低碳高效池塘循环水养殖(IPA)技术是将水产养殖从农业生产过度为工业生产过程中的重要实现手段。由于技术较新且实现过程复杂,目前对养殖设备的装配和操作大多依靠人工经验实施,缺乏对IPA技术的系统研究。集中排出养殖污染是IPA的主要目的,介于设备功率、养殖成本等诸多限制,目前的排污率仍较为有限。此外,相比于传统养殖方式,IPA养殖对电能的需求大大增加,由于许多养殖者无法承担短期内高额的电力成本而使IPA技术的推广受到阻碍,因此合理控制养殖过程中的电能损耗具有重要意义。本课题针对排污率不足和电力能耗过大的问题,从养殖设备部署与设备操作两个方面入手,对IPA技术中的养殖槽结构与曝气设备控制进行研究。主要工作包括:1.根据实际养殖环境与设备特性,构建合理的养殖区物理模型,并对其中的流体情况进行数值模拟。首先介绍了流体数值模拟的基础理论及相应的力学方程,接着考虑到实际系统操作过程中产生的多相流的特殊性,结合欧拉、拉格朗日多相流模型及离散单元法对含气泡和固体颗粒的流场进行耦合模拟。最后引入关于溶解氧的对流扩散方程,独立计算了溶解氧的分布情况,并对计算结果进行后处理以实现仿真结果可视化。2.为解决有限水流下系统排污率不足的问题,对养殖槽底部结构进行设计并确定结构参数,从优化流场结构的层面提高污染排放效率。首先,对养殖槽内的水流结构进行仿真模拟,建立了基于数据驱动的流速分布模型。同时,根据污染颗粒在水中的两种不同的运动形态,结合养殖槽内的水流情况,建立了颗粒起动和颗粒运输的修正模型。在此基础上利用多目标优化方法,寻找出最优结构参数使养殖槽对颗粒起动与输运的性能都能得到优化。最后利用仿真实验,验证了优化参数的正确性。3.针对养殖过程中曝气设备能耗过大的问题,从降低设备功率、减少曝气浪费的角度,对曝气装置的部署及控制策略进行优化与设计。首先,根据溶解氧仿真结果研究设备部署参数对曝气性能的影响,构造曝气性能模型并优化出一组最优设备参数。进一步,以罗非鱼养殖为例,建立以曝气流量为控制量下的溶解氧浓度与鱼类体重动态模型,以经济模型预测控制理论为基础设计系统控制策略。仿真结果表明,在所提出的曝气策略能使鱼类在维持高水平生长的同时最大程度的减少设备能耗。