林禮群，張耀明，劉 平，楚樹(shù)坡，徐志強(qiáng)

(1 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部遠(yuǎn)洋漁船與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；2 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家試驗(yàn)室，山東 青島 266237)

隨著海水養(yǎng)殖不斷向深遠(yuǎn)海推進(jìn)，大型養(yǎng)殖平臺(tái)得到迅速發(fā)展[1-2]，單個(gè)平臺(tái)容積大產(chǎn)量高，使得取魚(yú)工作變得困難[3]，海上平臺(tái)捕魚(yú)作業(yè)機(jī)械化問(wèn)題也日益凸顯[4]。真空吸魚(yú)泵由于流道無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，損傷小、能耗低，是目前深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖平臺(tái)較為理想的活魚(yú)輸送設(shè)備[5]。

目前對(duì)真空吸魚(yú)泵的研究主要以試驗(yàn)手段為主，研究集中在結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)、魚(yú)水比、吸魚(yú)操作方式等對(duì)吸魚(yú)性能及效率的影響[6-10]。針對(duì)真空吸魚(yú)泵吸魚(yú)過(guò)程流動(dòng)特性的試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算很少有文獻(xiàn)報(bào)道，臺(tái)灣屏東科技大學(xué)陳士華[11]采用計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)數(shù)值方法，分析了集魚(yú)筒內(nèi)下方流場(chǎng)產(chǎn)生的旋渦，旋渦易造成魚(yú)體損傷，并通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)同心圓吸魚(yú)口對(duì)羅非魚(yú)的吸取效果較好；臺(tái)灣大學(xué)古寬閔[12]基于多相流理論，利用氣力提升泵實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)海網(wǎng)箱養(yǎng)殖中漁獲的成功起捕。丁子陽(yáng)等[13]設(shè)計(jì)了一種單罐真空吸魚(yú)泵并用Fluent計(jì)算得到了魚(yú)水混合物內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)圖和速度矢量圖，表明設(shè)計(jì)真空吸魚(yú)泵可以有效地減少魚(yú)類(lèi)碰撞傷害。這些研究并未關(guān)注到真空吸魚(yú)泵內(nèi)水氣界面演繹過(guò)程以及抽氣壓力變化對(duì)吸入速度的影響問(wèn)題，使得優(yōu)化設(shè)計(jì)難以進(jìn)行。

本研究以某深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖平臺(tái)真空吸魚(yú)泵為研究對(duì)象，基于體積函數(shù)法(volume of fluid，VOF)兩相流模型，對(duì)真空吸魚(yú)泵集魚(yú)裝置內(nèi)部氣液兩相流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，探究真空吸魚(yú)泵吸魚(yú)過(guò)程氣液流動(dòng)機(jī)理以及抽氣壓力變化對(duì)吸魚(yú)速度影響，以期為真空吸魚(yú)泵的抽氣壓力、閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間控制等操作參數(shù)提供理論依據(jù)。

1 計(jì)算模型及邊界條件

1.1 物理模型

以某深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖工船的真空吸魚(yú)泵為研究對(duì)象，該真空吸魚(yú)泵采用間歇式吸排魚(yú)方式，使用水環(huán)真空泵進(jìn)行抽氣，設(shè)計(jì)魚(yú)水流量為80 t/h。對(duì)吸魚(yú)流道的吸魚(yú)過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，吸魚(yú)流道包括吸魚(yú)管道與集魚(yú)筒內(nèi)部，采用二維計(jì)算模型。吸魚(yú)管與集魚(yú)筒流道如圖1所示。

圖1 吸魚(yú)管與集魚(yú)筒流道示意圖

管道內(nèi)部AB段直徑為0.16 m，吸程高4 m；集魚(yú)筒內(nèi)部長(zhǎng)2 m、寬1 m，集魚(yú)筒出口端C口直徑為0.04 m；A為吸魚(yú)管入水口，在水面以下0.3 m，B為集魚(yú)筒進(jìn)水口，C為集魚(yú)筒抽氣口；采用Ansysworkbench的mesh模塊對(duì)吸魚(yú)流道二維計(jì)算域進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模及網(wǎng)格劃分，為提高計(jì)算精度集收斂性，采用四面網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)為26 178，網(wǎng)格平均正交質(zhì)量為0.995，最小正交質(zhì)量為0.869，無(wú)負(fù)值面積單元。

1.2 控制方程

真空泵吸魚(yú)過(guò)程具有自由界面氣液兩相流動(dòng)特性，采用瞬態(tài)VOF模型能夠精確捕捉復(fù)雜自由界面氣液兩相流變化[14]。VOF方法通過(guò)引入體積函數(shù)ε確定氣液界面，在所計(jì)算單元網(wǎng)格內(nèi)：ε=0表示網(wǎng)格內(nèi)全部是空氣；ε=1表示網(wǎng)格內(nèi)充滿(mǎn)液體；0<ε<1表示網(wǎng)格內(nèi)是氣液混合體。其中，計(jì)算單元網(wǎng)格內(nèi)混合流體的密度和黏度分別為[15]：

ρm=εgρg+(1-εg)ρl

(1)

μm=εgμg+(1-εg)μl

(2)

體積函數(shù)ε的輸運(yùn)方程為：

(3)

混合流體流動(dòng)的基本方程為連續(xù)方程和Navier-Stokes方程：

(4)

(5)

式中：ρm為混合流體密度，kg/m3；ρg為氣體密度，kg/m3；ρl為液體密度，kg/m3；εg為氣體體積函數(shù)；μm為混合流體黏度系數(shù)；μg為氣體黏度系數(shù)；μl為液體黏度系數(shù)；εp為第p相的體積函數(shù)，p=1、2，分別表示液相和氣相；t為時(shí)間，s；v為流體速度，m/s；P為流體單元網(wǎng)格所受壓力，Pa；μ為流體動(dòng)力黏度，Pa/s；f為質(zhì)量力，此處為重力加速度，m/s2。

由于該流動(dòng)過(guò)程屬于瞬態(tài)紊流過(guò)程，粘性模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，壓力-速度耦合方式選用PISO算法，可以有效提高計(jì)算速度和收斂性。

1.3 邊界條件與初始條件

計(jì)算域邊界條件的進(jìn)口為A口，其進(jìn)口速度未知，該位置接近水面，設(shè)置壓力進(jìn)口條件，進(jìn)口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值；出口C設(shè)置為壓力出口邊界，由于集魚(yú)筒的出氣口是影響吸魚(yú)性能的關(guān)鍵因素，文中分別設(shè)置了不同出口壓力進(jìn)行計(jì)算；空氣為理想可壓縮流體，設(shè)置為主相，水為不可壓縮流體，設(shè)置為次相；吸魚(yú)過(guò)程為瞬態(tài)計(jì)算，初始時(shí)刻，氣液交界面在水面處，氣液交界面至A口處為水相段，水的體積分?jǐn)?shù)為1；氣液交界面以上的管路流道及吸魚(yú)筒流道均為空氣相，水的體積分?jǐn)?shù)為0。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 吸魚(yú)過(guò)程相位分析

吸魚(yú)管與集魚(yú)筒內(nèi)不同時(shí)刻的氣液兩相瞬時(shí)狀態(tài)如圖2所示，紅色代表水相，藍(lán)色代表氣相。抽氣壓力為-30 kPa條件下，t=0 s 時(shí)，即初始時(shí)刻，氣液交界面至入口處為水相，氣液交界面以上的管路流道及吸魚(yú)筒流道均為氣相；t=0.8 s時(shí)，水剛好到達(dá)集魚(yú)筒入口，隨后，水在重力作用下，傾斜向下流入并沖擊到集魚(yú)筒底部，由于水與壁面摩擦作用產(chǎn)生附壁效應(yīng)，部分水流沿著壁面向上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到壁面一定高度后，再向下運(yùn)動(dòng)，不斷卷入周?chē)鷼怏w，使得水氣相互摻混；t=3.7 s時(shí)，集魚(yú)筒內(nèi)的水剛好到達(dá)集魚(yú)筒抽氣口，集魚(yú)筒內(nèi)充滿(mǎn)了水與大量氣團(tuán)組成的泡沫狀氣液兩相混合體，有摻氣現(xiàn)象產(chǎn)生[16-17]，集魚(yú)筒內(nèi)脈動(dòng)增大；之后如圖2(e)～圖2(f)所示，氣泡不斷運(yùn)動(dòng)，并聚集成更大氣團(tuán)，氣團(tuán)逐漸向抽氣口方向運(yùn)動(dòng)，直至流出抽氣口。為進(jìn)一步分析集魚(yú)筒內(nèi)氣液流動(dòng)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，繼續(xù)保持集魚(yú)筒排魚(yú)閥關(guān)閉狀態(tài)，增加了吸魚(yú)過(guò)程非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算時(shí)長(zhǎng)，如圖2(g)～圖2(i)所示，集魚(yú)筒內(nèi)仍有大量小氣泡存在，并隨水不斷流向抽氣口，t=10 s，集魚(yú)筒只含有少量小氣泡，流動(dòng)基本穩(wěn)定。

圖2 抽氣壓力-30 kPa下吸魚(yú)過(guò)程不同時(shí)刻氣液相位圖

在該抽氣壓力條件下，由于集魚(yú)筒內(nèi)起始階段流動(dòng)波動(dòng)大，魚(yú)在集魚(yú)筒內(nèi)易受到壁面沖擊與相互碰撞，造成一定程度外部損傷，可通過(guò)減緩吸魚(yú)管及集魚(yú)筒安裝坡度、去除流道銳角、降低集魚(yú)筒內(nèi)魚(yú)緩沖高度來(lái)等方式減少碰撞概率。集魚(yú)筒注滿(mǎn)時(shí)間很短，魚(yú)在負(fù)壓環(huán)境下時(shí)間僅幾秒，壓力下降遠(yuǎn)低于50 kPa/s，對(duì)魚(yú)的損傷影響較小[18-20]。因此，在真空吸魚(yú)泵設(shè)計(jì)中若過(guò)多增加集魚(yú)筒容量尺寸，雖然改善了吸魚(yú)泵流動(dòng)性能及人工操作適應(yīng)性，但是增加了魚(yú)在負(fù)壓環(huán)境的時(shí)間，當(dāng)負(fù)壓環(huán)境壓力梯度超過(guò)了魚(yú)的承受能力，會(huì)造成了魚(yú)鰾不同程度的破損，使魚(yú)身失去平衡，甚至因此死亡[21]。

2.2 吸魚(yú)過(guò)程進(jìn)口速度分析

吸魚(yú)管道進(jìn)口速度和集魚(yú)筒進(jìn)口速度是判定能否順利吸魚(yú)的重要因素，如果管道進(jìn)口水的啟動(dòng)速度較低，由于魚(yú)的應(yīng)激反應(yīng)，魚(yú)將快速離開(kāi)吸魚(yú)管口，即便部分魚(yú)被水一起吸入到管道，如果集魚(yú)筒進(jìn)口管道水流速小于魚(yú)的游泳速度，魚(yú)也可能逆流逃出管道，因此模擬計(jì)算并分析了不同抽氣壓力對(duì)吸魚(yú)管道進(jìn)口與集魚(yú)筒進(jìn)口水流速度的影響。不同抽氣壓力下水流速度隨時(shí)間變化如圖3所示。

圖3 不同抽氣壓力下水流速度隨時(shí)間變化

圖3a顯示了不同抽氣壓力下A口進(jìn)水速度隨時(shí)間變化，A口的啟動(dòng)速度隨著抽氣壓力的減小不斷增大，且在t=0.5 s左右，進(jìn)口A處的速度均大于2 m/s，之后速度波動(dòng)減小。在t=7 s后，-40 kPa～-20 kPa條件下，A口速度逐漸平穩(wěn)，且速度均大于1.5 m/s，根據(jù)上節(jié)中氣液相位分析可知，此時(shí)集魚(yú)筒內(nèi)大氣泡完全排出抽氣口，部分水也從抽氣口流出，在此段抽氣壓力范圍內(nèi)，集魚(yú)筒注滿(mǎn)水時(shí)間受抽氣壓力影響很小，若再降低抽氣壓力只會(huì)加重真空泵負(fù)荷。在所計(jì)算抽氣壓力為-10 kPa與-15 kPa條件下，吸水管出現(xiàn)了倒流現(xiàn)象，負(fù)值速度表示水倒流，結(jié)合圖4中抽氣壓力在-15 kPa條件下的氣液相位圖分析，t=1.5 s時(shí)，水剛好到達(dá)管路最高吸程處，在t=2 s時(shí)，管路部分水沒(méi)過(guò)最高點(diǎn)流入到集魚(yú)筒內(nèi)，其余水流沿管倒流向下，之后，水沿管道來(lái)回晃蕩，由于流體與壁面摩擦作用造成能量耗散，管內(nèi)水不再到達(dá)最高點(diǎn)，集魚(yú)筒也不再進(jìn)水。若進(jìn)一步減小抽氣壓力，使得大氣壓與抽氣負(fù)壓之間壓差增大，吸魚(yú)管入口水具有較大動(dòng)能而再次被抽到集魚(yú)筒。抽氣壓力-15 kPa條件下不同時(shí)刻氣液相位如圖4所示。

圖4 抽氣壓力-15 kPa條件下不同時(shí)刻氣液相位圖

圖3b顯示了不同抽氣壓力下B口進(jìn)水速度隨時(shí)間變化，其中，-40 kPa～-20 kPa條件下的B口速度變化趨勢(shì)與A口速度基本相似，水流從A口吸入1 s左右后，從B口流入集魚(yú)筒，之后速度波動(dòng)減小。其中，在抽氣壓力-15 kPa條件下，B口在1.5～2.5 s時(shí)段有水流流過(guò)，圖4中t=2 s及之后時(shí)刻對(duì)應(yīng)的氣液相位圖可以很好說(shuō)明。在抽氣壓力-20 kPa、t=2.3 s處，B口的速度降至1.1 m/s，對(duì)于游泳速度高于此速度的魚(yú)，容易造成魚(yú)逆流到管道入口外，考慮到實(shí)際工程應(yīng)用中管路安裝長(zhǎng)度更長(zhǎng)、彎頭較多，造成的沿程損失與局部損失更大，因此真空吸魚(yú)泵的抽氣壓力應(yīng)不高于-20 kPa，才能保證將魚(yú)水混合物抽到集魚(yú)筒內(nèi)。當(dāng)抽氣壓力低于-40 kPa，會(huì)增加抽氣真空泵的能耗，同時(shí)使集魚(yú)筒內(nèi)壓力梯度接近50 kPa/s，致使魚(yú)的損傷增加[18-19]，因此，抽氣壓力保持在-40 kPa～-20 kPa范圍可確保魚(yú)水混合物順利且損傷較小地抽到集魚(yú)筒內(nèi)。

3 結(jié)論

在一定抽氣壓力下，管道內(nèi)水抽吸至集魚(yú)筒后，不斷卷入周?chē)諝?，產(chǎn)生了水與大量氣團(tuán)組成的泡沫狀氣液兩相混合體，流動(dòng)波動(dòng)大，至t=7 s左右，流動(dòng)趨于穩(wěn)定，且集魚(yú)筒注滿(mǎn)水，魚(yú)在負(fù)壓環(huán)境接觸時(shí)間短。抽氣壓力在-40 kPa～-20 kPa范圍時(shí)，管道入口速度與集魚(yú)筒入口速度隨著抽氣壓力的減小先增大后波動(dòng)減小，集魚(yú)筒注滿(mǎn)水時(shí)間受抽氣壓力影響??；當(dāng)抽氣壓力高于-20 kPa時(shí)，容易造成倒流而無(wú)法吸魚(yú)，當(dāng)抽氣壓力低于-40 kPa，會(huì)增加抽氣真空泵能耗以及集魚(yú)筒內(nèi)壓力梯度，因此抽氣壓力保持在-40 kPa～-20 kPa范圍可確保魚(yú)水混合物順利抽到集魚(yú)筒內(nèi)。

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