基于CFD數(shù)值模擬的單罐真空吸魚泵研制

田昌鳳，劉興國，車軒*，吳凡，張俊，陳曉龍

(1.中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092； 2.上海海洋大學 工程學院，上海 201306)

魚類捕撈是漁業(yè)生產(chǎn)中勞動強度最大的環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的魚類捕撈主要采取人工方式，存在費時費力、勞動強度大、易損傷魚體，且難以適應對活魚的起捕和轉運需求等問題[1-2]。吸魚泵是一種專門應用于活魚起卸過程的先進設備，不僅可大幅度降低勞動強度和勞動成本，且具有起卸效率高、魚體損傷率低等優(yōu)點[3-5]。一些漁業(yè)發(fā)達國家，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動泵內(nèi)的葉片高速旋轉形成負壓吸魚，對魚體的損傷較大，且死亡率較高[16-17]；射流式吸魚泵利用高速流動水流產(chǎn)生的負壓吸魚，對魚的損傷較小，但能量轉換效率低[18-19]；真空式吸魚泵基于負壓的原理吸魚，具有自動化程度高、起捕量大、魚體損傷率低和成本低等特點,但真空吸魚泵系統(tǒng)龐大，能耗高且電氣控制系統(tǒng)復雜，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]。對于漁獲量相對較小的養(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)外關于真空吸魚泵的研究主要集中在結構設計方面。如田昌鳳等[25]開展了養(yǎng)殖池塘單罐真空式吸魚泵的設計和試驗，從理論上計算了吸魚泵的結構參數(shù)；楚樹坡等[26]進行了雙流道吸魚泵的結構研究；楊楠楠[27]研制了一種吸魚泵防堵裝置；中國科學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]對真空吸魚泵的閥體進行了逐一設計分析。美國“ETI”公司生產(chǎn)的真空吸魚泵在其他國家廣泛應用[30]，但價格昂貴，一般應用于大型網(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系統(tǒng)，能夠自動稱重、分級、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)外對真空吸魚泵內(nèi)部結構的流態(tài)分析和魚類損傷的研究較少。劉平[33]通過流體動力學軟件對離心式吸魚泵的葉輪進行了設計與分析；徐茂森等[34]研究了喉管魚噴嘴截面積比對射流式魚泵輸送性能及魚損的影響；Xu等[14]通過數(shù)值模擬計算了魚類運動對射流魚泵內(nèi)部流動的影響。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，易對魚體造成一定損傷[31]。這些研究者關注了結構參數(shù)對吸魚泵內(nèi)部流體和魚類損傷的影響，但未關注抽吸速度對吸魚泵內(nèi)部流場和魚類損傷的影響。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，通過試驗對比分析了進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，得到吸魚泵進魚管道最大抽吸速度，以期為設計開發(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進行，僅當吸魚工作完成后，開啟排魚工作，排魚結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，吸魚時間為20 s/次，排魚時間為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，以指導吸魚泵的結構設計，并開展樣機抽吸效果試驗。

1.2.1 數(shù)值模擬

1)控制方程。采用歐拉-歐拉計算方法，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。三維非定常流動的基本控制方程如下：

連續(xù)性方程：

(1)

動量方程：

(2)

其中：t為時間(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變率、旋流和液固分離等復雜流動問題，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為湍流動能;ω為湍流頻率;Γk、Γω分別為湍流擴散系數(shù);Gk、Gω分別為湍流生成項;Yk、Yω分別為湍動能耗散項;Sk、Sω分別為自定義源項。

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中有相混合或分離，或分散相體積分數(shù)超過10%的情況。對于吸魚泵內(nèi)部氣液兩相流的流動接觸，其難點在于對自由液面的追蹤處理。VOF模型通過引入各個時刻各相流體在網(wǎng)格單元中所占體積分數(shù)α來構造和追蹤自由面，水氣自由界面的重構通過求解以下形式的連續(xù)性方程實現(xiàn)：

(4)

對于吸魚泵內(nèi)部氣液兩相流場，計算單元中空氣的體積分數(shù)為ag，水的體積分數(shù)為1-ag。ag在計算單元中會出現(xiàn)以下3種可能：①當ag=0時，表示該單元中充滿的是水；②當0

4)網(wǎng)格及邊界條件根據(jù)吸魚泵結構模型建立三維流場模型，取XY平面建立直角坐標系，進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。吸魚泵外表面設為固壁邊界條件，對流動變化劇烈的部位進行局部網(wǎng)格加密。劃分非結構化網(wǎng)格并通過網(wǎng)格無關性驗證，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 ℃時的參數(shù)值進行設置，密度為1 052 kg/m3。

1.2.2 樣機抽吸魚試驗 樣機試驗布置如下：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)。抽吸速度分別設為1.0、1.5、2.0 m/s，每次試驗持續(xù)1 h，根據(jù)吸魚泵單次吸魚、排魚時間，可得每小時循環(huán)次數(shù)共為120次。抽吸工作完成后，分別測量不同抽吸條件下的吸魚量、魚體損傷率等性能參數(shù)。

2 結果與分析

2.1 數(shù)值模擬計算結果

進魚管道抽吸速度分別取v=1.0、1.5、2.0 m/s 3種工況，計算結果分別取t=0.3、0.6、1.0 s時刻下吸魚泵內(nèi)部水的體積分數(shù)、速度分布及流線圖進行分析。不同抽吸速度和不同時刻下的液相體積分數(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；當進魚管道抽吸速度為1.0 m/s時，由于速度相對較低，液相水隨時間的變化相對穩(wěn)定；當抽吸速度為1.5 m/s時，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)相對紊亂；當抽吸速度為2.0 m/s時，由于速度增加，來流在較短的時間內(nèi)撞擊吸魚泵內(nèi)腔，撞擊點遠離速度進口，撞擊產(chǎn)生的回流更加紊亂，而隨著時間的推移，來流在吸魚泵內(nèi)部壁面多次碰撞形成回流，流態(tài)相對紊亂。

紅色表示液相，藍色表示氣相。Red color for liquid phase, and blue color for gas phase.圖2 不同速度、不同時刻下的液相體積分數(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t=0.3 s時，水流剛注入吸魚泵，其內(nèi)部整體速度場未有較大變化，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t=0.6 s時，吸魚泵內(nèi)部壓力場開始有了明顯變化；當t=1.0 s時，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，需要特別關注沖擊點的位置和沖擊力的大小，它會對活魚造成一定的損傷，這為后續(xù)罐體的局部位置的設計提供一定的依據(jù)。

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

對比分析以上計算結果可知，進魚管道抽吸速度分別為1.0、1.5 m/s時，吸魚泵內(nèi)部流場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合理，對魚體損害相對較小，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)。但對比不同速度、不同時刻下的液相體積分數(shù)的情況可知，抽吸速度分別為1.5、2.0 m/s時，來流在吸魚泵內(nèi)部壁面多次碰撞，局部形成回流，流態(tài)相對紊亂，故這兩個速度不適宜作為吸魚泵進口抽吸速度。

圖3 不同速度、不同時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，更適宜作為吸魚泵進口的設計流速。

2.2 吸魚泵的結構設計及優(yōu)化

以淡水池塘養(yǎng)殖的品種為起捕對象，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架、水環(huán)式真空泵、真空閥門、控制系統(tǒng)、進魚管道和出魚管道等結構組成(圖5)，根據(jù)數(shù)值分析的計算結果，單罐真空吸魚泵在靠近吸魚泵右側受力最大，所以在該處進行了加固和打磨，盡可能減少對魚的損傷。水環(huán)式真空泵作為形成負壓的主要設備，利用真空負壓對魚水產(chǎn)生抽吸力，以實現(xiàn)活魚高效自動吸捕。

1—機架；2—罐體；3—吸魚閘門；4.控制箱；5.進魚管道；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 進水結構設計 為了保證魚群不聚集于進魚管道，進魚管道直徑一般取起捕對象最大截面直徑的2倍，綜合其他因素，進魚管直徑設計為 200 mm。進魚管道抽吸速度分別選取1.0、1.5、2.0 m/s作為抽吸測試流速。根據(jù)下式計算進魚管道水流量(Q):

v=Q/S。

(5)

其中：S為進魚管道截面積，取為0.031 4 m2；v為進魚管道抽吸速度，分別取為1.0、1.5、2.0 m/s。根據(jù)公式(5)，當進魚管抽吸速度為1.0、1.5、2.0 m/s時，對應的進魚管道水流量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間為20 s，放魚過程的工作時間為10 s，吸魚泵吸魚過程的進水流量[35]為

Q=M/(ρm×t)。

(6)

其中：Q為吸魚泵進魚管道流量，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，吸魚泵每小時要抽吸120次，故每小時抽吸量約為77.0 t/h，按照魚水比為1∶1，得到每小時抽吸魚的總量為38.5 t/h。以此類推,可以得到抽吸速度為1.5 m/s時,每小時抽吸魚的總量為57.5 t/h；抽吸速度為2.0 m/s時,每小時抽吸魚的總量為77.0 t/h。

2.2.2 真空泵的抽氣速率 根據(jù)活魚起捕要求，設計計算真空泵的參數(shù)，其抽氣速率計算公式[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，滿足設計要求。

2.3 試驗驗證

單罐真空吸魚泵樣機于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(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，不會對魚體造成損傷。養(yǎng)殖池塘真空吸魚泵樣機初步實現(xiàn)了帶水吸魚的功能，吸魚時間20 s，放魚時間10 s，依次循環(huán)進行吸魚、放魚作業(yè)。當抽吸速度為1.0 m/s，工作1 h循環(huán)次數(shù)為120次，測得實際魚水混合物平均抽吸量約為73 t，與理論計算值77 t有一定的偏差，誤差在可接受范圍以內(nèi)。

圖6 吸魚泵測試試驗Fig.6 Test of fish pump

單罐真空吸魚泵試驗主要進行性能測試，包括吸魚量、循環(huán)次數(shù)和魚體損傷測試等。其中，魚體損傷測試主要觀察魚體表面是否有出血和掉鱗的情況，各參數(shù)測試結果如表1所示。用單罐真空吸魚泵分別對草魚、鯉、鯽、鰱和鳙進行單獨抽吸試驗，結果顯示，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 吸魚泵試驗數(shù)據(jù)Tab.1 Test data for fish pumps

3 討論

3.1 抽吸速度對吸魚泵內(nèi)流場的影響

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

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

3.2 抽吸速度、魚種對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，與實際工作情況會有一定差別。為驗證本設計的合理性及數(shù)值模擬結果的準確性，采用草魚、鯉、鯽、鰱和鳙5種魚開展吸魚泵樣機在3種抽吸速度條件下的吸魚試驗。結果表明：進魚管道抽吸速度為1.0、1.5、2.0 m/s時，3種抽吸速度對應的吸魚泵抽吸魚量分別約為23、28、36 t/h，與設計值(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，但這種增大不會隨著抽吸速度的增大呈現(xiàn)幾何倍數(shù)的增長。此外，魚體的損傷率也隨著抽吸速度的增大而增大，尺寸相對小的魚類損傷率相對較低，如小規(guī)格的鯽直到抽吸速度達到2.0 m/s時才出現(xiàn)損傷，且損傷率僅為0.5%，鯉直到抽吸速度達到1.5 m/s時才出現(xiàn)損傷，且損傷率僅為0.3%，而草魚體型較長，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硬程度及魚體尺寸，魚體尺寸越大，在高速輸運過程中越容易損傷。抽吸速度為1.0 m/s時的魚體損傷率符合實際需求，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外，還與魚水比密切相關[36]。有研究顯示，當魚水比為 1∶1時[37]，可達到最佳吸魚效果。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，魚水比較大，但隨著抽吸的進行，集魚系統(tǒng)內(nèi)的魚水比會逐漸降低，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，還可以進一步開展基于CFD數(shù)值模擬的雙罐吸魚泵性能研究。

4 結論

1)當進魚管道抽吸速度為1.0 m/s時，吸魚泵內(nèi)部流場未有明顯的回流、旋渦和速度跳躍等流動特性，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)象對魚體的損傷率相對較低，同時結合試驗結果，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)，進魚管道抽吸速度設為1.0 m/s，此時設備的吸魚量可達23 t/h，魚體損傷率最大為2%，說明該吸魚泵能夠實現(xiàn)對活魚的高效自動吸捕與轉運。無論是從理論角度還是從試驗角度,均說明本設計有效可行。本研究結果為設計開發(fā)池塘養(yǎng)殖用高效真空吸魚泵提供了技術參考，具有一定的應用價值。