，其中径深比为2∶1时，养殖舱阻力系数最低。如图11所示，养殖舱阻力系数的变化趋势与径深比和舱内平均流速呈负相关。当径深比从1.4∶1增加到1.8∶1时，养殖舱内阻力系数从15×10⁻⁴降至6×10⁻⁴，降幅达59%。当径深比从1.8∶1增加到2∶1时，阻力系数的变化趋于平缓，表明养殖舱水体克服阻力所消耗的能量相近，因此有相近的能量用于维持水体的循环速度。

图  11  各工况下养殖舱内阻力系数与流场均匀性指数

Figure  11.  Drag coefficient and flow field uniformity index in aquacultural tank under various operating conditions

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通过公式(2)计算得到舱内流场均匀性指数，如图11右侧所示。随着径深比的增大，养殖舱内流场均匀性显著提高。当径深比较小 (即液位较高) 时，养殖舱水体流速受舱壁摩擦阻力的影响较大，导致能量损耗显著，高流速区域与低流速区域之间的差异明显，流场均匀性较低；随着径深比的增大，舱内整体流速提升，高低流速区域之间的差异缩小，流场不均匀性显著减小。从图5中也可以看出，A1工况下舱内离群值较多，进一步证实了径深比的降低会导致离群值增加和流场均匀性下降。

3.   讨论

舱内流场会影响鱼类的生理和行为^[36]。适于鱼类福利的流速上下限与养殖鱼类的体长相关，且因鱼种的不同而有所差异^[37-39]。整体来看，4种径深比下的流速分布趋势一致，舱壁及中心处的流速梯度变化较大，养殖舱内流速从舱壁向舱中心呈减小趋势，而在排水口附近流速再次增大，这种现象验证了Li^[40]通过仿真研究得出的养殖舱内流场特征结论。当径深比小于1.6∶1时，舱内流速较低，流场均匀性不高，较差的水力混合条件导致了“死区”的产生；当径深比大于1.6∶1时，整体流速较快且流场均匀性较高，有利于鱼类福利，且连续平稳的流速梯度更有利于颗粒物的排除。此外，舱内流速随着径深比产增大而显著提升。湿周面积是指水体与舱体之间接触的表面积，是影响养殖舱内水动力特性的重要因素之一。较大的湿周面积意味着更多的水体与舱体表面接触，从而导致养殖舱内阻力系数增大。当径深比较小 (即液位较高) 时，湿周面积的增加导致阻力系数提高，使得养殖舱整体平均流速较低，此时需通过提高日换水次数，以避免大面积低速区的出现。

二次流是指由舱内水体周向流动(主流)引起的另一种伴随的流动(次流)，这种现象被称为“茶杯效应”^[41]。在循环水系统中，出水口一般位于系统底部中央，这种设计能够有效引导水流形成旋转流态，从而促进颗粒物的聚集与沉降，保障舱内水体的持续清洁。养殖舱流场分布特征统计表明，当径深比小于1.8∶1时，靠近养殖舱中心处产生向上的垂向流速，但由于边壁处垂向流速不高，整体二次流强度较弱；当径深比大于1.8∶1时，靠近养殖舱中心处的垂向流速保持持续增长，边壁处的垂向流速即舱内二次流强度得到提升。流速的提高对养殖系统内颗粒物输运具有积极影响^{[30, 42]},这主要归因于二次流强度的提升^[43]。在物模与实船试验中，除舱壁处出现的高流速区外，距离舱中心1 m处也出现了高流速区^[20,40]，此区域流速较为湍急，鱼类进入后可能会出现失衡、无法逃逸等问题，造成养殖生物不适。

因试验条件限制，本研究只采集了相对稳定的1/4流场数据，且水平流速方向的偏移导致了二次流方向未能准确确定。因此，未来研究将围绕养殖生物的适渔性需求，优化试验设计，以更深入地分析舱内流场特性，为工船养殖提供更全面的数据支撑。

4.   结论

养殖舱内的流速沿舱直径的变化呈“M”型分布；舱内水体平均流速与湿周面积呈现线性递增关系，且靠近养殖舱中心处的速度增量更高。在养殖舱此类雷诺数高的流场中，水平流速在合流速中占据主导地位，并决定了舱内整体流速的变化趋势。

从适渔性角度来看，径深比对方形切角养殖舱内的流场影响明显。径深比介于1.4∶1~1.6∶1时，舱内平均流速较低，射流的能量利用效率不足，需要通过提高循环次数来维持舱内流速；径深比介于1.8∶1~2∶1时，舱内具有良好的水动力条件且二次流强度较高，保证了空间的高效利用，也可满足动物福利的需求。

从循环水利用的角度来看，径深比大于1.8∶1后，径深比的进一步增加对舱内流场的改善效果有限。径深比为1.8∶1的养殖舱在流速与能量利用效率之间达到较好的平衡。综合考虑舱内流场特性与经济效益的需求，该径深比在工船养殖系统中应作为优先选择。