房 熊，徐志強(qiáng)，諶志新，劉 平

（1. 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院 漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092；2. 農(nóng)業(yè)部 遠(yuǎn)洋漁船與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；3. 海洋國家實(shí)驗(yàn)室 深藍(lán)漁業(yè)工程裝備技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266237）

0 引言

根據(jù)近年來漁業(yè)相關(guān)報(bào)道，全球特別是我國的海洋漁業(yè)資源進(jìn)入了嚴(yán)重衰退時(shí)期，與此同時(shí)，隨著人們生活水平的逐步提高，對(duì)于水產(chǎn)品特別是高端水產(chǎn)品的消費(fèi)需求卻在與日俱增。隨著近些年來各國對(duì)于新型捕撈手段的技術(shù)研究不斷進(jìn)行發(fā)展和創(chuàng)新，工程技術(shù)人員創(chuàng)造性地將泵吸技術(shù)運(yùn)用在遠(yuǎn)洋大規(guī)模捕撈中。該技術(shù)不僅能大幅提高捕撈的效率而且還能夠極大地提升捕獲水產(chǎn)品的質(zhì)量，更重要的是能夠最大程度地減少捕獲漁類產(chǎn)品的損傷。在這一背景下，為了保障我國的漁業(yè)發(fā)展水平能夠滿足人民對(duì)于水產(chǎn)品的消費(fèi)需求，大力發(fā)展深遠(yuǎn)海泵吸技術(shù)已經(jīng)刻不容緩、迫在眉睫，此外，泵吸技術(shù)的研究也是在我國極地海域漁業(yè)發(fā)展中急需解決的關(guān)鍵問題與核心技術(shù)。因此高性能的泵吸技術(shù)研究對(duì)我國的藍(lán)色糧倉戰(zhàn)略具有重大戰(zhàn)略意義[1-2]。

目前階段我國大部分吸魚泵利用的是通過逆風(fēng)隔離魚體和氣流的方法，空氣氣流由殼體外部的通孔中被反向逆流抽走，而逆向的空氣可以使得魚體安全地留在腔體外部空間中，但是其結(jié)構(gòu)本身也有一定的劣勢，例如：產(chǎn)生穩(wěn)定風(fēng)速的風(fēng)機(jī)噪音較大、本體材料耐腐蝕性較差、人工成本較高、工人的工作強(qiáng)度較大等缺點(diǎn)[3-4]。

1 泵吸技術(shù)的模擬仿真

根據(jù)深海泵吸的工況要求中針對(duì)吸魚泵的泵吸要求，開始設(shè)置泵吸的各種參數(shù)并進(jìn)行計(jì)算和修正。設(shè)計(jì)的吸魚泵主要用于在深遠(yuǎn)海區(qū)域進(jìn)行大規(guī)模連續(xù)的捕撈作業(yè)，其工作原理大致為船員使用船載的吊機(jī)將吸魚泵投入到圍網(wǎng)中然后啟動(dòng)吸魚泵將漁獲物和水一起抽到船上的操作平臺(tái)，并進(jìn)行下一步的分類工作。吸魚泵基本參數(shù)設(shè)置如下：泵體流量QM＝4.88×105kg/h，泵體揚(yáng)程hM＝12.5 m, 總效率ηM＝68.5%，比轉(zhuǎn)速nsM＝282，泵吸轉(zhuǎn)速nM＝756 r/min。吸魚泵葉輪基本參數(shù)設(shè)置如下：葉輪進(jìn)口直徑D1M＝215 mm, 葉輪直徑D2M＝410 mm，葉輪寬度b1M＝160 mm，葉輪出口寬度b2M＝158 mm。其主要參數(shù)及性能都基本滿足遠(yuǎn)洋圍網(wǎng)漁船活魚輸送要求，魚通過泵和軟管被直接傳輸至船上進(jìn)行加工處理，實(shí)現(xiàn)持續(xù)捕撈泵吸作業(yè)。

采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行離心泵模擬設(shè)計(jì)，在整體上對(duì)吸魚泵進(jìn)行全參數(shù)設(shè)置，建立參數(shù)模型，然后進(jìn)行模擬分析，將設(shè)計(jì)的吸魚泵主要參數(shù)例如泵體流量、泵體揚(yáng)程和葉輪轉(zhuǎn)速等賦值在全參數(shù)模型上。此外還必須設(shè)置流體介質(zhì)以及葉輪轉(zhuǎn)向、機(jī)械效率等基本參數(shù)[5-6]。根據(jù)實(shí)際工況設(shè)置流體進(jìn)入吸魚泵泵口的情況，通過計(jì)算機(jī)軟件內(nèi)部程序計(jì)算求解出滿足設(shè)置要求的吸魚泵葉輪基本幾何參數(shù)及模型[7]。

通過計(jì)算得出葉輪外形尺寸及修改建議，在計(jì)算機(jī)中模擬出合適的葉輪流道及其子午面的形狀參數(shù)，此外還需手動(dòng)檢查該流道參數(shù)并且調(diào)整和優(yōu)化相關(guān)幾何參數(shù)及曲線模型。最后得出優(yōu)化后的流道模型及一些重要的模擬參數(shù)，例如流道過流面積、流道曲率變化等[8-9]。

在葉輪流道及子午面確定后進(jìn)行葉片的模擬設(shè)計(jì)，首先選擇合適的葉片模型，調(diào)整入口流體角度等重要參數(shù)，在計(jì)算機(jī)中選擇合適的調(diào)整系數(shù)及人為修正系數(shù)以達(dá)到葉輪的設(shè)計(jì)需求。整個(gè)葉輪模擬設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的是葉片形式的選擇、葉片的數(shù)量及液流角等，在計(jì)算機(jī)中使用曲線控制點(diǎn)這個(gè)功能對(duì)葉片的弦長進(jìn)行修改和調(diào)整，擬合多種位置下的葉片流角及過流面積[10-12]。此外對(duì)于葉片的設(shè)計(jì)而言，還需特別注意葉片的中心線曲率這個(gè)參數(shù)。最后得出滿足泵吸要求的其他葉片參數(shù)，如：葉片厚度、葉輪應(yīng)力分布、磨損量等。

通過計(jì)算機(jī)完成流道及葉輪設(shè)計(jì)后再進(jìn)行吸魚泵整體的流體力學(xué)分析。整個(gè)過程中最關(guān)鍵的就是對(duì)泵體模型進(jìn)行三維網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格的劃分直接決定了整個(gè)流體分析的好壞，網(wǎng)格劃分越細(xì)致，那么網(wǎng)格就更加貼近本體，計(jì)算的精度也越高，但是對(duì)于計(jì)算機(jī)的硬件條件要求也相應(yīng)提高，計(jì)算的時(shí)間也越長。如圖1所示。

圖1 葉片流體模擬

因此，在客觀條件下盡可能地優(yōu)化網(wǎng)格的劃分，取得比較理想的效果。經(jīng)過反復(fù)的修正，將泵體單元網(wǎng)格的尺寸設(shè)置為0.05，網(wǎng)格最小尺寸設(shè)置為0.001，片面體網(wǎng)格尺寸為0.025，整體網(wǎng)格數(shù)量為144 157，面元數(shù)量為571 785，總節(jié)點(diǎn)數(shù)量為248 790。

整個(gè)泵體分析其實(shí)主要是對(duì)泵體內(nèi)水和空氣的混合體進(jìn)行動(dòng)態(tài)的模擬，因此選擇相應(yīng)的物理模型即采用Rayleigh-plesset狀態(tài)方程對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。該方程式能夠很好地計(jì)算出旋轉(zhuǎn)機(jī)械內(nèi)部的流體狀態(tài)，并且該計(jì)算方程經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證可以很好地解決實(shí)際工程問題[13-14]。在計(jì)算時(shí)人工調(diào)整泵體進(jìn)出口流量、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，并將介質(zhì)流體設(shè)定為水質(zhì)，其流體流動(dòng)設(shè)定為不可壓縮湍流，將殼體部分定義為全無滑移面，葉輪的方向定義為常旋方向即順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。計(jì)算時(shí)設(shè)置葉輪的轉(zhuǎn)速為700 r/min，出口的流量為320 t/h。計(jì)算形式定義為穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算，初始設(shè)定進(jìn)行1 000次迭代計(jì)算，定義計(jì)算收斂條件值為0.001。

完成所有的參數(shù)設(shè)置后進(jìn)行吸魚泵流體分析，經(jīng)計(jì)算結(jié)果顯示為收斂，通過分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)模擬的流場流線均勻穩(wěn)定，沒有突變和畸點(diǎn)。從流場的模擬圖發(fā)現(xiàn)，流體從入口進(jìn)入后經(jīng)過葉輪旋轉(zhuǎn)的加速，當(dāng)達(dá)到一定的速度后通過離心力的作用被甩出內(nèi)腔，在整個(gè)過程中葉輪流道上的加速度是最大的。整個(gè)過程中流體的速度線性均勻，沒有突點(diǎn)和跳躍。流體經(jīng)過葉輪的加速后被甩出內(nèi)腔，整個(gè)過程中速度從慢到快再逐步降低，且整個(gè)內(nèi)腔沒有形成渦流和擾流，模擬的過程基本符合吸魚泵泵吸流體的客觀規(guī)律和原理[15]。見圖2～圖3。

圖2 葉輪內(nèi)腔網(wǎng)格

圖3 葉輪流場模擬

2 連續(xù)泵吸平臺(tái)及試驗(yàn)

2.1 泵吸平臺(tái)

針對(duì)各式捕撈泵吸方式開發(fā)其適用的泵吸系統(tǒng)，對(duì)具體吸魚泵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室定量化測試，通過構(gòu)建吸魚泵數(shù)字模擬與實(shí)物模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，構(gòu)建其原理與性能研究試驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)。該試驗(yàn)平臺(tái)通過在水箱內(nèi)放置能夠調(diào)整魚水混合比例的捕撈試驗(yàn)網(wǎng)架，模擬漁網(wǎng)（又稱拖網(wǎng)）的水下作業(yè)狀態(tài)，具體試驗(yàn)時(shí)可通過調(diào)整主體框架側(cè)面、上下面的尺寸和角度來模擬漁網(wǎng)在水下張緊時(shí)的角度，并通過輸入魚獲來改變漁網(wǎng)內(nèi)魚獲與水的混合物比例，以此模擬漁網(wǎng)在實(shí)際工作過程中的工況[16]。如圖4和圖5所示。

圖4 平臺(tái)系統(tǒng)圖

圖5 試驗(yàn)平臺(tái)

2.2 泵吸試驗(yàn)及結(jié)果

通過試驗(yàn)記錄吸魚泵的流量和轉(zhuǎn)速，透過透明管道觀察整個(gè)泵吸的過程，最后我們仔細(xì)檢查經(jīng)過泵吸的魚，其體表無明顯的損傷，且生物活動(dòng)性沒有任何減少。試驗(yàn)開始時(shí)箱體內(nèi)放置了250條金魚，經(jīng)清點(diǎn)后發(fā)現(xiàn)有219條魚被泵吸出去，該吸魚泵的泵吸效率為87.6%。因此該吸魚泵滿足最初設(shè)計(jì)的要求，模擬設(shè)計(jì)與試驗(yàn)預(yù)期較為符合。泵吸試驗(yàn)及泵吸過程分別如圖6和圖7所示。

圖6 泵吸試驗(yàn)

圖7 泵吸過程

2.3 試驗(yàn)分析

以往吸魚泵的相關(guān)研究往往只關(guān)注于泵吸技術(shù)的理論分析、流體流場的理論分析，此外就是純粹的試驗(yàn)研究和分析，這樣的研究偏重于對(duì)某個(gè)具體問題進(jìn)行分析，而本文研究的優(yōu)點(diǎn)在于從理論分析到樣機(jī)制作最終在試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行模擬試驗(yàn)和優(yōu)化，建立起了一套完整的吸魚泵研發(fā)流程，涵蓋產(chǎn)品開發(fā)的各個(gè)環(huán)節(jié)，從而大幅度地提高研發(fā)效率并降低研發(fā)成本。與以往的研究相比較具有完整性、可追溯性、可優(yōu)化性等優(yōu)點(diǎn)。本文建立的研究方法雖然全面但也有不足之處，例如前期試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的投入較大、建設(shè)周期較長、試驗(yàn)平臺(tái)通用性較差等，這些不足之處有待于后續(xù)的研究解決。

模擬仿真設(shè)計(jì)結(jié)合連續(xù)泵吸平臺(tái)試驗(yàn)的模式可以較好地對(duì)吸魚泵進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，對(duì)泵吸起捕模式特別是深遠(yuǎn)海規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化捕撈作業(yè)具有極大的參考意義，通過該模式進(jìn)行吸魚泵的開發(fā)不僅能夠大大降低研發(fā)成本、縮短研發(fā)時(shí)間，且能夠提高研發(fā)產(chǎn)品質(zhì)量和品質(zhì)，同時(shí)為后續(xù)產(chǎn)品的優(yōu)化及個(gè)性化定制提供了很大的操作空間。因而該模式對(duì)全面提升遠(yuǎn)洋捕撈機(jī)械化、自動(dòng)化水平具有重要意義。

3 結(jié)論

國內(nèi)首個(gè)吸蝦泵試驗(yàn)平臺(tái)研究方案，針對(duì)不同捕撈方式對(duì)應(yīng)的水深進(jìn)行自動(dòng)化泵吸系統(tǒng)研究，對(duì)連續(xù)泵吸捕撈作業(yè)模式的改進(jìn)與優(yōu)化有積極推動(dòng)作用，而本文的研究在此基礎(chǔ)上能夠?yàn)楦鞣N工況環(huán)境下魚類的大規(guī)模連續(xù)捕撈技術(shù)提供技術(shù)支持。通過平臺(tái)搭建，完成了遠(yuǎn)距離泵吸輸送的試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了吸魚泵在額定轉(zhuǎn)速條件下管道阻力與泵吸流量、揚(yáng)程的測定。通過水箱內(nèi)置吸魚泵網(wǎng)架，模擬拖網(wǎng)網(wǎng)囊尾部吸入口的形式，并通過將不同數(shù)量魚獲放置入網(wǎng)架內(nèi)模擬不同魚獲與水的混合比例來進(jìn)行泵吸試驗(yàn)，得到最佳泵吸捕撈方式。此外樣機(jī)的試制成功證明了泵吸技術(shù)能很好地滿足實(shí)際需求，其實(shí)用前途非常光明。