Конструкция узла поступления воды в цилиндрический бассейн

Конструкция узла поступления воды в цилиндрический бассейн

В цилиндрическом бассейне вода поступает по касательной к его стенкам (по внешнему радиусу) так, чтобы угловая скорость воды создавала вращательный ток к центру. Однако в ряде работ (Burrows and Chenoweth, 1955; Larmoyeux et al., 1973; Wheaton, 1977; Skybakmoen, 1989; Tvinnereim and Skybakmoen, 1989; Paul et al., 1991; Goldsmith and Wang, 1993) отмечается, что прилипание, которое существуют между первичным потоком и дном, и стенками емкости приводит к образованию вторичного радиального потока, направленного от стенок к центру дна, и от центра дна к поверхности. Этот поток несет осаждаемые частицы к донному дренажу и, таким образом, порождает желаемый эффект самоочистки бассейна. К сожалению, в цилиндрической емкости с таким течением валиковидная область около центрального дренажа приобретает очень низкую скорость вращения и плохо перемешивается. Размеры этой «мертвой» зоны зависят от особенностей узла поступления воды (по касательной к стенкам), соотношения «диаметр: глубина» и общей скорости потока, покидающего центральный дренаж. Так как мертвая зона имеет низкую скорость движения воды и плохо перемешивается, она может снизить эффективность использования емкости культивирования за счет образования коротких замкнутых потоков, локальных градиентов с различными показателями воды (в особенности, концентрации растворенного кислорода) и неподвижных областей, где может скапливаться осадок.

В бассейне показано направление вторичного радиального течения, а также специфические области водной массы

Эффект самоочистки связан с общей скоростью потока, покидающего центральный дренаж. Кроме того, удаление осажденных частиц также зависит от способности рыбы взмучивать осадок. Это объясняет тот факт, что в бассейне с более высокой плотностью посадки рыб самоочистка проходит лучше, чем в емкости с низкой плотностью посадки. Так как осаждаемые частицы в рыбоводстве имеют специфическую плотность, которая относительно близка к плотности воды (1,05-1,2 против 1,0 у воды; Chen et al., 1993; Potter, 1997) наклон плоскости дна по направлению к центральному дренажу не улучшает способность к самоочистке. Наклонное дно удобно лишь в случаях осушения бассейна при его очистке.

Скоростью вращения можно управлять с помощью создания специфических узлов подвода воды. Это позволяет создавать адекватное для рыб течение (Klapsis and Burley, 1984; Skybakmoen, 1989; Tvinnereim and Skybakmoen, 1989). Твиннерайм и Скайбакмон (Tvinnereim and Skybakmoen, 1989) докладывали о том, что скорость течения в бассейне можно контролировать путем изменения импульса силы (Fi):

Fi = ρ • Q • (νorif — νrota), где ρ – плотность воды (кг/м3), Q – скорость входящего потока (м3/с), νorif – скорость через узел выхода воды в емкость (отверстия или щели) (м/с), νrota – скорость вращения в бассейне (м/с). Импульс на входе воды по большей части рассеивается, потому что создается турбулентность и вращение в зоне вращения. Импульс силы, и, соответственно, скорость вращения в емкости можно регулировать путем подстройки скорости входящего потока воды или размера/числа отверстий в узле поступления воды (Tvinnereim and Skybakmoen, 1989). В своей работе Пауль (Paul et al., 1991) отметил, что скорость вращения в емкости грубо пропорциональна скорости воды через отверстия узла её поступления, особенно, около стенок:

νrota ≈ α • νorif, где α – константа пропорциональности, в основном равная 0,15-0,20 (личные наблюдения A. Skybakmoen, AGA AB, Лидингё, Швеция), зависящая от конструкции узла поступления воды.

На характер потока влияют: 1. однородность скорости воды по всей емкости, 2. сила вторичного радиального потока вдоль дна емкости навстречу центральному дренажу (т.е. способность перемещать осадок в дренаж) и 3. однородность перемешивания воды. Скайбакмон (Skybakmoen, 1989) и Твиннерайм и Скайбакмон (Tvinnereim and Skybakmoen, 1989) сравнивали гидравлику в емкости, которая возникает при поступлении воды по касательной по внешнему радиусу бассейна с такими системами как:

1. традиционный открытый патрубок;

2. короткая, горизонтальная, погруженная под воду труба, ось которой направлена к центру бассейна. На удалении от конца трубы по всей её длине располагаются отверстия (на 60 см ниже поверхности воды);

3. вертикальная, погруженная в воду распределительная труба с отверстиями вдоль всей её длины;

4. труба, совмещающая в себе вертикальную и горизонтальную ветви. Труба для поступления воды, совмещающая в себе вертикальную и горизонтальную ветви

Авторы отметили, что труба с открытым концом создает неоднородную скорость по всей емкости (т.е. более высокая скорость у стенок); обеспечивает плохое перемешивание в мертвой зоне, что вызвано образованием коротких замкнутых потоков; на протяжении всей глубины бассейна происходит взмучивание осадка, который плохо смывается со дна. В отношении горизонтальной ориентации погруженной трубы они отметили хорошее перемешивание и обмен воды по всему объему, но слабое и менее стабильное течение на дне (для смывания осадка). Вертикальная ориентация погруженной трубы давало лучшее качество самоочистки, чем в случае открытого патрубка или горизонтальной ориентации, но образующееся сильное течение на дне (ответственное за удаление осадка) также приводило к плохому перемешиванию в мертвой зоне и малым круговоротам, которые ухудшали время полного водного обмена.

Авторы предложили организовать комбинированную конструкцию с горизонтальной и вертикальной погруженной трубами. Вертикальная ветвь располагается на некотором удалении от стенки так, чтобы рыба могла проходить между трубой и стенкой. Этот способ обеспечивает несколько преимуществ:

1. достигается однородное перемешивание;

2. предотвращается образование малых круговоротов воды;

3. создается одинаковая скорость на глубине и по периметру бассейна;

4. эффективно переносятся осаждаемые частицы со дна в центральный дренаж.

В крупных цилиндрических бассейнах, диаметром >6 метров, по периметру устанавливаются многочисленные распределительные трубы. Это позволяет улучшить удаление осадка, однородность скорости перемешивания и качества воды (Klapsis and Burley, 1985). Однако трубы для подвода воды затрудняют работу с рыбой. Данная проблема может быть решена включением отверстий в стенку бассейна как в случае емкостей с пересекающимися потоками (Watten and Johnson, 1990). К сожалению, с точки зрения экономических соображений это «элегантное» решение может оказаться нецелесообразным. Кроме того, подобная вставка отверстий и щелей предполагает создание потоков, параллельных стенке, и может не обеспечивать такого хорошего распределения потока, которое возможно при установке вертикальной трубы на удалении от стенки. Необходимо создать такую систему подачи воды, которая бы убиралась во время сбора рыбы или зарыбления, либо устройство для сбора должно работать в присутствии труб.