田昌鳳，吳 凡，車(chē) 軒，2，劉興國(guó)，2，張 俊，陳曉龍

(1 中國(guó)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)農(nóng)村部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，上海 200092；3 上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海，201306)

在全球漁業(yè)資源日益匱乏的形勢(shì)下，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的高效發(fā)展關(guān)系到人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，越來(lái)越受到研究人員的廣泛關(guān)注[1-2]。2021年，世界水產(chǎn)品產(chǎn)量超過(guò)2億t，而中國(guó)淡水魚(yú)類(lèi)總產(chǎn)量約占全球的33%，并且是世界上唯一養(yǎng)殖產(chǎn)量高于捕撈產(chǎn)量的國(guó)家，而池塘養(yǎng)殖產(chǎn)品是中國(guó)水產(chǎn)品總產(chǎn)量的主要組成部分[3-5]。2020年,中國(guó)池塘水產(chǎn)養(yǎng)殖面積約262萬(wàn)hm2，養(yǎng)殖產(chǎn)量2 200多萬(wàn)t[6]，而池塘養(yǎng)殖的捕撈方式還相對(duì)原始，基本靠人工完成[7-8]。因此，池塘養(yǎng)殖生產(chǎn)亟需機(jī)械化自動(dòng)化捕撈系統(tǒng)裝備，吸魚(yú)泵已成為漁業(yè)機(jī)械研究的重要方向。

20世紀(jì)四五十年代，美國(guó)、挪威、法國(guó)、日本等漁業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的網(wǎng)箱養(yǎng)殖蓬勃發(fā)展[9-12]，與之相配套的吸魚(yú)泵的研究取得了重要進(jìn)展，研發(fā)了離心式吸魚(yú)泵、真空式吸魚(yú)泵、空氣揚(yáng)升式吸魚(yú)泵和射流式吸魚(yú)泵[13-18]，助推了網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為了研發(fā)適合池塘使用的吸魚(yú)泵，研究者們研發(fā)了真空式吸魚(yú)泵和射流式吸魚(yú)泵，但仍存在能耗高，輸送效率等問(wèn)題，并對(duì)魚(yú)有一定的損傷[19-22]。吸魚(yú)泵內(nèi)部復(fù)雜的水力因素和剪切層是造成鱗片脫落的主要原因[23-24]。而吸魚(yú)泵內(nèi)的撞擊、低壓環(huán)境以及吸魚(yú)泵內(nèi)部的壓力梯度是鰓蓋損傷、魚(yú)鰾破裂、肝臟腎臟受損和魚(yú)游動(dòng)平衡破壞的主要原因[25-26]。

此外，降低能耗也是吸魚(yú)泵研究的重點(diǎn)，影響吸魚(yú)泵能耗的因素主要有工作方式、魚(yú)水比以及輸送管道的阻力損失。研究顯示，射流式吸魚(yú)泵的單位質(zhì)量能耗為1.51 kW·h/t，離心式吸魚(yú)泵的單位質(zhì)量能耗為0.5～0.93 kW·h/t，真空式吸魚(yú)泵為0.5～0.6 kW·h/t，虹吸式吸魚(yú)泵的單位質(zhì)量能耗為0.3～0.4 kW·h/t可見(jiàn)虹吸式吸魚(yú)泵單位質(zhì)量能耗最小[8,31]。為了進(jìn)一步提高吸魚(yú)泵的性能，研究者們利用高速攝影技術(shù)、圖像處理技術(shù)等方法探索了速度梯度、壓力梯度以及機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)吸魚(yú)泵性能的影響，相繼攻克了眾多技術(shù)難題，有效解決了吸魚(yú)泵的輸送性能低和損傷大的問(wèn)題[15-18]。然而，池塘養(yǎng)殖的養(yǎng)殖品種和運(yùn)行工況有別于網(wǎng)箱養(yǎng)殖，并且傳統(tǒng)的試驗(yàn)研究周期長(zhǎng)，研究成本高，針對(duì)研發(fā)適用于池塘養(yǎng)殖的鮮活魚(yú)類(lèi)的輸送的吸魚(yú)泵的迫切需求，利用CFD數(shù)值模擬技術(shù)能夠有效縮短吸魚(yú)泵的設(shè)計(jì)時(shí)間以及成本，實(shí)現(xiàn)了高效吸魚(yú)泵的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

本研究運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)研究了一種虹吸式吸魚(yú)泵內(nèi)部的水動(dòng)力學(xué)特性，系統(tǒng)分析了吸魚(yú)泵軸向?qū)ΨQ(chēng)面以及軸向?qū)ΨQ(chēng)面上不同檢測(cè)線和不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的速度分布，壓強(qiáng)分布以及渦流黏度分布特性，尋找損傷魚(yú)類(lèi)的關(guān)鍵部位，以期降低吸魚(yú)泵的能耗和對(duì)鮮活水產(chǎn)品的損傷。研究結(jié)果對(duì)吸魚(yú)泵的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)提供了重要的理論指導(dǎo)，具有重要的科學(xué)意義。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 計(jì)算模型

如圖1所示，數(shù)值計(jì)算模型根據(jù)中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所研發(fā)的虹吸式吸魚(yú)泵進(jìn)行三維建模，吸魚(yú)泵外腔直徑為0.6 m，內(nèi)腔直徑為0.584 m，壁厚0.008 m，長(zhǎng)1.6 m。其中吸魚(yú)泵入口位于右側(cè)頂端，入口直徑為 0.2 m，出口位于左側(cè)底端，出口直徑為0.16 m。

圖1 物理模型和試驗(yàn)布置

如圖2所示，虹吸式吸魚(yú)泵的工作原理是吸魚(yú)泵內(nèi)部注滿水后，開(kāi)始抽吸活魚(yú)，直到吸魚(yú)泵內(nèi)部活魚(yú)達(dá)到一定的密度后，排出魚(yú)水混合物，排凈后再次注滿水后開(kāi)始抽吸。這種工作方式和工作環(huán)境有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)，一是連續(xù)作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，泵內(nèi)魚(yú)水混合的比例可以達(dá)到2∶1甚至更高，有效提高了虹吸式吸魚(yú)泵的輸送能力；二是吸魚(yú)泵內(nèi)部注滿水后再抽吸活魚(yú)，有別于傳統(tǒng)的無(wú)水抽吸，吸魚(yú)泵內(nèi)部的水體起到有效的緩沖作用，減少魚(yú)體碰撞泵體，從而較少魚(yú)體的損傷。

圖2 吸魚(yú)泵的工作原理

圖3為虹吸式吸魚(yú)泵的流場(chǎng)模型，選取虹吸式吸魚(yú)泵軸向?qū)ΨQ(chēng)面建立直角坐標(biāo)系，其中x方向?yàn)槲~(yú)泵軸向方向，向下為正，y方向?yàn)閦軸垂直的方向，重力加速度方向?yàn)閥方向。為了研究吸魚(yú)泵內(nèi)部的流動(dòng)特性，取吸魚(yú)泵軸向?qū)ΨQ(chēng)面為監(jiān)測(cè)面以及對(duì)稱(chēng)面上的AA’、BB’、CC’、DD’、EE’、FF’6條線為監(jiān)測(cè)線和點(diǎn)1、點(diǎn)2、點(diǎn)3、點(diǎn)4、點(diǎn)5為監(jiān)測(cè)點(diǎn)。將吸魚(yú)泵入口設(shè)為速度入口邊界，吸魚(yú)泵壁面設(shè)為無(wú)滑移固壁邊界，吸魚(yú)泵頂部出口和底部出口均設(shè)為壓力出口邊界。

圖3 虹吸式吸魚(yú)泵計(jì)算模型

1.2 數(shù)值計(jì)算方法

該流場(chǎng)連續(xù)性的和不可壓縮的混合流體相，該流動(dòng)過(guò)程滿足連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程。充分考慮渦流和低雷諾數(shù)對(duì)湍流的影響，采用重整化群(RNG)k-ε兩方程模型為湍流模型，與之相關(guān)的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、k-ε輸運(yùn)方程分別為[23-24]：

連續(xù)方程:

(1)

式中：ρ為流體密度，v為流動(dòng)速度矢量，u、v、w是其在x、y、z方向上的分量。

動(dòng)量方程：

(2)

(3)

(4)

式中：p為流體壓力，F(xiàn)為單位質(zhì)量流體所受外部力，F(xiàn)x、Fy、Fz是其在x、y、z方向上的分量，τ為流體的黏性應(yīng)力，τxx、τxy、τxz、τyx、τyy、τyz、τzx、τzy、τzz為其在對(duì)應(yīng)x、y、z方向上的張量分量，S為流體質(zhì)量源，Sx、Sy、Sz是其在x、y、z方向上的分量。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程：

(5)

(6)

式中：xi是空間點(diǎn)上的坐標(biāo)，ui為在時(shí)間t坐標(biāo)下的速度分量，i=1、2、3。兩方程的k-ε湍流模型系數(shù)為：cμ=0.09、Cε1=1.44、Cε2=1.92、σk=1.0、σε=1.3。

2 結(jié)果與分析

2.1 吸魚(yú)泵監(jiān)測(cè)面上流動(dòng)特性分析

在輸送過(guò)程中，壓強(qiáng)分布是評(píng)估活魚(yú)是否損傷的重要指標(biāo)，不同進(jìn)口速度下監(jiān)測(cè)面上的壓力分布如圖3所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著進(jìn)口速度的增大，壓強(qiáng)呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，不同進(jìn)口速度下，壓強(qiáng)在1.01×105～1.09×105Pa范圍內(nèi)變化，整體變化范圍不大；不同進(jìn)口速度下監(jiān)測(cè)面上速度矢量圖如圖4所示，可以看出流體從吸魚(yú)泵入口進(jìn)入后，由于具有初速度以及自身慣性的作用下首先沖擊至吸魚(yú)泵腔體出口處的頂端壁面，然后由于壁面的反作用力形成了沿腔體輪廓方向的回流，最后在自身重力的作用下落至靠近出口處底端。

圖4 監(jiān)測(cè)面上的壓力云圖

隨著進(jìn)口速度的增大，吸魚(yú)泵出口側(cè)頂端的回流現(xiàn)象越明顯，且流速在0.5～1.98 m/s范圍內(nèi)變化。壓強(qiáng)最大處主要集中在吸魚(yú)泵出口側(cè)腔體頂端，該處對(duì)魚(yú)體損傷最大，其次是來(lái)流撞到吸魚(yú)泵壁面后形成回流，回流落點(diǎn)處容易對(duì)魚(yú)體產(chǎn)生二次損傷。渦流黏度是表征湍流特性的一個(gè)重要參數(shù)，與流動(dòng)的紊動(dòng)特性緊密相關(guān)。不同速度下吸魚(yú)泵內(nèi)部渦流黏度分布圖如圖5所示。結(jié)果表明隨著來(lái)流速度的增加靠近吸魚(yú)泵出口端的壁面渦流黏度增大，結(jié)合圖4說(shuō)明渦流黏度越大越容易形成渦流/回流，同時(shí)也說(shuō)明該處湍流強(qiáng)度較大，流動(dòng)紊亂，不利于活魚(yú)運(yùn)輸。

圖5 監(jiān)測(cè)面上的速度矢量圖

圖6 監(jiān)測(cè)面上的渦流黏度分布圖

2.2 吸魚(yú)泵內(nèi)不同監(jiān)測(cè)線的流動(dòng)特性分析

為進(jìn)一步研究吸魚(yú)泵內(nèi)部流動(dòng)特性，對(duì)不同進(jìn)口速度下，吸魚(yú)泵內(nèi)部AA’、BB’、CC’、DD’、EE’、FF’6條監(jiān)測(cè)線上的速度、壓力作為縱坐標(biāo)得到該線上的速度特性、壓力分布特性，具體結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 監(jiān)測(cè)線上速度分布曲線

圖8 監(jiān)測(cè)線上壓力分布曲線

計(jì)算結(jié)果顯示：監(jiān)測(cè)線BB’上速度相對(duì)較大，從進(jìn)水口到監(jiān)測(cè)線中部，速度基本穩(wěn)定不變速度大小近似等于進(jìn)水口速度，在中后段逐漸減少，到右端突然增加后又減少；當(dāng)速度為1 m/s時(shí)，監(jiān)測(cè)線AA’和FF’上從左端到右端，速度先增加后減小，監(jiān)測(cè)線CC’、DD’、EE’上從左端到右端，速度先增大后減小，靠近右端又突然增加；當(dāng)速度為1.5 m/s和2 m/s時(shí)，檢測(cè)線EE’上的速度大小與BB’趨勢(shì)一致；隨著進(jìn)口速度的增加，吸魚(yú)泵頂部和底部的監(jiān)測(cè)線AA’、FF’上的速度分布相對(duì)穩(wěn)定，基本上不隨著X距離變化發(fā)生改變，但吸魚(yú)泵內(nèi)部檢測(cè)線BB’、CC’、DD’上的流速逐漸增加，監(jiān)測(cè)線EE’上的流速線增加后又急速降低。

吸魚(yú)泵內(nèi)部壓力分布是評(píng)估活魚(yú)運(yùn)輸過(guò)程中魚(yú)體損傷的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。不同來(lái)流條件下監(jiān)測(cè)線上壓力分布曲線如圖8所示。計(jì)算結(jié)果顯示：不同進(jìn)口速度下，AA’、BB’、CC’、DD’、EE’、FF’6條監(jiān)測(cè)上的壓力變化趨勢(shì)基本一致；X=-0.8～0.5范圍內(nèi)，檢測(cè)線AA’、BB’、CC’、DD’、EE’、FF’上壓強(qiáng)變化不明顯；在X=0.5～0.8范圍內(nèi)，檢測(cè)線AA’、BB’、CC’、DD’上的壓強(qiáng)逐步增加，最大值約為1.09×105Pa，檢測(cè)線EE’、FF’上的壓強(qiáng)急劇降低，最小值約為1.0×105Pa；計(jì)算結(jié)果顯示靠近出水口壓力相對(duì)不大，而靠近吸魚(yú)泵右上端壁面附近壓力較大，可能與來(lái)流沖擊形成回流，流動(dòng)紊亂，導(dǎo)致附近壓力場(chǎng)局部變大，這為吸魚(yú)泵后續(xù)的研發(fā)和設(shè)計(jì)提供了重要的依據(jù)。

2.3 吸魚(yú)泵內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的流動(dòng)特性分析

為進(jìn)一步研究吸魚(yú)泵內(nèi)部流動(dòng)特性隨時(shí)間變化的關(guān)系，在吸魚(yú)泵內(nèi)部取適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)如圖3所示，并提取該點(diǎn)上的相關(guān)流動(dòng)特性參數(shù)，如速度、壓力以及渦流黏度。以流動(dòng)時(shí)間作為橫坐標(biāo)，將該曲線上的速度、壓力、渦流黏度作為縱坐標(biāo)得到該線上的速度特性、壓力分布特性、渦流黏度特性。

在不同進(jìn)水速度情況下，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的速度分布如圖9所示，從計(jì)算結(jié)果可以得出吸魚(yú)泵出水口監(jiān)測(cè)點(diǎn)5上的流速相對(duì)較大，其他測(cè)點(diǎn)上的速度大小差異不大；隨著進(jìn)口速度的增加，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的速度隨之增加；從流動(dòng)趨勢(shì)來(lái)看，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的流速相對(duì)穩(wěn)定，未出現(xiàn)較大的波動(dòng)，速度隨著時(shí)間的增加，基本是先增加，后減少，逐步趨于穩(wěn)定。

圖9 監(jiān)測(cè)點(diǎn)上速度分布曲線

在不同進(jìn)水速度情況下，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的壓強(qiáng)計(jì)算結(jié)果如圖10所示，計(jì)算結(jié)果顯示吸魚(yú)泵出口處監(jiān)測(cè)點(diǎn)5壓強(qiáng)相對(duì)較小，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的壓強(qiáng)相對(duì)較大；隨著時(shí)間的推移，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的壓強(qiáng)先急劇增加，后趨于穩(wěn)定；隨著速度的增加，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的壓強(qiáng)隨之增大，出口處壓強(qiáng)基本維持在1.010×105～1.035×105Pa。

圖10 監(jiān)測(cè)點(diǎn)上壓強(qiáng)分布曲線

渦流黏度是表征湍流特性的一個(gè)重要參數(shù)，與流動(dòng)的紊動(dòng)特性緊密相關(guān)。渦流黏度的計(jì)算結(jié)果如圖11所示，可以看出監(jiān)測(cè)點(diǎn)4的渦流黏度相對(duì)較大，其次是監(jiān)測(cè)點(diǎn)3和監(jiān)測(cè)點(diǎn)5，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和監(jiān)測(cè)點(diǎn)2的玩渦流黏度最小。計(jì)算結(jié)果表明監(jiān)測(cè)點(diǎn)4處的流動(dòng)翁亂，這主要是該處存在明顯的回流現(xiàn)象；監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和監(jiān)測(cè)點(diǎn)2處流速分布較穩(wěn)定，波動(dòng)較小，說(shuō)明吸魚(yú)泵底部流動(dòng)穩(wěn)定，對(duì)魚(yú)體損傷較小。

圖11 監(jiān)測(cè)點(diǎn)上渦流黏度分布曲線

2.4 數(shù)值結(jié)果有效性驗(yàn)證

樣機(jī)試驗(yàn)在中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所中試基地完成，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。為驗(yàn)證上述數(shù)值計(jì)算的有效性，設(shè)置圖3中的監(jiān)測(cè)平面上5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(Point 1、Point 2、Point 3、Point 4、Point 5)，其坐標(biāo)分別(-0.41,0.25,0)、(-0.16,0.04,0)、(-0.3,0.5,0)、(0.2,0.32,0)、(0.7,-0.07,0)。在進(jìn)口速度是1 m/s的情況下，虹吸式吸魚(yú)泵穩(wěn)定工作后，采用LSH10-1M型微型多普勒流速儀測(cè)定內(nèi)部的點(diǎn)1、點(diǎn)2、點(diǎn)3、點(diǎn)4、點(diǎn)5處的流速。

表1分別為監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2、3、4、5上的數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果，可以看出監(jiān)測(cè)點(diǎn)1處的試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值結(jié)果誤差最大，誤差為13.3%，其次是監(jiān)測(cè)點(diǎn)2和點(diǎn)4處的試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值結(jié)果，誤差為11.9%，而監(jiān)測(cè)點(diǎn)3和5處的試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值結(jié)果誤差較小，分別為4.8%和3.7%。此外，可以發(fā)現(xiàn)點(diǎn)5處的流速最大，而靠近吸魚(yú)泵壁面處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)處流速較低，即渦流區(qū)和出水口處流速較大。試驗(yàn)結(jié)果表明數(shù)值計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確有效。

表1 平均流速數(shù)值模擬與試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

在不同進(jìn)口速度下，虹吸式吸魚(yú)泵內(nèi)壓強(qiáng)變化幅度不大，壓強(qiáng)最大處主要集中在吸魚(yú)泵右上端，該處對(duì)魚(yú)體損傷最大；吸魚(yú)泵內(nèi)部出口側(cè)頂端的渦流黏度最大，容易形成渦流，渦流落點(diǎn)處容易對(duì)魚(yú)體產(chǎn)生二次損傷。隨著進(jìn)口速度的增加，壓強(qiáng)、流速和渦流黏度都呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)；隨著進(jìn)口速度的增大，內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)紊亂程度也在增強(qiáng)；出水口處壓力相對(duì)不大，而靠近吸魚(yú)泵右上端壁面附近壓力較大。吸魚(yú)泵試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模結(jié)果最大誤差為13.3%，最小誤差為3.7%，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的有效性。本研究對(duì)吸魚(yú)泵的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)提供了參考，具有一定的科學(xué)意義。后續(xù)的研究中應(yīng)考慮活魚(yú)對(duì)吸魚(yú)泵內(nèi)流場(chǎng)的影響以及研究不同種類(lèi)魚(yú)類(lèi)對(duì)輸送性能的影響。

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