气力人工上升流对水体温度的影响研究*

冷金英，黄豪彩，陈家旺，樊炜，葛晗，林杉，刘明洲，杨景，陈鹰

（浙江大学海洋学院，浙江杭州310058）

0 引言

自然上升流是一个关键的海洋物理过程［1-2］，它可以把海水下层的营养盐带到中上层，使上升流地区的海洋初级生产力达到大洋的6倍，鱼类生产量达到大洋的75倍，使上升流地区成为世界上海洋生产力较高的区域［3-5］。海洋上升流是支持渔业生产的重要因素，能够很好地改善海洋生态环境［6］，一方面可为浮游植物提供足够的营养供其进行光合作用，从而产生出更多的有机物供鱼类生长繁殖，世界主要渔场多数分布在上升流充沛的海域，如东海渔场、秘鲁渔场等［7-8］；另一方面可以降低上层海水的温度，缓解温室效应，为浮游生物提供一个适宜生长的温度范围，对环境起到良性的作用［9-10］。但是在自然界中，自然上升流海域占世界海洋面积的比例很小。

人工上升流技术利用某种特殊装置，将温度较低且含有丰富营养盐的深层海水提升至真光层，提高其作用海域的初级生产力。本研究的人工上升流采用注气的方式，称为气力人工上升流［11］。目前人工上升流是国内外海洋科学研究的热点与前沿，其研究重点为在工程上实现海域研究，但在如何监测和评价人工上升流的环境效应（如温度场的监测）等方面的研究较少。目前日本在人工上升流方面处于世界领先水平，利用水泵抽水的方式提升营养盐，称为“拓海“装备，其中的监测系统能够监测温度和盐度曲线随距离的变化。

为给以后的海试做准备，本研究首先在千岛湖地区进行试验研究，主要研究注气式人工上升流的可行性，其中包括涌升管的设计、温度的变化以及注气量和液体提升量之间的关系。在千岛湖湖试的基础上，本研究利用试验中的背景数值（如湖水温度和密度随深度的变化）建立VOF多相流模型对温度场进行仿真。在仿真过程中忽略管壁的摩擦和管壁的热传递，水体温度场的仿真结果和试验结果基本吻合。

1 试验研究

1.1 试验装置

为验证气力人工上升流提升海水的可行性和效果，人工上升流项目组于2011年10月25日在浙江省淳安县千岛湖地区进行了为期3天的试验研究。试验所在方位为北纬29°33′51″，东经119°11′9″，试验水域水深40 m，湖水静止。双体试验船上有试验所需的电源、起重机、甲板作业单元等，保证了试验的顺利进行和人员的人身安全。

试验装置如图1所示，主要包括：试验船（双体船）、数据采集系统、空压机、流体控制阀、压力控制阀、气体流量计、注气管、起重机、注气口、电磁流量计、温度、压力传感器、配重块和涌升管等。其中试验所用涌升管管径为0.4 m，管长28 m。

图1 试验装置图

空压机产生的气体依次经过气体控制阀、压力控制阀、气体流量计、注气管，通过喷嘴注入涌升管内；距管口8 m位置处安装电磁流量计；注气口位于电磁流量计上面0.5 m处；温度传感器共两个，分别位于涌升管管口的内部和管底的外部；数据采集器用于实时采集、显示和存储温度数据；计算机用于实时监测所测得的温度数据。

试验前，本研究对温度传感器和温盐深计（CTD）进行校准，然后进行设备组装，组装完成后进行数据采集，同时实时测量涌升管内温度随时间的变化，试验现场图如图2所示。

图2 试验现场图

1.2 温度监测系统

该实验采用温度传感器（如图3（b）所示）测量湖水的温度，温度传感器的探头由负温度系数热敏电阻组成，如图3（a）所示，其具有灵敏度高、体积小、质量轻、热惯性小、寿命长、温度特性波动小以及价格便宜等优点，可进行高灵敏度、高精度检测。对于负温度系数的热敏电阻来说，其阻值与温度之间的关系可表示为：

式中：RT—温度T(K)时的电阻值；R0—热力学温度为T0时的电阻值，R0=272.8 kΩ；B—热敏电阻的材料常数；T0—基准温度，通常为298.15 K；T—测得的温度［12］。

温度传感器测得的数据由传输电缆线传送到自主研发的数据采集器（如图3（c）所示）。数据采集器包含电源电路、处理传感器信号的调理电路、控制数据采集器循环操作和进行A/D转换的Flash存储器、通信接口。LabVIEW是一种多功能的图形化编程软件，计算机通过LabVIEW软件，可以在操作界面（如图3（d）所示）内实现数据的实时采集、显示和存储，从而实现系统的原位、实时监测［13］。

图3 温度监测系统的硬件部分和软件操作界面

1.3 试验结果

试验采用空压机进行注气，注气过程中速度的调节方式采用手动，气体速度随时间变化不规则，注气管的直径为10 mm，注气时的平均气流量在300 L/min～400 L/min，气体的输入速度和水体上下层的温度数据随时间的变化情况如图4所示，水体温度和密度随深度的变化如图5所示。

从图4可以看出，没有注气过程发生时，距湖水表层1 m处的上层温度和距湖水表层29 m处下层温度的变化都不大，温度分别维持在22℃和16.8℃左右；

图4 气体输入速度和测得的温度数据随时间的变化

随着注气过程的开始，上层温度随着下降，在50 s的时间内，温度降低到16℃左右，并且低于涌升管底部温度，说明涌升管底部以下温度更低的湖水由于上升流效应被带至上层，涌升管底部温度保持不变；

随着注气过程的结束，在100 s时间内，上层温度又慢慢回升到22℃左右，说明由于湖水密度差的原因，密度高的低温湖水慢慢沉降，密度低的表层湖水仍在表层，底层温度不变。

图5 湖水温度和密度随深度的变化（由CTD测得）

从图5中可以看出，在0～17 m的范围内，湖水温度变化不大，为22℃左右，湖水密度为997.8 kg/m3左右；17 m～30 m的范围内湖水温度逐渐降低，降至14℃左右，湖水密度逐渐升高，最高可达最低999.4 kg/m3。千岛湖位于钱塘江上游新安江主流上，是中国北亚热带地区的大型深水水体，水温具有明显的分层现象。17 m处为温跃层，湖水温度和密度急剧变化。在以后进行的试验中，研究人员可以控制稀释后的深层海水保持在这个深度不变，这样可以解决沉降问题，所以温跃层的存在可以很好地指导以后的试验。

2 温度场仿真

2.1 Fluent计算模型

在计算过程中，水做不可压缩处理。在上升流过程中，湖水的温度和速度都随时间变化，所以为非定常流动，湖水的雷诺数为：

式中:V—涌升管内水的运动速度，最小速度设为0.1 m/s；D—涌升管管径，0.4 m；μ—运动粘度，湖水的运动粘度可取为10.09·10-6。

经计算得雷诺数为3 964，大于2 320，因此本研究采用湍流模型【14-15】。

2.2 计算几何模型和边界条件设置

计算模型中湖水所在竖直截面区域宽度为20 m，深度为30 m；涌升管长度为28 m，直径0.4 m，涌升管口离水面的距离为1 m；本研究在离水面9 m处设置气体产生装置，气体发生装置长和宽分别为0.1 m，其中气体发生装置的上边界是气体的速度入口，其余边界为wall；网格个数：125 608。在计算模拟过程中，会用到千岛湖湖试测得的温度和密度随深度变化的背景数值如图5所示。气体入口处的温度约为22℃，涌升管底部水的速度入口，湖水速度入口处的温度约为16℃，湖水水面为出口，出口类型为压力出口。涌升管管壁，气体发生装置的外壁和整个流体区域的外壁的边界类型设为wall。由于涉及气液两相流，且气泡在水中的运动过程是一个动态的过程，在计算时笔者选取非稳态的计算方法，在求解过程中采用VOF模型和PISO压力-速度耦合格式，并保持所有变量的亚松弛因子设置为默认［16-19］。

2.3 温度场数值仿真结果

本研究运用Fluent对长为28 m，直径为0.4 m的涌升管内流体温度场进行仿真，气体输入速度如图4所示。仿真过程中，在离管口处设置温度监测点，监测点位置的温度仿真结果如图6所示。

图6 仿真过程中气体速度和温度随时间的变化

从图6中可以看出，试验温度和仿真温度的趋势基本上吻合，温度开始下降的时间和下降的斜率吻合的很好，在温度回升阶段，仿真温度回升后的最大温度为20℃左右，试验温度为22℃左右。由于温度仿真模型中没有考虑大气辐射等因素，而且湖水内部实际是有流动的，试验区域是一个很大的开放区域等，温度场仿真的结果会和实际测量的温度数据有偏差，在以后的仿真中需继续对模型进行修正，使仿真结果更加接近实验数据。

3 结束语

研究结果表明，气力人工上升流可明显提升湖水，上升流过程中上层湖水的最低温度要低于涌升管底部的底层温度，说明上升流可将涌升管底端以下的湖水提升至上层，实现底部低温湖水和上部高温湖水的冷、热交换，同时也可将水底丰富的营养盐带到表层，供浮游生物食用，从而提高湖水的初级生产力。温度场仿真计算模型考虑千岛湖真实的密度和温度梯度，与实验基本吻合，能够很好地预测上升流对湖水温度的影响。考虑海水中洋流等因素，从而可以用该模型预测气力人工上升流对海水温度场的影响。研究人员可以在以后的计算中改变涌升管管径和长度等，从而指导涌升管的设计和注气量的控制等，以期找到最佳的涌升管设计方案和最佳的注气量，更好地指导注气式人工上升流系统的设计。

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