SUBSTANTIATION OF SCALES OF LIGHT VALUES SIMILARITY OF RECIRCULATING AQUATIC SYSTEMS FOR GROWING HYDROBIONTS
Authors:
1.
Kaliningrad State Technical University
Russian Federation
Russian Federation
2.
Kaliningrad State Technical University
(Candidate of Sciences in Technology; Leading Researcher)
3.
Kaliningrad State Technical University
(Candidate of Biology, Assistant Professor; Professor of the Department of Aquaculture, Biology and Diseases of Hydrobionts)
Russian Federation
Russian Federation
Type:
Article
Pages:
from 61
to 69
Status:
Published
Received:
14.09.2020
Accepted:
15.09.2020
Published:
15.09.2020
Subject area:
UDK 53 Физика
Language:
Russian
Keywords:
luminous flux, similarity of light values, scale, physical characteristics, recirculating aquatic system.
Abstract (English):
The article discusses the problems of physical modeling of recirculated aquatic systems (RAS) for cultivating hydrobionts, in particular, the problem of substantiating the rules for similarity of light quantities. The use of ultrasonic testing requires the special growing conditions that are close to the natural habitat of the aquatic organisms, including the light regime. The use of simulation and physical modeling for calculating the light quantities will make it possible to optimize technological processes, increase the productivity of ultrasonic treatment basins, increase efficiency and reduce costs. The main task of the similarity of light values of the ultrasonic ultrasound is to determine the parameters of light sources having different technical characteristics, which greatly complicates the theoretical analysis in developing the ultrasound. An important component of the similarity of light values is preserving the physical nature of the phenomena of the original in a model executed in a size different from natural. In problems of light values it is required to ensure the coincidence of mechanical and light processes. It is necessary to reduce such values, depending on the dimensional characteristics of the object, as luminous flux, heat, heat capacity, thermal conductivity, thermal diffusivity, illumination, etc. to their independent dimensionless form. When designing the ultrasonic ultrasound, the scales of physical characteristics of the hydrodynamic and thermodynamic processes that occur in the ultrasound with dynamic similarity are not enough, as they do not take into account the processes of light flux and illumination that occur in the ultrasound. There have been proposed the additional similarity scales for light quantities, given methods for their calculation and graphs of their dependences on the geometric scale Cl. However, it must be understood that achieving complete similarity is fundamentally impossible, no matter how large the list of similarity criteria is. Knowing the scale of Cl, it is possible to determine the scale effect.
The article discusses the problems of physical modeling of recirculated aquatic systems (RAS) for cultivating hydrobionts, in particular, the problem of substantiating the rules for similarity of light quantities. The use of ultrasonic testing requires the special growing conditions that are close to the natural habitat of the aquatic organisms, including the light regime. The use of simulation and physical modeling for calculating the light quantities will make it possible to optimize technological processes, increase the productivity of ultrasonic treatment basins, increase efficiency and reduce costs. The main task of the similarity of light values of the ultrasonic ultrasound is to determine the parameters of light sources having different technical characteristics, which greatly complicates the theoretical analysis in developing the ultrasound. An important component of the similarity of light values is preserving the physical nature of the phenomena of the original in a model executed in a size different from natural. In problems of light values it is required to ensure the coincidence of mechanical and light processes. It is necessary to reduce such values, depending on the dimensional characteristics of the object, as luminous flux, heat, heat capacity, thermal conductivity, thermal diffusivity, illumination, etc. to their independent dimensionless form. When designing the ultrasonic ultrasound, the scales of physical characteristics of the hydrodynamic and thermodynamic processes that occur in the ultrasound with dynamic similarity are not enough, as they do not take into account the processes of light flux and illumination that occur in the ultrasound. There have been proposed the additional similarity scales for light quantities, given methods for their calculation and graphs of their dependences on the geometric scale Cl. However, it must be understood that achieving complete similarity is fundamentally impossible, no matter how large the list of similarity criteria is. Knowing the scale of Cl, it is possible to determine the scale effect.
Keywords:
luminous flux, similarity of light values, scale, physical characteristics, recirculating aquatic system.
luminous flux, similarity of light values, scale, physical characteristics, recirculating aquatic system.
Введение
По подсчетам ученых, к 2050 г. численность населения земного шара приблизится
к 10 млрд чел., соответственно, это потребует увеличения объемов производства продуктов пи-тания, в частности, выращивания рыбы не менее чем до 100 млн т.
Уменьшение объемов добычи рыбы в открытом море вынуждает рыбоводческие хозяйства переходить на более технологичные методы разведения, которые должны повысить произ-водительность установок замкнутого водоснабжения (УЗВ) [1, 2] и сократить расходы. В насто-ящее время идет поиск путей увеличения производства продукции аквакультуры. Учитывая пресс антропогенного воздействия на поверхностные водоисточники, вероятный сценарий раз-вития событий – увеличение масштабов выращиваемой рыбы в УЗВ.
Выращивание рыбы в УЗВ является одним из самых перспективных направлений в со-временной аквакультуре по следующим причинам:
– максимальная приближенность производства пищевой продукции к потребителю;
– экологичность выращиваемых гидробионтов, поскольку водоснабжение осуществляется из артезианских скважин;
– возможность управления процессами роста, жизнестойкости и созревания гидробионтов;
– возможность многократного использования бассейнов для выращивания гидробионтов
в течение года, в основе чего лежат полицикличные технологии, неприемлемые для других направлений аквакультуры.
Несмотря на то, что УЗВ является замкнутой искусственной экосистемой, предназначен-ной для разведения и выращивания гидробионтов, и факторы, которыми можно управлять, ре-гулируя биотехнический процесс, известны, имеются резервы для повышения эффективности функционирования УЗВ. Применение УЗВ требует соблюдения в них условий выращивания, приближенных к естественному ареалу обитания гидробионтов, и постоянного поддержания оптимальных параметров среды в течение всего технологического цикла.
При выращивании различных видов рыб в УЗВ одним из важных абиотических факторов, оказывающих влияние на рост и развитие рыб, является свет. Его параметрами, которые недостаточно изучены по степени влияния на гидробионты, являются фотопериод и интенсивность освещения. Современный уровень учета влияния данного фактора явно недостаточен в части учета этапов развития гидробионтов в специфичных условиях УЗВ, влияния фактора доместикации объектов, их видовых особенностей.
Реакция многих рыб на свет меняется в зависимости от интенсивности освещения, фото-периода, его спектрального состава, а также вида и возраста рыб. Известно существенное влия-ние освещенности на скорость и характер формирования структурно-функциональной органи-зации центральной нервной системы и ряда внутренних и внешних органов рыб. Применение физического моделирования [3, 4] позволит оптимизировать технологические процессы, увели-чить продуктивность бассейнов УЗВ, повысить их производительность и сократить расходы. На рис. 1 изображены основные технические средства УЗВ для выращивания гидробионтов. Все указанные подсистемы крайне важны для нормальной работы УЗВ.
Рис. 1. Установка замкнутого водоснабжения для выращивания гидробионтов
В УЗВ используются различные источники освещения: электролюминесцентные источни-ки света, лампы накаливания, газоразрядные источники света, источники смешанного излуче-ния, ультрафиолетовая лампа и др.
Применение подобия световых величин как метода исследования проблем потребления воды, электрической энергии, кислорода позволяет подобрать необходимые для увеличения производительности УЗВ параметры. Условием задачи определения светового подобия приме-нительно к модели УЗВ является сохранение физической природы явлений натурного УЗВ для основных ее подсистем, показанных на рис. 1, выполненных в размерах, отличных от натурных.
Постановка задачи
Обоснование правил подобия физического моделирования [3, 4] УЗВ для выращивания гидробионтов является важной задачей для определения характеристик светового потока и осве-щенности. Применение УЗВ требует соблюсти в них условия выращивания, приближенные
к естественному ареалу обитания гидробионтов, в том числе и световой режим. Основной зада-чей подобия светового потока и освещенности УЗВ является определение параметров источников света, имеющих различные технические характеристики, что существенно усложняет теоретический анализ при проектировании УЗВ. Важное условие подобия светового потока и освещенности состоит в сохранении у модели, выполненной в отличных от натуры размерах, физической природы явлений оригинала. В задачах моделирования светового потока и освещенности требуется обеспечить совпадение механических и световых процессов. Следует привести такие зависимые от размерных признаков объекта величины, как световой поток, теплоту, теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность, освещенность и др., к их независимому безразмерному виду. При проектировании УЗВ недостаточно масштабов физических характеристик гидродинамических и термодинамических процессов, протекающих в УЗВ при динамическом подобии, т. к. они не учитывают процессы светового потока и освещенности, протекающие в УЗВ.
В табл. 1 приведены основные масштабы физических характеристик гидродинамических, грунтодинамических, механических и трибологических процессов, протекающих в УЗВ.
Таблица 1
Масштабы подобия физических характеристик гидродинамических, грунтодинамических,
механических и трибологических процессов в УЗВ
Физические характеристики Обозначение Преобразование
через масштаб Cl
Геометрический параметр (длина, высота, ширина и др.) Cl Cl
Геометрический параметр (площадь) CF Cl2
Геометрический параметр (объем) CV Cl3
Масса Cm Cl3
Время Ct Cl5/4
Скорость Cv C l̶ 1/4
Сила CR Cl3/2
Ускорение Cw Cl3/2
Объемный вес Cγ C l̶ 3/2
Момент CMб Cl5/2
Плотность Cρ 1
Динамическая вязкость воды Cμ Cl3/4
Кинематическая вязкость воды Cυ Cl3/4
Давление Cp C l̶ 1/2
Частота оборотов Cωб C l̶ 5/4
Касательное напряжение Cσ C l̶ 1/2
Потенциальная энергия CUп Cl5/2
Кинематическая энергия CTn Cl5/2
Поверхностное натяжение Cσn Cl1/2
Мощность CN Cl5/4
Угол Cαβ 1
В табл. 2 приведены основные масштабы физических характеристик электродинамических процессов [5], протекающих в УЗВ.
Таблица 2
Масштабы подобия физических характеристик электродинамических процессов в УЗВ
Физические характеристики Обозначение Преобразование
через масштаб Cl
Энергия, работа, количество теплоты CЭ = CA = CQ Cl5/2
Мощность CP Cl5/4
Количество электричества, электрический заряд Cq Cl11/4
Электрическое напряжение, потенциал, электродвижущая сила CU C l̶ 1/4
Электрическая емкость CC Cl3
Электрическое сопротивление CRc C l̶ 7/4
Электрическая проводимость CG Cl7/4
Поток магнитной индукции CФ Cl
Магнитная индукция CB C l̶ 1
Индуктивность CL C l̶ 1/2
Удельное сопротивление материала Cρc C l̶ 3/4
Сила тока CI Cl3/2
В табл. 3 приведены основные масштабы физических характеристик термодинамических процессов, протекающих в УЗВ [6].
Таблица 3
Масштабы подобия физических характеристик термодинамических процессов в УЗВ
Физические характеристики Обозначение Преобразование
через масштаб Cl
Количество теплоты CQ Cl5/2
Удельное количество теплоты Ch C l̶ 1/2
Тепловой поток CП Cl5/4
Поверхностная плотность теплового потока Cq C l̶ 3/4
Температуропроводность Cα Cl3/4
Объемная плотность теплового потока Cqv C l̶ 7/4
Удельный расход топлива Cqfu Cl1/2
Масштаб разности конечной и начальной температур CK Cl3/2
Удельная теплопроводность Cχ C l̶ 5/4
Удельная теплоемкость Cc C l̶ 2
Температурный коэффициент Cαγ C l̶ 3/2
Температурный градиент CgradK C l̶ 1/4
Теплоемкость CC Cl
Объемная теплоемкость Cc’ C l̶ 2
Коэффициент лучеиспускания CCk C l̶ 27/4
Коэффициент теплообмена CCα C l̶ 9/4
Универсальная газовая постоянная Ck C l̶ 2
Молярная масса CM 1
Количество вещества Cν Cl3
Молярная внутренняя энергия CUm C l̶ 1/2
Удельная молярная энтальпия Ci C l̶ 4
Молярная теплоемкость CCm C l̶ 2
Материалы исследования
Рассмотрим размерности основных световых величин светового потока, освещенности, силы света и др. [7, 8] (табл. 4).
Таблица 4
Размерности световых величин
Величина Размерность
Сила света J
Световой поток J
Световая энергия TJ
Освещенность L–2J
Светимость L̶ 2J
Яркость L–2J
Световая экспозиция L–2TJ
Энергия излучения L2MT –2
Поток излучения, мощность излучения L2MT –3
Поверхностная плотность потока излучения MT –3
Объемная плотность энергии излучения L–1MT –2
Объемная плотность световой энергии MT –3
Энергетическая сила света (сила излучения) L2MT –3
Энергетическая яркость MT –3
Энергетическая освещенность (облученность) MT –3
Энергетическая светимость (излучаемость) MT –3
Интегральная яркость L–2TJ
Спектральная плотность энергии излучения L–1TJ
Найдем масштабы подобия световых величин.
Выразим масштаб CQe энергии излучения L2MT –2 через масштаб Cl:
(1)
Это справедливо, т. к. CUп = CTn = CЭ = CA = CQ = CQe.
Выразим масштаб CФe потока излучения и мощности излучения L2MT –3 через масштаб Cl:
; (2)
масштаб CФp поверхностной плотности потока излучения MT –3:
; (3)
масштаб CUe объемной плотности энергии излучения L-1MT –2:
; (4)
масштаб CUv объемной плотности световой энергии MT –3:
; (5)
масштаб CIe энергетической силы света (сила излучения) L2MT –3:
; (6)
масштаб CLe энергетической яркости MT –3:
; (7)
масштаб CEe энергетической освещенности (облученности) MT –3:
; (8)
масштаб CMe энергетической светимости (излучаемости) MT –3:
(9)
Масштаб светового потока представим в виде
. (10)
Тогда масштаб силы света
(11)
а масштаб световой энергии
(12)
Масштаб CEv освещенности L–2J:
(13)
Масштаб CMv светимости L–2J:
(14)
Масштаб CLv яркости L–2J:
(15)
Масштаб CHv световой экспозиции L–2TJ:
(16)
Масштаб Cv интегральной яркости L–2TJ:
(17)
Масштаб CQ спектральной плотности энергии излучения L–1TJ:
(18)
С учетом (1)–(18) в табл. 5 приведем масштабы подобия основных световых величин.
Таблица 5
Масштабы подобия основных световых величин
Физические характеристики Обозначение Преобразование
через масштаб Cl
Сила света CIv Cl5/4
Световой поток CФv Cl5/4
Световая энергия CQv Cl5/2
Освещенность CEv Cl–3/4
Светимость CMv Cl–3/4
Яркость CLv Cl–3/4
Световая экспозиция CHv Cl1/2
Энергия излучения CQe Cl5/2
Поток излучения, мощность излучения CФe Cl5/4
Поверхностная плотность потока излучения CФp Cl–3/4
Объемная плотность энергии излучения CUe Cl–1/2
Объемная плотность световой энергии CUv Cl–3/4
Энергетическая сила света (сила излучения) CIe Cl5/4
Энергетическая яркость CLe Cl–3/4
Энергетическая освещенность (облученность) CEe Cl–3/4
Энергетическая светимость (излучаемость) CMe Cl–3/4
Интегральная яркость Cv Cl1/2
Спектральная плотность энергии излучения CQ Cl3/2
Отобразим на графиках (рис. 2 и 3) зависимости CIv = f(Cl) и CQv = f(Cl).
Рис. 2. График зависимости CIv = f(Cl)
Рис. 3. График зависимости CQv = f(Cl)
Применение масштабов подобия световых величин (табл. 5) и теории подобия при физи-ческом моделировании [3–6] для обоснования правил подобия световых величин позволяет без проведения натурных экспериментов на УЗВ определять их основные свойства, необходимые для моделирования технических средств рыбоводства.
Заключение
В статье предложены дополнительные к масштабам подобия физических характеристик гидродинамических, грунтодинамических, механических, трибологических, электродинамиче-ских, термодинамических процессов, происходящих в УЗВ, масштабы подобия для световых величин, необходимые для увеличения производительности УЗВ. Приводятся методы вычисле-ния масштабов подобия для световых величин и графики их зависимостей от геометрического масштаба Cl. Таким образом, зная масштаб Cl, возможно определить масштабный эффект. Од-нако необходимо понимать, что достижение полного подобия принципиально невозможно, сколь бы ни был велик перечень критериев подобия.
1. Khrustalev E. I. Osnovy industrial'noi akvakul'tury: uchebnik [Fundamentals of industrial aquaculture: textbook]. Saint-Petersburg, Lan'-Press, 2019. 280 p.
2. Razvedenie ryby v UZV [Fish farming using ultrasound]. Available at: http://fish-agro.ru/fish-agro/what_about/337-razvedenie-ryby-v-uzv.html (accessed: 02.12.2019).
3. Nedostup A. A. Fizicheskoe modelirovanie gidrodinamicheskikh protsessov dvizheniia orudii ry-bolovstva [Physical modeling of hydrodynamic processes of movement of fishing tools]. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Matematika i mekhanika, 2012, no. 3 (19), pp. 55-67.
4. Nedostup A. A. Fizicheskoe modelirovanie orudii i protsessov rybolovstva: monografiia [Physical modeling of fishing tools and processes: monograph]. Kaliningrad, Izd-vo KGTU, 2012. 375 p.
5. Nedostup A. A., Razhev A. O. K teorii elektrodinamicheskogo podobiia promyslovykh mekhanizmov [To the theory of electrodynamic similarity of field mechanisms]. Izvestiia KGTU, 2020, no. 56, pp. 61-70.
6. Nedostup A. A., Razhev A. O., Khrustalev E. I., Bedareva O. M. K teorii termodinamicheskogo podobiia ustanovok zamknutogo vodosnabzheniia dlia vyrashchivaniia gidrobiontov [To the theory of thermodynamic similarity of recirculating aquatic systems for growing aquatic organisms]. Izvestiia KGTU, 2020, no. 57, pp. 40-53.
7. Gurevich M. M. Fotometriia. Teoriia, metody i pribory [Photometry. Theory, methods and instruments]. Leningrad, Energoatomizdat, 1983. 272 p.
8. Uchebnoe posobie po kursu «Osnovy optiki» [The textbook for the course “Principles of optics”]. Available at: http://aco.ifmo.ru/el_books/basics_optics/glava-2/glava-2-2.html (accessed: 02.12.2019).
