在圆形养殖池中，不同密度的鱼所引起的水流和湍流的变化
海水网箱、淡水网箱或陆基网箱广泛用于鳍鱼养殖，大量的鱼可以限制在相对较小的体积，以最大限度地提高产量。然而，水产养殖的成功在很大程度上取决于确保养殖池或网箱内的条件适合维持健康和促进鱼类种群的福利和增长。为了设计进行水产养殖的系统，必须了解水动力条件，以便使鱼类接触到合适的速度和氧气水平，并充分分配饲料和清除废物。
研究表明，鱼类可以对养殖池和网箱的水动力条件产生影响。网箱里的鱼会减弱水流并改变水流方向，并增加养殖池和网箱中的湍流和混合。各种研究表明，在网箱和养殖池中的鱼对水动力和水质条件表现出偏好，这影响了它们的行为和分布。因此，必须考虑鱼类对水流的任何影响，反之亦然，以便能够准确预测鱼群所面临的条件。
本研究，在商业鲑鱼养殖池中进行实验。使用封闭式养殖池而不是网箱的优点是，背景条件保持不变，以便于更容易地隔离鱼类的影响。本研究调查了以下问题：(1)在不同鱼类密度下，是否可以观察到平均流速和湍流强度的变化?(2)这些变化对于氧的输送有什么意义?(3)鱼类引起的湍流增加是否会增强氧气输送，从而弥补氧气的损耗?
殖池有20面，我们把它当做圆形，直径为15m，总容积736.5m3。养殖池底部向中心倾斜，侧壁处水深为4.0m，中心处水深增加至4.5m。养殖池内有两股水流入:原水供给和脱气系统的回流显示了入口、出口、脱气回收器和回流管的位置。进水管有10个直径为50mm的圆孔，沿着切线方向；脱气回流管有四个直径为115mm的圆孔，也沿着切线方向。图(b)为养殖池的平面示意图，显示各种入口和出口的位置以及测量位置。距离是从养殖池中心沿径向测量的。速度坐标在水流方向上定义为正切向，v径向向外为正，而w向上为正。
实验使用三种大小的大西洋鲑鱼(Salmo salar)幼鱼进行，如下表所示。
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项目 |
仪器设备 |
规格 |
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进水速率 |
超声波流速计 |
Portflow 330，Georg Fischer，瑞士 |
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流速 |
声学多普勒测速仪 |
200 kHz, Simrad EK15, Konsberg Maritime AS，挪威 |
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溶解氧 |
电偶溶解氧传感器 |
DO-OEM, AMT Analysen-messtechnik GmbH, 德国 |
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温度 |
温度记录仪 |
MiniDOT，PME，Vista，CA，美国 |
在低密度和中密度时，靠近水面的鱼表现出成群游动的行为，它们通常在养殖池中保持位置，以与周围的鱼相似的方式游动。个别的鱼偶尔会游过或绕着鱼游，但总的来说，鱼是列队游的。养殖池周围的鱼的分布没有视觉上的差别，但在流速较低的养殖池中部鱼密度最低。中间的鱼游得更随意,而在最高密度时，鱼的行为显得更加混乱。鱼在养殖池里会频繁地变换位置，不会一直待在队伍里。游泳的方向通常是进入水流中，与水流方向相反。结果表明，鱼群的平均游动速度与水流的平均速度相吻合，且鱼群没有明显的净旋转。
鱼的存在对养殖池内的流速有很大的影响。图为水深2.0 m处的平均速度测量值，为了便于比较，整个养殖池的流速分布在适当的进水速度下，将空养殖池内的平均速度归一化。
可知，在空养殖池中，在距离养殖池中心5-6米(0.67<r/R<0.80）观察到的最高流速是向外壁略微减少，这是由来自侧壁的边界层引起的。在中密度养殖的（35.6 kg /m3）情况下，外壁附近的流速大小与空养殖池相似，但养殖池内部的流速大幅降低(r/ R<0.5)。低密度和中密度鱼的跨池流速分布大体相似。在高密度养殖(79.4 kg/m3)的情况下，在离墙最近(距离外墙0.6米)的测量处记录到最高流速。高密度是唯一在靠近外壁处没有测量到流速下降。在r=5.0m时(a)切向速度和(b)径向(正向向外)速度，U0表示没有鱼的养殖池的平均流速。图（a）显示，当有鱼存在时，切向速度下降，特别是在鱼密度高的情况下；在低密度和中密度时，速度的下降也很明显，且低密度鱼类种群结构显示出的速度下降略大于中密度鱼类种群；在有鱼和没有鱼的情况下，在靠近池底的地方均记录到了最高的流速。图（b）显示，鱼的对径向速度的影响相对较小。
下图分别表示不同养殖密度下的（a）湍流动能（TKE）、（b）相对湍流强度（I）、（c）r=5.0m时的湍流耗散率（ε）的剖面图。在没有鱼存在时，TKE向养殖池底部增加，这可能是由边界层湍流引起的；有鱼存在时，TKE更高，并且在垂直方向上表现出更大的可变性。图（b）显示，在没有鱼存在时，I的平均值为0.131；在有鱼存在时，低、中、高养殖密度时I的平均值分别为0.207、0.208和0.433。图（c）显示，在距养殖池中心5米处耗散率的垂直剖面与TKE的剖面（图a）相似，当有鱼存在时，耗散率始终较高，但在垂直方向上有相当大的变化。
显示了流速和氧气波动的相互关系，结果表明，随着鱼类的出现，氧气的湍流输送呈下降梯度趋势。在没有鱼存在时，养殖池中接近零的径向通量和水平通量与测量的接近均匀的氧浓度一致。在有鱼存在时，切向方向的氧气湍流输运最强，向水流方向输运氧。显示了平流氧通量。平流通量的大小与平均流速分量成正比。由于较低的流速和较低的氧密度，在切向方向上，平流氧通量随鱼密度增加而减小。径向通量与低养殖密度时相似，但在高养殖密度时略有增加，特别是在1.5 m和3.0 m深度处。在2.5m以下，有鱼类存在时，垂直通量呈上升趋势，但在其他方面没有观察到明显的趋势。
本研究的第一个目标是确定是否可以检测到鱼引起的平均流量和湍流的变化。数据清楚地表明，在研究的圆形养殖池中，鱼的存在降低了流速，改变了流速的空间分布，并增加了湍流(TKE和耗散率)。增加的湍流是因为，鱼在游泳时消耗能量克服阻力，从而为水流提供能量。
该表报告了养殖池内的平均流速。比较三种相同进水速度的配置，流速随着鱼密度从0增加到中高密度而减小，表明鱼类增加了养殖池中的流动阻力。
根据测量的耗散率估计的相对鱼类密度，绘制出鱼类低养殖密度和高养殖密度的回声测深仪近场和壁面反射之差。鱼的相对密度通过养殖池平均鱼密度(n0=鱼的总数/养殖池容积)进行归一化。湍流动能和湍流耗散率剖面的形状与回声测深数据显示的鱼群密度分布相似。
在不同的实验中，湍流引发的相对鱼类密度的垂直剖面有所不同。这些鱼类分布的差异可能是由于鱼类大小和饲养密度以及摄食或光照等因素造成的。
溶解氧的混合和运输：
本研究提出的第二个问题是，关于溶解氧的混合和运输，鱼类引起的额外湍流是否重要。在这里将重点讨论最高的鱼类养殖密度，因为可以直接比较相同进水条件下的空养殖池。
根据测得的径向湍流氧通量估算溶解氧的紊流扩散系数，氧的湍流扩散的时间尺度可以估计为T=R2/K，其中K是的径向氧扩散率和r容器半径。
计算结果表明，与空养殖池相比，鱼诱导的湍流使氧气的扩散率增加了约三分之一，且垂直和径向的湍流氧通量与垂直和径向的氧梯度一致。
另外，在较小的鱼中观察到较高的径向和切向湍流氧通量，这表明鱼的大小可能也会影响湍流和湍流运输。
数据表明，在相同的进水条件下，有鱼的养殖池的流速相对于没有鱼的养殖池的流速降低。同时，湍流增加。在鱼类密度最高(79.4 kg/m3)时，流速降低和湍流增加幅度最大。因此，在设计用于养鱼的养殖池时，可能需要考虑鱼引起的阻力增加。湍流强度、动能和耗散率的测量似乎与当地鱼类密度有关，回声测深数据表明鱼类密度较高的地方测量到的湍流更大。
对氧的湍流输送的测量表明，湍流向内和垂直向低氧密度区域输送氧气，但也在净切线方向(在水流方向)。对氧气扩散率的估计表明，与没有鱼的湍流相比，鱼诱导的湍流增加了约三分之一的氧气扩散率。然而，对氧的径向运输做出最大贡献的是二次环流。
提出了若干有待进一步研究的课题。其中，最重要的是确定鱼类大小和数量在确定放养密度时的相对重要性。数据还表明，在不同的实验中，鱼的分布存在差异，因此，鱼的分布和行为对养殖池流速和湍流的影响需要进一步研究。