ВведениеПо 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 гидробионтовВ 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 задачиОбоснование 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 1Масштабы подобия физических характеристик гидродинамических, грунтодинамических, механических и трибологических процессов в УЗВФизические характеристикиОбозначениеПреобразование через масштаб ClГеометрический параметр (длина, высота, ширина и др.)ClClГеометрический параметр (площадь)CFCl2Геометрический параметр (объем)CVCl3МассаCmCl3ВремяCtCl5/4СкоростьCvC l̶ 1/4СилаCRCl3/2УскорениеCwCl3/2Объемный весCγC l̶ 3/2МоментCMбCl5/2ПлотностьCρ1Динамическая вязкость водыCμCl3/4Кинематическая вязкость водыCυCl3/4ДавлениеCpC l̶ 1/2Частота оборотовCωбC l̶ 5/4Касательное напряжениеCσC l̶ 1/2Потенциальная энергияCUпCl5/2Кинематическая энергияCTnCl5/2Поверхностное натяжениеCσnCl1/2МощностьCNCl5/4УголCαβ1В табл. 2 приведены основные масштабы физических характеристик электродинамических процессов [5], протекающих в УЗВ.Таблица 2Масштабы подобия физических характеристик электродинамических процессов в УЗВФизические характеристикиОбозначениеПреобразованиечерез масштаб ClЭнергия, работа, количество теплотыCЭ = CA = CQCl5/2МощностьCPCl5/4Количество электричества, электрический зарядCqCl11/4Электрическое напряжение, потенциал, электродвижущая силаCUC l̶ 1/4Электрическая емкостьCCCl3Электрическое сопротивлениеCRcC l̶ 7/4Электрическая проводимостьCGCl7/4Поток магнитной индукцииCФClМагнитная индукцияCBC l̶ 1ИндуктивностьCLC l̶ 1/2Удельное сопротивление материалаCρcC l̶ 3/4Сила токаCICl3/2В табл. 3 приведены основные масштабы физических характеристик термодинамических процессов, протекающих в УЗВ [6].Таблица 3Масштабы подобия физических характеристик термодинамических процессов в УЗВФизические характеристикиОбозначениеПреобразованиечерез масштаб ClКоличество теплотыCQCl5/2Удельное количество теплотыChC l̶ 1/2Тепловой потокCПCl5/4Поверхностная плотность теплового потокаCqC l̶ 3/4ТемпературопроводностьCαCl3/4Объемная плотность теплового потокаCqvC l̶ 7/4Удельный расход топливаCqfuCl1/2Масштаб разности конечной и начальной температурCKCl3/2Удельная теплопроводностьCχC l̶ 5/4Удельная теплоемкостьCcC l̶ 2Температурный коэффициентCαγC l̶ 3/2Температурный градиентCgradKC l̶ 1/4ТеплоемкостьCCClОбъемная теплоемкостьCc’C l̶ 2Коэффициент лучеиспусканияCCkC l̶ 27/4Коэффициент теплообменаCCαC l̶ 9/4Универсальная газовая постояннаяCkC l̶ 2Молярная массаCM1Количество веществаCνCl3Молярная внутренняя энергияCUmC l̶ 1/2Удельная молярная энтальпияCiC l̶ 4Молярная теплоемкостьCCmC l̶ 2Материалы исследованияРассмотрим размерности основных световых величин светового потока, освещенности, силы света и др. [7, 8] (табл. 4). Таблица 4Размерности световых величин ВеличинаРазмерностьСила светаJСветовой потокJСветовая энергияTJОсвещенностьL–2JСветимостьL̶ 2JЯркостьL–2JСветовая экспозицияL–2TJЭнергия излученияL2MT –2Поток излучения, мощность излученияL2MT –3Поверхностная плотность потока излученияMT –3Объемная плотность энергии излученияL–1MT –2Объемная плотность световой энергииMT –3Энергетическая сила света (сила излучения)L2MT –3Энергетическая яркостьMT –3Энергетическая освещенность (облученность)MT –3Энергетическая светимость (излучаемость)MT –3Интегральная яркостьL–2TJСпектральная плотность энергии излученияL–1TJНайдем 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 Cv 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 5Масштабы подобия основных световых величинФизические характеристикиОбозначениеПреобразованиечерез масштаб ClСила светаCIvCl5/4Световой потокCФvCl5/4Световая энергияCQvCl5/2ОсвещенностьCEvCl–3/4СветимостьCMvCl–3/4ЯркостьCLvCl–3/4Световая экспозицияCHvCl1/2Энергия излученияCQeCl5/2Поток излучения, мощность излученияCФeCl5/4Поверхностная плотность потока излученияCФpCl–3/4Объемная плотность энергии излученияCUeCl–1/2Объемная плотность световой энергииCUvCl–3/4Энергетическая сила света (сила излучения)CIeCl5/4Энергетическая яркостьCLeCl–3/4Энергетическая освещенность (облученность)CEeCl–3/4Энергетическая светимость (излучаемость)CMeCl–3/4Интегральная яркостьCvCl1/2Спектральная плотность энергии излученияCQCl3/2Отобразим 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.ЗаключениеВ 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.