《Computers and Electronics in Agriculture》：Numerical simulation of water dynamics and wastewater treatment effect in spiral substrate for recirculating aquaculture systems of
Apostichopus japonicus
编辑推荐：
•新型螺旋形基底有助于解决栖息地需求与废物排放之间的冲突。•非均匀螺旋结构在废物运输效率上优于均匀结构。•五圈的非均匀设计实现了最佳流速8.96米/秒。•基底的螺旋形态显著影响了流体动力学性能。•物理实验验证了计算流体动力学（CFD）的准确性，偏差小于12.80%。引言随着全球对
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新型螺旋形基底有助于解决栖息地需求与废物排放之间的冲突。
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非均匀螺旋结构在废物运输效率上优于均匀结构。
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五圈的非均匀设计实现了最佳流速8.96米/秒。
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基底的螺旋形态显著影响了流体动力学性能。
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物理实验验证了计算流体动力学（CFD）的准确性，偏差小于12.80%。
引言
随着全球对水产品需求的持续增长以及天然渔业资源的逐渐减少，工业化水产养殖已成为确保全球粮食安全的关键支柱。在养殖物种中，海参Apostichopus japonicus作为一种高价值的海洋美食，其养殖产业正以前所未有的速度扩张。然而，传统的水池或工业化养殖方式通常使用海洋淤泥和海藻粉作为主要饲料。这种做法导致养殖废水中的总悬浮固体（TSS）浓度显著超过监管标准，对周边海洋环境构成严重威胁，从而限制了海参产业的可持续发展（Ru等人，2019年；Song等人，2024年）。此外，传统的养殖设施，如瓷砖、扇贝笼和波纹板等附着基底，虽然为A. japonicus提供了栖息空间，但其结构较为复杂。这种复杂性不仅增加了日常管理任务（如排水和清洁）的劳动强度，还严重阻碍了养殖池内固体废物的有效清除，特别是影响了中央污水排放系统的效率。
为了应对全球水资源短缺、日益增加的环境保护压力以及对可持续发展的迫切需求，循环水产养殖系统（RAS）被认为是一项促进水产养殖绿色转型和升级的关键技术。RAS在节水、环境保护和高度可控的养殖条件方面具有优势（Dronen等人，2022年）。然而，将RAS应用于海参养殖仍面临许多挑战。在养殖过程中，不合适的喂养策略和过长的污水排放间隔会直接影响残留饲料和粪便的物理特性（如颗粒大小和凝聚程度），进而降低RAS的氨氮处理效率（Song等人，2025年）。随着养殖密度的增加和海参的生长，未被食用的饲料和粪便等有机废物在附着基底和池底大量积累，导致水中铵氮（NH4+-N）和亚硝酸盐氮（NO2–-N）浓度急剧上升。这不仅会引发有害微生物的过度繁殖，恶化水质，还会直接威胁A. japonicus的摄食、生长和存活。因此，优化RAS的内部设施，特别是附着基底的设计，以减少养殖池内固体颗粒的滞留和积累，成为实现A. japonicus RAS高效稳定运行的关键瓶颈。
附着行为是A. japonicus应对环境变化和规避风险的重要生存策略。在环境压力下，A. japonicus通过分泌黏液来增强其与基底的附着力以保持稳定（Dam-Bates等人，2016年；Zhao等人，2023年）。以往的研究主要集中在野生A. japonicus在天然珊瑚礁和砂岩等基底上的分布模式和栖息地偏好上，证实它们明显偏好复杂且坚固的基底，这些基底既是觅食场所也是庇护所（Eriksson等人，2013年；Gray等人，2023年；Wolfe和Byrne，2017年）。然而，现有研究大多忽视了附着基底结构设计和空间布置对水产养殖系统流体动力学特性及污水排放性能的深远影响。附着基底不仅为海参提供栖息空间，还作为影响水流分布和废物运输的关键障碍。其设计缺陷是导致养殖废水污染物超标的主要原因之一。
水产养殖设施的流体动力学性能是评估其污水收集和排放能力的重要指标，通常通过分析设施周围和池内的流场分布来评估（Zhang等人，2024b）。计算流体动力学（CFD）作为一种先进的数值模拟技术，在水产养殖工程中得到了广泛应用（Zhang等人，2022年；Zhao等人，2025a）。与传统受测量点和环境干扰限制的物理模型实验相比，CFD技术能够基于实际几何模型高效准确地模拟各种运行条件下的流场动态。这为附着基底等养殖设施的优化设计提供了快速可靠的科学支持（Behroozi和Couturier，2019年；Moghadam等人，2024年）。
因此，本研究旨在通过创新设计一种螺旋形集成附着基底来解决传统海参附着基底存在的问题。利用CFD数值模拟方法，我们系统研究了该基底的关键设计参数（如螺旋间距和螺旋形状）对圆形养殖池流体动力学特性的影响。通过深入探讨基底结构参数与关键流体动力学指标之间的内在关系，本研究试图阐明基底设计如何影响养殖池内污水排放效率的流体动力学机制。本研究的一个主要优势在于，它定量解决了为海参提供足够栖息表面与保持足够流速以清除废物之间的固有权衡问题，这一平衡在以前的基底设计中很少被考虑。研究结果可为开发兼具优良附着性能和高自清洁效率的下一代海参养殖设施提供理论基础和设计指南，从而为水产养殖产业的可持续发展目标做出贡献。
章节片段
实验装置和集成附着基底设计
本研究的核心装置是一个专为工厂化循环海水养殖A. japonicus设计的圆形养殖池。池内配备了一种创新的集成螺旋形附着基底（图1）。养殖池直径为6.0米，壁高为1.2米，池底与水平面成7度角。为了在池内产生旋转流，使用了一根直径为
流速分布
养殖池内的流体动力学性能，特别是流速分布，是决定养殖系统效率和可持续性的关键因素。先前的研究表明，流速的变化直接影响流体动力学特性，如流动模式、表面波动和水头损失（Shen等人，2023年）。优化养殖池的结构设计是提高流体动力学性能的基本途径
结论
本研究利用CFD和物理模型验证，为直径6米的
A. japonicus养殖池开发并优化了一种集成螺旋形附着基底。主要研究结果如下：
确定了优化流动性能的最佳均匀螺旋间距。在所有均匀螺旋配置中，0.45米的间距（五圈）产生了最强的底部流速，最大流速为6.26米/秒，平均流速为1.03米/秒。更大或更小的间距会减弱
研究涉及人类参与者和/或动物
本研究遵循所有适用的国际、国家和机构指南。
CRediT作者贡献声明
Chenyu Song：写作 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，可视化，软件应用，资金获取，正式分析。Yijing Zhou：数据整理。Ruiguang Dong：可视化，正式分析，数据整理。Xiefa Song：写作 – 审稿与编辑，监督，资金获取。Meng Li：写作 – 审稿与编辑，监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（授权号：2023YFD2400404）、山东省博士后创新计划（授权号：SDCX-ZG-202503040）以及青岛市博士后科学基金会（授权号：QDBSH20250102160）的支持。
Chenyu Song|Yijing Zhou|Ruiguang Dong|Xiefa Song|Meng Li
