非常规移动式鱼类养殖结构长宽比对阻力与溶解氧的影响：实验与计算流体力学模拟

为解决开放海域养殖(OOA)中传统静态系统无法应对极端环境挑战的问题，研究人员通过水槽实验与计算流体力学(CFD)模拟，探究了10,000 m3移动式养殖结构的长宽比(L/W=1-6)对阻力(Fdrag)和溶解氧(DO)的影响。研究发现增加长宽比可降低阻力但会减少DO供应(DO<70%环境值)，生物污损导致的流速降低会加剧这一矛盾。该研究为平衡养殖操作(固定/移动)需求提供了关键设计依据，对开发新型海洋养殖装备具有重要指导意义。

　　

随着全球海鲜需求激增，传统近海养殖面临空间受限和环境压力的双重挑战，开放海域养殖(Open Ocean Aquaculture, OOA)成为必然选择。然而，固定式养殖网箱难以应对日益频繁的热浪和极端海浪，也无法根据鱼类生长需求调整环境条件。更棘手的是，生物污损(biofouling)会显著增加结构阻力并阻碍水体交换，导致溶解氧(Dissolved Oxygen, DO)不足——当DO低于环境值的70%(约5.6 mg/L)时，大西洋鲑等经济鱼类的摄食效率和生长速率将显著下降。这些痛点催生了对新型移动式养殖结构的迫切需求。

新西兰植物与食品研究所的科研团队在《Aquacultural Engineering》发表研究，通过创新性地结合水槽实验和计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)模拟，系统评估了10,000 m³移动养殖结构的长宽比(Length-Width Ratio, L/W=1-6)对流体阻力和DO分布的影响。研究发现结构设计需要在鱼类福利(DO供给)与操作便利(阻力最小化)之间取得平衡，为未来海洋养殖装备的智能化设计提供了定量依据。

研究采用三阶段方法：(1)在190 m³循环水槽中对0.9 m³缩比模型进行阻力测试；(2)通过CFD确定织物材料的等效粗糙度高度(8 mm)；(3)对全尺寸结构进行多参数模拟，考虑不同生物污损程度(流速降低2%-45%)。关键创新在于同步分析流体阻力(F_structure=F_body+F_nets)和DO传输动力学，采用可实现k-ε湍流模型和物种输运方程。

阻力特性方面，增加长宽比会呈现矛盾效应：结构主体阻力(F_body)随L/W增加而上升(120N→158N@L/W=1→6)，但网衣阻力(F_nets)因迎流面积减小而显著降低(700N→200N)。生物污损会逆转这一平衡——当流速降低达45%时，网衣阻力贡献率升至88%，成为总阻力的主导因素。

DO分布研究揭示更复杂的相互作用。L/W=1时DO分布均匀，但当L/W增至6时，结构尾部出现大面积低氧区(DO<4.8 mg/L)。值得注意的是，30%的流速降低会使L/W=3结构的"不健康体积分数"(DO<70%环境值)从2%骤增至20%，这相当于5,600尾鲑鱼同时暴露在亚致死氧环境中。

讨论部分指出三个关键发现：首先，不存在同时最大化鱼类福利和操作效率的"完美"设计，L/W=3在无显著生物污损时是最优折衷方案。其次，季节性污损需要动态调整设计参数——当流速降低超30%时，应将L/W从3降至2以维持DO供给。最后，研究验证了"实验-CFD"方法链在新型养殖装备研发中的价值，其通过小尺度实验获取关键参数，再经CFD实现全尺寸优化，可大幅降低研发成本。

这项研究为海洋养殖业的可持续发展提供了重要技术支撑：一方面，移动式结构可通过躲避风暴和热浪提升养殖安全性；另一方面，优化的长宽比设计能显著降低运输能耗。随着气候变化加剧，这种兼具环境适应性和操作灵活性的新型养殖模式，或将成为解决全球蛋白质需求与生态保护矛盾的关键技术路径。