田昌鳳，劉興國，車軒*，吳凡，張俊，陳曉龍

(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.上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 201306)

魚類捕撈是漁業(yè)生產(chǎn)中勞動(dòng)強(qiáng)度最大的環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的魚類捕撈主要采取人工方式，存在費(fèi)時(shí)費(fèi)力、勞動(dòng)強(qiáng)度大、易損傷魚體，且難以適應(yīng)對(duì)活魚的起捕和轉(zhuǎn)運(yùn)需求等問題[1-2]。吸魚泵是一種專門應(yīng)用于活魚起卸過程的先進(jìn)設(shè)備，不僅可大幅度降低勞動(dòng)強(qiáng)度和勞動(dòng)成本，且具有起卸效率高、魚體損傷率低等優(yōu)點(diǎn)[3-5]。一些漁業(yè)發(fā)達(dá)國家，如美國、挪威、法國、冰島、愛爾蘭、加拿大、日本和俄羅斯等[6-13]在網(wǎng)箱養(yǎng)殖中已廣泛使用吸魚泵。吸魚泵的形式主要有離心式、射流式和真空式[14-15]。其中，離心式吸魚泵利用液壓驅(qū)動(dòng)泵內(nèi)的葉片高速旋轉(zhuǎn)形成負(fù)壓吸魚，對(duì)魚體的損傷較大，且死亡率較高[16-17]；射流式吸魚泵利用高速流動(dòng)水流產(chǎn)生的負(fù)壓吸魚，對(duì)魚的損傷較小，但能量轉(zhuǎn)換效率低[18-19]；真空式吸魚泵基于負(fù)壓的原理吸魚，具有自動(dòng)化程度高、起捕量大、魚體損傷率低和成本低等特點(diǎn),但真空吸魚泵系統(tǒng)龐大，能耗高且電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜，主要適用于規(guī)模較大的深水網(wǎng)箱和大型工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)[20-24]。對(duì)于漁獲量相對(duì)較小的養(yǎng)殖池塘，大體積和高能耗的真空吸魚泵難以適用，因此，亟需研發(fā)適合池塘使用的小型真空吸魚泵。

目前，國內(nèi)外關(guān)于真空吸魚泵的研究主要集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面。如田昌鳳等[25]開展了養(yǎng)殖池塘單罐真空式吸魚泵的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，從理論上計(jì)算了吸魚泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)；楚樹坡等[26]進(jìn)行了雙流道吸魚泵的結(jié)構(gòu)研究；楊楠楠[27]研制了一種吸魚泵防堵裝置；中國科學(xué)院海洋研究所研究了淡水養(yǎng)殖池塘的雙聯(lián)式真空吸魚裝置[28]；徐英士[29]對(duì)真空吸魚泵的閥體進(jìn)行了逐一設(shè)計(jì)分析。美國“ETI”公司生產(chǎn)的真空吸魚泵在其他國家廣泛應(yīng)用[30]，但價(jià)格昂貴，一般應(yīng)用于大型網(wǎng)箱養(yǎng)殖企業(yè)；丹麥IRAS公司研制的真空吸魚泵和自由分級(jí)系統(tǒng)，能夠自動(dòng)稱重、分級(jí)、傳送和內(nèi)部分配等[31]；波蘭Wintec Polska公司研制了雙罐吸魚泵[32]。但國內(nèi)外對(duì)真空吸魚泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)的流態(tài)分析和魚類損傷的研究較少。劉平[33]通過流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)離心式吸魚泵的葉輪進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析；徐茂森等[34]研究了喉管魚噴嘴截面積比對(duì)射流式魚泵輸送性能及魚損的影響；Xu等[14]通過數(shù)值模擬計(jì)算了魚類運(yùn)動(dòng)對(duì)射流魚泵內(nèi)部流動(dòng)的影響。有研究人員通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，魚體在輸運(yùn)過程中泵體內(nèi)產(chǎn)生的渦流和回流，以及與罐體壁面的碰撞，易對(duì)魚體造成一定損傷[31]。這些研究者關(guān)注了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)吸魚泵內(nèi)部流體和魚類損傷的影響，但未關(guān)注抽吸速度對(duì)吸魚泵內(nèi)部流場(chǎng)和魚類損傷的影響。綜上所述，如何在確保成活率和降低損傷率的前提下，提高真空吸魚泵的效率是目前亟須解決的問題。

本研究中，通過數(shù)值模擬研究了不同水流速度條件下吸魚泵內(nèi)氣液兩相流的流動(dòng)特性，包括內(nèi)部速度分布、水體流線分布和罐體內(nèi)部壓力等，并利用優(yōu)化參數(shù)研制了一種小型單罐真空吸魚泵，通過試驗(yàn)對(duì)比分析了進(jìn)魚管不同抽吸速度下，不同魚種的吸魚量、循環(huán)次數(shù)和魚體損傷等參數(shù)，確保在盡可能減少回流和渦流產(chǎn)生的條件下，得到吸魚泵進(jìn)魚管道最大抽吸速度，以期為設(shè)計(jì)開發(fā)池塘養(yǎng)殖用高效吸魚泵提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

單罐真空式吸魚泵為一種間歇式工作的吸魚泵，由于吸魚和排魚無法同時(shí)進(jìn)行，僅當(dāng)吸魚工作完成后，開啟排魚工作，排魚結(jié)束后開啟下一輪吸魚工作。單罐吸魚泵采用不銹鋼材質(zhì)，罐體容積為0.6 m3，吸魚管道內(nèi)徑為200 mm，吸魚時(shí)間為20 s/次，排魚時(shí)間為10 s/次。這里的單次指完成一次吸魚工作或者一次放魚工作(下同)。

1.2 方法

基于CFD(computer fluid dynamic)數(shù)值計(jì)算理論及方法，研究吸魚泵單次抽吸過程中氣液兩相流的流動(dòng)特性，在降低魚類損傷率和提高工作效率的前提下，確定最佳的來流速度，以指導(dǎo)吸魚泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并開展樣機(jī)抽吸效果試驗(yàn)。

1.2.1 數(shù)值模擬

1)控制方程。采用歐拉-歐拉計(jì)算方法，將魚水混合物視為黏性不可壓縮連續(xù)性液相，空氣視為黏性可壓縮連續(xù)性氣相。三維非定常流動(dòng)的基本控制方程如下：

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

其中：t為時(shí)間(s)；p為流體壓力(Pa)；ui和uj為速度分量(m/s)；xi和xj為位移分量(m)；μ為動(dòng)力黏度系數(shù)(N·s/m2)；ρ為流體密度(kg/m3)；μt為紊流黏性系數(shù)(Pa·s)。

2)湍流模型。由于吸魚泵吸魚過程中存在大應(yīng)變率、旋流和液固分離等復(fù)雜流動(dòng)問題，湍流模型采用SSTk-ω湍流模型。

SSTk-ω湍流模型的k方程和ω方程分別為

(3)

其中：k為湍流動(dòng)能;ω為湍流頻率;Γk、Γω分別為湍流擴(kuò)散系數(shù);Gk、Gω分別為湍流生成項(xiàng);Yk、Yω分別為湍動(dòng)能耗散項(xiàng);Sk、Sω分別為自定義源項(xiàng)。

3)VOF(volume of fluid)多相流模型。在歐拉-歐拉多相流數(shù)值模型中，VOF模型適合于分層的或自由表面流，混合模型或歐拉模型適合于流動(dòng)中有相混合或分離，或分散相體積分?jǐn)?shù)超過10%的情況。對(duì)于吸魚泵內(nèi)部氣液兩相流的流動(dòng)接觸，其難點(diǎn)在于對(duì)自由液面的追蹤處理。VOF模型通過引入各個(gè)時(shí)刻各相流體在網(wǎng)格單元中所占體積分?jǐn)?shù)α來構(gòu)造和追蹤自由面，水氣自由界面的重構(gòu)通過求解以下形式的連續(xù)性方程實(shí)現(xiàn)：

(4)

對(duì)于吸魚泵內(nèi)部氣液兩相流場(chǎng)，計(jì)算單元中空氣的體積分?jǐn)?shù)為ag，水的體積分?jǐn)?shù)為1-ag。ag在計(jì)算單元中會(huì)出現(xiàn)以下3種可能：①當(dāng)ag=0時(shí)，表示該單元中充滿的是水；②當(dāng)0

4)網(wǎng)格及邊界條件根據(jù)吸魚泵結(jié)構(gòu)模型建立三維流場(chǎng)模型，取XY平面建立直角坐標(biāo)系，進(jìn)水口和空氣壓力出口如圖1所示，為了確保工作效率，抽吸速度分別取1.0、1.5、2.0 m/s。吸魚泵外表面設(shè)為固壁邊界條件，對(duì)流動(dòng)變化劇烈的部位進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。劃分非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格并通過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，整體網(wǎng)格數(shù)量約234萬?？紤]重力加速度，水的密度按照海水在20 ℃時(shí)的參數(shù)值進(jìn)行設(shè)置，密度為1 052 kg/m3。

1.2.2 樣機(jī)抽吸魚試驗(yàn) 樣機(jī)試驗(yàn)布置如下：真空式吸魚泵在混養(yǎng)草魚、鯉、鯽和鰱的池塘岸邊水平固定，吸魚泵重心離岸距離約1.5 m，距離池塘水面約2.5 m，吸魚泵吸口安放在魚池集魚網(wǎng)箱內(nèi)。抽吸速度分別設(shè)為1.0、1.5、2.0 m/s，每次試驗(yàn)持續(xù)1 h，根據(jù)吸魚泵單次吸魚、排魚時(shí)間，可得每小時(shí)循環(huán)次數(shù)共為120次。抽吸工作完成后，分別測(cè)量不同抽吸條件下的吸魚量、魚體損傷率等性能參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

進(jìn)魚管道抽吸速度分別取v=1.0、1.5、2.0 m/s 3種工況，計(jì)算結(jié)果分別取t=0.3、0.6、1.0 s時(shí)刻下吸魚泵內(nèi)部水的體積分?jǐn)?shù)、速度分布及流線圖進(jìn)行分析。不同抽吸速度和不同時(shí)刻下的液相體積分?jǐn)?shù)分布云圖、速度分布云圖和流線圖如圖2～圖4所示。

從圖2可見：氣液分界面明顯，不同抽吸速度下，液體撞擊底部壁面的位置不同，產(chǎn)生的作用力大小也不相同；當(dāng)進(jìn)魚管道抽吸速度為1.0 m/s時(shí)，由于速度相對(duì)較低，液相水隨時(shí)間的變化相對(duì)穩(wěn)定；當(dāng)抽吸速度為1.5 m/s時(shí)，由于來流流速較大，來流在吸魚泵內(nèi)部壁面多次碰撞局部形成回流，流態(tài)相對(duì)紊亂；當(dāng)抽吸速度為2.0 m/s時(shí)，由于速度增加，來流在較短的時(shí)間內(nèi)撞擊吸魚泵內(nèi)腔，撞擊點(diǎn)遠(yuǎn)離速度進(jìn)口，撞擊產(chǎn)生的回流更加紊亂，而隨著時(shí)間的推移，來流在吸魚泵內(nèi)部壁面多次碰撞形成回流，流態(tài)相對(duì)紊亂。

紅色表示液相，藍(lán)色表示氣相。Red color for liquid phase, and blue color for gas phase.圖2 不同速度、不同時(shí)刻下的液相體積分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.2 Volume fraction distribution of the liquid phase at different velocities and moments

從圖3可見：當(dāng)t=0.3 s時(shí)，水流剛注入吸魚泵，其內(nèi)部整體速度場(chǎng)未有較大變化，底部有較大壓力是由于水流流速較大，落在吸魚泵內(nèi)腔底面具有一定壓力；當(dāng)t=0.6 s時(shí)，吸魚泵內(nèi)部壓力場(chǎng)開始有了明顯變化；當(dāng)t=1.0 s時(shí)，隨著來流速度的增大，水流沖擊罐體底部的位置不同，速度越大，產(chǎn)生的回流和旋渦就越明顯，需要特別關(guān)注沖擊點(diǎn)的位置和沖擊力的大小，它會(huì)對(duì)活魚造成一定的損傷，這為后續(xù)罐體的局部位置的設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。

從圖4可見：當(dāng)t=0.3 s時(shí)，各抽吸速度下吸魚泵內(nèi)部流場(chǎng)的跡線都比較光滑；當(dāng)t=0.6 s時(shí)，抽吸速度為1.0 m/s時(shí)，吸魚泵的內(nèi)部流場(chǎng)的跡線比較光滑，抽吸速度為1.5、2.0 m/s時(shí)，吸魚泵內(nèi)部流場(chǎng)出現(xiàn)了明顯的回流和渦流現(xiàn)象；當(dāng)t=1.0 s時(shí)，抽吸速度為1.0、1.5 m/s時(shí)，吸魚泵內(nèi)部流場(chǎng)有一定的回流、旋渦的出現(xiàn)，而抽吸速度為2.0 m/s時(shí)，吸魚泵內(nèi)部流場(chǎng)具有明顯的回流、旋渦的出現(xiàn)，回流場(chǎng)的出現(xiàn)容易損壞魚體。

對(duì)比分析以上計(jì)算結(jié)果可知，進(jìn)魚管道抽吸速度分別為1.0、1.5 m/s時(shí)，吸魚泵內(nèi)部流場(chǎng)未有明顯的旋渦出現(xiàn)，速度無跳躍性變化，在該條件下吸魚泵的流場(chǎng)合理，對(duì)魚體損害相對(duì)較小，吸魚泵內(nèi)部壓力比較均勻且無較大壓力差值出現(xiàn)，基本符合吸魚泵的工作狀態(tài)。但對(duì)比不同速度、不同時(shí)刻下的液相體積分?jǐn)?shù)的情況可知，抽吸速度分別為1.5、2.0 m/s時(shí)，來流在吸魚泵內(nèi)部壁面多次碰撞，局部形成回流，流態(tài)相對(duì)紊亂，故這兩個(gè)速度不適宜作為吸魚泵進(jìn)口抽吸速度。

圖3 不同速度、不同時(shí)刻下的速度分布云圖Fig.3 Velocity contours distribution at different velocities and moments

圖4 不同速度、不同時(shí)刻下的流線圖Fig.4 Streamline distribution at different velocities and moments

綜上分析，在不損傷魚體的條件下，抽吸速度v=1.0 m/s時(shí)，更適宜作為吸魚泵進(jìn)口的設(shè)計(jì)流速。

2.2 吸魚泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

以淡水池塘養(yǎng)殖的品種為起捕對(duì)象，平均質(zhì)量約為2.5 kg/尾，平均密度為1 033 kg/m3，魚體最大截面處直徑平均約為90 mm。單罐真空吸魚泵主要由機(jī)架、水環(huán)式真空泵、真空閥門、控制系統(tǒng)、進(jìn)魚管道和出魚管道等結(jié)構(gòu)組成(圖5)，根據(jù)數(shù)值分析的計(jì)算結(jié)果，單罐真空吸魚泵在靠近吸魚泵右側(cè)受力最大，所以在該處進(jìn)行了加固和打磨，盡可能減少對(duì)魚的損傷。水環(huán)式真空泵作為形成負(fù)壓的主要設(shè)備，利用真空負(fù)壓對(duì)魚水產(chǎn)生抽吸力，以實(shí)現(xiàn)活魚高效自動(dòng)吸捕。

1—機(jī)架；2—罐體；3—吸魚閘門；4.控制箱；5.進(jìn)魚管道；6—出魚管道；7—放魚閘門；8—三通；9—排氣口；10—真空閥；11—真空泵；12—水箱。1—rack；2—tank body； 3—inlet gate； 4—control module； 5—inlet pipe； 6—outlet pipe；7—outlet gate；8—tee pipe；9—vent；10—vacuum valve； 11—vacuum pump；12—water tank.圖5 吸魚泵正視圖Fig.5 Front view of a fish pump

2.2.1 進(jìn)水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 為了保證魚群不聚集于進(jìn)魚管道，進(jìn)魚管道直徑一般取起捕對(duì)象最大截面直徑的2倍，綜合其他因素，進(jìn)魚管直徑設(shè)計(jì)為 200 mm。進(jìn)魚管道抽吸速度分別選取1.0、1.5、2.0 m/s作為抽吸測(cè)試流速。根據(jù)下式計(jì)算進(jìn)魚管道水流量(Q):

v=Q/S。

(5)

其中：S為進(jìn)魚管道截面積，取為0.031 4 m2；v為進(jìn)魚管道抽吸速度，分別取為1.0、1.5、2.0 m/s。根據(jù)公式(5)，當(dāng)進(jìn)魚管抽吸速度為1.0、1.5、2.0 m/s時(shí)，對(duì)應(yīng)的進(jìn)魚管道水流量Q分別為0.031 4、0.047 1、0.062 8 m3/s。

以吸魚泵抽吸速度為1.0 m/s為例，吸魚泵吸魚過程的工作時(shí)間為20 s，放魚過程的工作時(shí)間為10 s，吸魚泵吸魚過程的進(jìn)水流量[35]為

Q=M/(ρm×t)。

(6)

其中：Q為吸魚泵進(jìn)魚管道流量，為0.031 4 m3/s；ρm為魚水混合物的平均密度，取為1 020 kg/m3；t為時(shí)間(s)。將數(shù)據(jù)代入公式(6)，得到單次抽吸量M約為640.6 kg，吸魚泵每小時(shí)要抽吸120次，故每小時(shí)抽吸量約為77.0 t/h，按照魚水比為1∶1，得到每小時(shí)抽吸魚的總量為38.5 t/h。以此類推,可以得到抽吸速度為1.5 m/s時(shí),每小時(shí)抽吸魚的總量為57.5 t/h；抽吸速度為2.0 m/s時(shí),每小時(shí)抽吸魚的總量為77.0 t/h。

2.2.2 真空泵的抽氣速率 根據(jù)活魚起捕要求，設(shè)計(jì)計(jì)算真空泵的參數(shù)，其抽氣速率計(jì)算公式[28]為

(7)

其中：Se為真空泵中的抽氣速率(m3/s)；V1為真空吸魚泵內(nèi)的容積，約為0.6 m3；V2為管道內(nèi)容積，約為0.3 m3；t為單次抽氣所經(jīng)歷的時(shí)間，為20 s；n為真空泵數(shù)量，取為1；H為大氣壓的水柱高度，為10 m；Hg為吸魚泵的吸水高度值，取為4.5 m；Δh為泵體中心離地面之間的距離，取為0.1 m。將數(shù)據(jù)代入公式(7)，得到Se=1.83 m3/min。根據(jù)泵內(nèi)壓力、抽氣速率及安全系數(shù)等參數(shù)，選定SLK型真空泵，其抽氣速率為4 m3/min，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

單罐真空吸魚泵樣機(jī)于2019年9月份在寧夏賀蘭縣新明水產(chǎn)養(yǎng)殖公司開展試驗(yàn)(圖6)。吸魚泵吸口安放在魚池集魚網(wǎng)箱內(nèi)，吸魚管內(nèi)壁光滑，柔軟性強(qiáng)，不會(huì)對(duì)魚體造成損傷。養(yǎng)殖池塘真空吸魚泵樣機(jī)初步實(shí)現(xiàn)了帶水吸魚的功能，吸魚時(shí)間20 s，放魚時(shí)間10 s，依次循環(huán)進(jìn)行吸魚、放魚作業(yè)。當(dāng)抽吸速度為1.0 m/s，工作1 h循環(huán)次數(shù)為120次，測(cè)得實(shí)際魚水混合物平均抽吸量約為73 t，與理論計(jì)算值77 t有一定的偏差，誤差在可接受范圍以內(nèi)。

圖6 吸魚泵測(cè)試試驗(yàn)Fig.6 Test of fish pump

單罐真空吸魚泵試驗(yàn)主要進(jìn)行性能測(cè)試，包括吸魚量、循環(huán)次數(shù)和魚體損傷測(cè)試等。其中，魚體損傷測(cè)試主要觀察魚體表面是否有出血和掉鱗的情況，各參數(shù)測(cè)試結(jié)果如表1所示。用單罐真空吸魚泵分別對(duì)草魚、鯉、鯽、鰱和鳙進(jìn)行單獨(dú)抽吸試驗(yàn)，結(jié)果顯示，鯽和鯉單次平均抽吸量較大，草魚和鳙單次平均抽吸量較小，魚水比為1∶1.5～1.68。魚體表面的損傷情況顯示：在抽吸速度為1.0 m/s的條件下，草魚、鰱和鳙的損傷率較小，分別為2.0%、0.3%、0.1%，鯉和鯽無損傷，吸魚泵的平均抽吸魚量約為23 t/h;在抽吸速度為1.5 m/s的條件下，草魚、鯉、鰱和鳙的損傷率增大，分別為3%、0.3%、0.7%、0.3%，鯽無損傷，吸魚泵的平均抽吸魚量約為28 t/h;在抽吸速度為2.0 m/s的條件下，草魚、鯉、鯽、鰱和鳙的損傷率較大，分別為5%、1.0%、0.5%、1.0%、0.5%，吸魚泵的平均抽吸魚量約為36 t/h(表1)。

表1 吸魚泵試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Test data for fish pumps

3 討論

3.1 抽吸速度對(duì)吸魚泵內(nèi)流場(chǎng)的影響

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)逐漸運(yùn)用在各個(gè)行業(yè)。針對(duì)自動(dòng)化捕撈裝備，采用CFD數(shù)值模擬技術(shù)可有效減小設(shè)計(jì)周期，節(jié)省人力物力成本，同時(shí)填補(bǔ)了國內(nèi)在真空吸魚泵數(shù)值研究方面的空白，為新型自動(dòng)化捕撈裝備的開發(fā)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供了新思路。本研究中，基于CFD數(shù)值模擬技術(shù)，模擬了真空吸魚泵內(nèi)部的氣液兩相流場(chǎng)，研究了吸魚泵內(nèi)流場(chǎng)流動(dòng)特性，重點(diǎn)分析了3種不同流速對(duì)吸魚泵內(nèi)部回流、旋渦和速度跳躍等流動(dòng)特性的演化及發(fā)展規(guī)律。數(shù)值模擬結(jié)果表明，泵體內(nèi)后壁的回流和渦流明顯，產(chǎn)生的壓力較大，對(duì)魚體有一定的損傷，這與陳士華[30]的研究結(jié)果基本吻合。當(dāng)進(jìn)魚管道抽吸速度為1.0 m/s時(shí)，吸魚泵內(nèi)部流場(chǎng)未有明顯的回流、旋渦和速度跳躍等流動(dòng)特性，在該條件下吸魚泵的流場(chǎng)合理，對(duì)魚體損傷率相對(duì)較低，吸魚泵內(nèi)部壓力比較均勻且無較大壓力差值出現(xiàn)，該結(jié)果與試驗(yàn)得到的最佳抽吸速度一致。

此外，數(shù)值模擬結(jié)果還顯示，吸魚泵右端壁面處壓力最大，可能會(huì)對(duì)魚體有損傷，今后需對(duì)該處進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如打磨得更光滑或加入緩沖材料等，以緩沖魚體對(duì)壁面的直接沖擊。

3.2 抽吸速度、魚種對(duì)吸魚泵魚體損傷率的影響

本研究中，在數(shù)值模擬過程中未加入活魚模型，與實(shí)際工作情況會(huì)有一定差別。為驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的合理性及數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用草魚、鯉、鯽、鰱和鳙5種魚開展吸魚泵樣機(jī)在3種抽吸速度條件下的吸魚試驗(yàn)。結(jié)果表明：進(jìn)魚管道抽吸速度為1.0、1.5、2.0 m/s時(shí)，3種抽吸速度對(duì)應(yīng)的吸魚泵抽吸魚量分別約為23、28、36 t/h，與設(shè)計(jì)值(38.5、57.5、77.0 t/h)具有一定的差距，這主要是由于真空泵性能、吸魚泵整機(jī)密封性能及魚水比較小等原因造成的。隨著抽吸速度的增大，單次抽吸的魚量逐漸增大，但這種增大不會(huì)隨著抽吸速度的增大呈現(xiàn)幾何倍數(shù)的增長(zhǎng)。此外，魚體的損傷率也隨著抽吸速度的增大而增大，尺寸相對(duì)小的魚類損傷率相對(duì)較低，如小規(guī)格的鯽直到抽吸速度達(dá)到2.0 m/s時(shí)才出現(xiàn)損傷，且損傷率僅為0.5%，鯉直到抽吸速度達(dá)到1.5 m/s時(shí)才出現(xiàn)損傷，且損傷率僅為0.3%，而草魚體型較長(zhǎng)，且比鯉、鯽、鰱和鳙更較容易掉鱗，在高抽吸速度(2.0 m/s)條件下，損傷率為5%。這說明魚體的損傷程度很大一部分原因取決于自身的鱗片堅(jiān)硬程度及魚體尺寸，魚體尺寸越大，在高速輸運(yùn)過程中越容易損傷。抽吸速度為1.0 m/s時(shí)的魚體損傷率符合實(shí)際需求，因此，成為最佳抽吸速度。

吸魚泵的工作效率主要受進(jìn)魚管道的來流速度和集魚系統(tǒng)的魚水比影響最大。來流速度越大，吸魚泵單位時(shí)間內(nèi)的抽吸量越大，工作效率就越高。而真空吸魚泵的工作效率除與來流速度有關(guān)外，還與魚水比密切相關(guān)[36]。有研究顯示，當(dāng)魚水比為 1∶1時(shí)[37]，可達(dá)到最佳吸魚效果。本研究中的吸魚泵魚水比在較小范圍內(nèi)(1∶1.5～1.68)，吸魚泵開始抽吸作業(yè)時(shí)，魚水比較大，但隨著抽吸的進(jìn)行，集魚系統(tǒng)內(nèi)的魚水比會(huì)逐漸降低，影響了吸魚泵的工作效率。為了提高吸魚泵的工作效率，今后需研發(fā)高效的集魚裝置，可以將魚水比維持在一定水平，還可以進(jìn)一步開展基于CFD數(shù)值模擬的雙罐吸魚泵性能研究。

4 結(jié)論

1)當(dāng)進(jìn)魚管道抽吸速度為1.0 m/s時(shí)，吸魚泵內(nèi)部流場(chǎng)未有明顯的回流、旋渦和速度跳躍等流動(dòng)特性，吸魚泵內(nèi)部壓力較均勻且無較大壓力差值出現(xiàn)，從理論角度而言，該現(xiàn)象對(duì)魚體的損傷率相對(duì)較低，同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，說明該條件為最佳抽吸速度。

2)研制的小型真空吸魚泵，采用20 s吸魚、10 s放魚交替循環(huán)作業(yè)，進(jìn)魚管道抽吸速度設(shè)為1.0 m/s，此時(shí)設(shè)備的吸魚量可達(dá)23 t/h，魚體損傷率最大為2%，說明該吸魚泵能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)活魚的高效自動(dòng)吸捕與轉(zhuǎn)運(yùn)。無論是從理論角度還是從試驗(yàn)角度,均說明本設(shè)計(jì)有效可行。本研究結(jié)果為設(shè)計(jì)開發(fā)池塘養(yǎng)殖用高效真空吸魚泵提供了技術(shù)參考，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。