喉管與噴嘴截面積比對射流式魚泵輸送性能及魚損的影響

徐茂森，龍新平，牟介剛，鄭水華，周佩劍，任 蕓，吳登昊

（1. 浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，杭州 310023；2. 武漢大學(xué)水射流理論與新技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；3. 浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院，紹興 312030）

0 引 言

水產(chǎn)品是人類重要的食物來源。2013年，全世界超過30億人近20%的日均動物蛋白攝入量由水產(chǎn)品提供[1]。網(wǎng)箱養(yǎng)殖是水產(chǎn)養(yǎng)殖中重要且先進(jìn)的生產(chǎn)方式[2]，但由于近海海洋破壞及養(yǎng)殖區(qū)域環(huán)境污染，網(wǎng)箱養(yǎng)殖的主要作業(yè)區(qū)域漸漸地由內(nèi)灣和近海向深遠(yuǎn)海拓展[3]。大型深水網(wǎng)箱的廣泛使用也促進(jìn)與其配套的漁獲裝備迅速發(fā)展。因此，作為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)配套設(shè)備的吸魚泵有著廣闊的發(fā)展空間。

國外魚泵的研制工作早在20世紀(jì)四、五十年代便已開始，現(xiàn)已取得較大的發(fā)展，一些漁業(yè)發(fā)達(dá)國家如挪威、美國、日本、丹麥及俄羅斯等在網(wǎng)箱養(yǎng)殖中普遍使用吸魚泵[4]。吸魚泵的主要類型有離心式、真空式、空氣揚(yáng)升式與射流式魚泵。離心式魚泵采用離心泵的原理并對離心泵的葉輪進(jìn)行特殊設(shè)計，其產(chǎn)量較大，但旋轉(zhuǎn)的葉輪極易造成較大魚損。與之相比，真空式魚泵和空氣揚(yáng)升式魚泵對魚類的損傷較小，但效率均偏低[5-6]。在諸多魚泵中，射流式魚泵結(jié)構(gòu)簡單且內(nèi)部無運(yùn)動部件，輸送過程對魚類造成損傷小，能夠?qū)崿F(xiàn)魚類不間斷輸送，并且可以輸送魚類的種類多，綜合效益高，具有十分廣闊的應(yīng)用前景[7]。目前，射流式魚泵的研究主要集中于泵體結(jié)構(gòu)設(shè)計[8]、魚類輸送性能[9]、泵內(nèi)魚類運(yùn)動特征[10]及輸送過程中魚類的應(yīng)激響應(yīng)[11]等方面。而學(xué)者們卻較少關(guān)注射流式魚泵結(jié)構(gòu)參數(shù)對輸送性能及魚類損傷的影響。該研究與生產(chǎn)實(shí)踐緊密相關(guān)，也是射流式魚泵優(yōu)化設(shè)計的重要依據(jù)，其對高效無損魚類輸送的發(fā)展有著重要意義。

射流式魚泵的本質(zhì)是一類環(huán)形射流泵[12]，其寬闊的流道非常適合物料輸送[13-14]，在其諸多結(jié)構(gòu)參數(shù)中，喉管與噴嘴截面積比是其最重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，該參數(shù)決定著泵的性能[15]。王振恒等[16]數(shù)值計算了不同喉管與噴嘴截面積比的環(huán)形射流泵內(nèi)部流場，得到了喉管與噴嘴截面積比為 3時環(huán)形射流泵效率最高的結(jié)論。曾慶龍等[17]則系統(tǒng)地對喉管與噴嘴截面積比為1.75的環(huán)形射流泵開展了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究，運(yùn)用試驗(yàn)設(shè)計（design of experiments，DOE）和計算流體動力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）技術(shù)尋求環(huán)形射流泵效率最高時的最佳結(jié)構(gòu)尺寸組合。為此，本文采用試驗(yàn)的方法分別研究喉管與噴嘴截面積比為1.75和3射流式魚泵的輸送能力及能耗，統(tǒng)計過泵魚類的表觀損傷，檢查其主要臟器的損傷情況并檢測相關(guān)血清指標(biāo)。本文研究了射流式魚泵喉管與噴嘴截面積比對輸送性能及魚類損傷的影響規(guī)律，為今后射流式魚泵的深入研究與優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本文將鯽魚作為試驗(yàn)對象，其購自湖北省團(tuán)風(fēng)縣百容水產(chǎn)良種場，并使用活魚充氧袋運(yùn)送至試驗(yàn)臺。各尾鯽魚尺寸均勻，平均質(zhì)量33.8 g，平均體長108.7 mm，平均體寬32.8 mm。

1.2 試驗(yàn)裝置

基于之前的研究成果[18-22]，本文設(shè)計了如圖 1所示的射流式魚泵。其主要由被吸管、工作管、環(huán)形噴嘴、收縮室、喉管及擴(kuò)散管等 6個部分組成。其中喉管直徑Dt是關(guān)鍵尺寸，決定了可通過鯽魚的大小，可視為該泵的特征尺寸。本文采用Dt=60 mm的喉管，工作管、被吸管和出口管直徑分別為 Dp=100 mm、Ds=80 mm和Dd=125 mm。同時，本文設(shè)計了一種控比環(huán)結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)控比環(huán)內(nèi)徑Dr與泵體結(jié)構(gòu)的配合，可形成不同喉管與噴嘴截面積比（m=1.75和 3），該環(huán)具有控制喉管與噴嘴截面積比準(zhǔn)確、更換方便等優(yōu)點(diǎn)。射流式魚泵的工作原理可以簡述為：高壓工作流體通過工作管后經(jīng)環(huán)形噴嘴射出，在收縮室內(nèi)形成高速射流，并對低壓被吸流體（魚水混合物）產(chǎn)生強(qiáng)烈的卷吸作用；魚水混合物經(jīng)被吸管與工作流體在收縮室和喉管內(nèi)劇烈摻混；之后，魚水混合物經(jīng)擴(kuò)散管增壓后排出。

圖1 射流式魚泵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of jet fish pump structure

射流式魚泵的主要性能參數(shù)定義如下：喉管與噴嘴截面積比：

流量比：

壓力比：

泵效率：

水功率：

輸送能力：

單位質(zhì)量能耗：

式中At為喉管截面積，mm2；Aj為環(huán)形噴嘴截面積，mm2；Qs為被吸流體流量，m3/h；Qp為工作流體流量，m3/h；Pc為混合流體出口壓力，kPa；η為泵效率，%；Pp為工作流體壓力，kPa；Ps為被吸流體壓力，kPa；Pw為水功率，kW；ηf為輸送能力，kg/h；mf為輸送魚總質(zhì)量，kg；t為輸送時間，h；Ef為單位質(zhì)量能耗，kW?h/t。

試驗(yàn)魚在試驗(yàn)之前均需暫養(yǎng)半個月，其所處環(huán)境需清潔以降低病害發(fā)生可能性。本文為射流式魚泵輸魚試驗(yàn)設(shè)計了如圖2所示的試驗(yàn)臺，其兼顧暫養(yǎng)及試驗(yàn)2個功能，具有內(nèi)循環(huán)過濾水系統(tǒng)以保障水環(huán)境的清潔。為降低魚類損傷，射流式魚泵出口管段不安裝閥門，出口壓力由出口管末端高度控制（可在1.84～2.24 m范圍內(nèi)調(diào)節(jié)）。射流式魚泵的高壓工作流體由離心泵（揚(yáng)程32 m，流量200 m3/h）提供，流量可由離心泵出口閥門控制。

圖2 射流式魚泵試驗(yàn)臺Fig.2 Experiment rig of jet fish pump

試驗(yàn)采用科隆（Krone）分體式電磁流量計測量流量。2個電磁流量計分別布置于工作管和出口管，測量精度介于0.20%～0.30%。射流式魚泵工作管入口、被吸管入口和出口管上分別安裝一支壓力傳感器，喉管和擴(kuò)散管上分別均布4支和6支壓力傳感器，所用傳感器測量誤差均不超過0.5%，數(shù)據(jù)采集頻率1 000 Hz。

1.3 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)采用喉管與噴嘴截面積比分別為1.75和3的2個射流式魚泵進(jìn)行鯽魚輸送試驗(yàn)，為保證試驗(yàn)魚在進(jìn)入射流式魚泵收縮室前處于相同的流速環(huán)境，輸送過程中所產(chǎn)生的差異均由喉管與噴嘴截面積比的不同而造成，經(jīng)預(yù)試驗(yàn)后，本文試驗(yàn)工況如表1所示。

表1 試驗(yàn)工況Table 1 Experiment condition

在上述4個工況中，本文采用10 kg鯽魚分別進(jìn)行每個工況的輸送試驗(yàn)，每個工況重復(fù) 4次（試驗(yàn)魚不重復(fù)使用，總計160 kg），并分別記錄輸送時間。工況1和3輸送結(jié)束后，將試驗(yàn)魚從回收箱中取出，并隨機(jī)取其中80尾鯽魚，均分為4組放入4個網(wǎng)箱，并以0，1，6和24 h命名上述4組試驗(yàn)魚。待達(dá)到相應(yīng)時間（例如：0 h為回收箱取出后立刻，1 h為回收箱取出后1 h），將試驗(yàn)魚從相應(yīng)網(wǎng)箱中取出并放入含有MS-222（魚用麻醉藥）的水中。待試驗(yàn)魚麻醉后，將其從水中取出，在其尾靜脈處取血，經(jīng)離心后得到血清樣本。采用西門子 ADVIDA 2400全自動生化分析儀檢測血清中谷丙轉(zhuǎn)氨酶 ALT（alanine aminotransferase）活性和肌酐Cr（creatinine）濃度。ALT常用于衡量肝臟損傷，其主要在肝臟中合成，廣泛地分布在各組織器官，而在肝中含量最高；當(dāng)肝臟受損時其血清中的含量會明顯升高，故其常作為反映肝臟損傷的最主要指標(biāo)之一[23-26]。Cr是反映腎臟功能的重要指標(biāo)，其經(jīng)由腎臟過濾后排出，當(dāng)腎臟受損時，其過濾能力下降，血清中的Cr含量上升，故其能夠較為準(zhǔn)確地反映腎臟損傷情況[27-28]。除了檢測上述血液指標(biāo)，本文也統(tǒng)計了試驗(yàn)中鯽魚出現(xiàn)的表觀損傷，主要包括碰撞傷、鱗片脫落和鰓蓋損傷等。魚體碰撞傷（身體挫傷）可能引起魚體感染（如小瓜蟲?。撬a(chǎn)養(yǎng)殖的重大隱患[29]。魚鰓血管發(fā)達(dá)、氣體交換效率高但血管壁較薄，硬骨魚鰓蓋是保護(hù)鰓瓣的重要屏障，而鰓蓋損傷則導(dǎo)致魚鰓極易受到損傷及感染，繼而影響魚類代謝及健康[30]。魚鱗有著非常重要的機(jī)能，其可以為魚體阻隔水環(huán)境中的微生物并有效抵抗疾病，魚鱗脫落則導(dǎo)致魚體感染的風(fēng)險顯著提高，而少量鱗片脫落并不會對魚類造成太大影響。本文采用40尾未被射流式魚泵輸送的試驗(yàn)魚作為對照組CK（control check），進(jìn)行上述相同的操作。

2 結(jié)果與分析

2.1 喉管與噴嘴截面積比對泵輸送性能的影響

魚類輸送能力和單位質(zhì)量能耗是衡量射流式魚泵輸送性能的重要指標(biāo)。經(jīng)試驗(yàn)測定，喉管與噴嘴截面積比為1.75和3的射流式魚泵輸送魚類過程中的魚水比（質(zhì)量比）分別為1:27和1:42。圖3所示為不同喉管與噴嘴截面積比的射流式魚泵在相同被吸流體流量下的輸送能力。從圖中可以看出，喉管與噴嘴截面積比較小的射流式魚泵的輸送能力均較強(qiáng)，隨著被吸流體流量的增加，不同喉管與噴嘴截面積比射流式魚泵的輸送能力均增加，但增加幅度卻不同。在Qs=51 m3/h工況下，m=1.75的射流式魚泵輸送能力達(dá)到1 913 kg/h，比Qs=40 m3/h工況下的輸送能力增加26.9%；而對于m=3的射流式魚泵，其輸送能力僅從943 kg/h（Qs=40 m3/h）增長至1 165 kg/h（Qs=51 m3/h），增幅僅為23.5%。值得注意的是，在相同的被吸流體流量工況下，m=1.75與m=3射流式魚泵輸送能力之差，從564 kg/h（Qs=40 m3/h）擴(kuò)大至748 kg/h（Qs=51 m3/h）。在相同被吸流體流量下，喉管與噴嘴截面積比較小的射流式魚泵高壓工作流體流量較大，且對被吸流體的卷吸能力較強(qiáng)，兩者摻混后的混合流體流量較大。因此，在相同被吸流體流量下，喉管與噴嘴截面積比較小的射流式魚泵魚類輸送的能力較強(qiáng)。

圖3 不同喉管與噴嘴截面積比射流式魚泵輸送能力Fig.3 Transportation capacity for jet fish pumps with different sectional area ratios of throat to nozzle

根據(jù)公式（5）可計算出4個試驗(yàn)工況的水功率。經(jīng)計算，m=1.75射流式魚泵在Qs=40 m3/h和Qs=51 m3/h工況的水功率分別為2.01和2.89 kW，均分別小于m=3射流式魚泵相應(yīng)工況下的水功率（2.25和 3.29 kW）。而m=1.75射流式魚泵在相應(yīng)工況下的輸送能力較強(qiáng)，則可以得到結(jié)論：在相同被吸流體流量下，喉管與噴嘴截面積比較小的射流式魚泵單位質(zhì)量能耗較小，如圖4所示。

圖4 不同喉管與噴嘴截面積比射流式魚泵單位質(zhì)量能耗Fig.4 Energy consumption per unit mass for jet fish pumps with different sectional area ratios of throat to nozzle

隨著被吸流體流量的增加，單位質(zhì)量能耗均增加，但增加幅度卻不同。在Qs=51 m3/h工況中，m=1.75的射流式魚泵單位質(zhì)量能耗為1.51 kW?h/t，比Qs=40 m3/h工況下的單位質(zhì)量能耗增加13.5%；而對于m=3的射流式魚泵，其單位質(zhì)量能耗從2.39 kW?h/t（Qs=40 m3/h）增長至2.82 kW?h/t（Qs=51 m3/h），增幅為18%。在相同的被吸流體流量工況下，m=1.75與m=3射流式魚泵輸送能力之差，從 1.06 kW?h/t（Qs=40 m3/h）擴(kuò)大至 1.31 kW?h/t（Qs=51 m3/h）。因此，在相同被吸流體流量下，喉管與噴嘴截面積比較小的射流式魚泵單位質(zhì)量能耗較低。

2.2 喉管與噴嘴截面積比對魚類表觀損傷的影響

除了射流式魚泵的輸送性能，魚類損傷也是生產(chǎn)實(shí)踐中關(guān)注的重點(diǎn)。本文將鱗片脫落面積占總體表面積小于 10%的損傷定義為輕度損傷，將鱗片脫落面積占總體表面積大于 10%的損傷、碰撞傷和鰓蓋損傷定義為重度損傷，本文試驗(yàn)中鯽魚損傷情況如表2所示。

表2 鯽魚表觀損傷率統(tǒng)計Table 2 External injury rate statistics for Carassius auratus

從表2中可以發(fā)現(xiàn)，對于2種面積比的射流式魚泵，輕度損傷均是射流式魚泵輸魚過程中魚類損傷的主要類型，約占總過泵魚類的10%，其占比明顯高于重度損傷；相同喉管與噴嘴截面積比射流式魚泵中，被吸流體流量較大的工況，魚類損傷率均較高；在相同被吸流體流量下，喉管與噴嘴截面積比較小的射流式魚泵中魚類輕度損傷率較高，而由喉管與噴嘴截面積比差異造成的魚類重度損傷率差異較小。上述損傷結(jié)果的差異可能是由射流式魚泵內(nèi)兩股流體摻混過程中的復(fù)雜剪切流動造成的。在相同被吸流體流量下，喉管與噴嘴截面積比較小的射流式魚泵工作流體流量較大，其與被吸流體摻混過程較長，而在兩股流體摻混的過程中存在較為強(qiáng)烈的剪切流動，該剪切流動極易造成魚類鱗片脫落，故喉管與噴嘴截面積比較小的射流式魚泵輸送過程中，魚類輕度損傷率較高。

2.3 喉管與噴嘴截面積比對魚類主要臟器的影響

本文試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在過泵后少數(shù)試驗(yàn)魚肝臟表面出現(xiàn)了彌漫性出血現(xiàn)象，即表明射流式魚泵的輸送過程也可能影響到魚類主要臟器。表 3所示為鯽魚通過射流式魚泵后血清ALT活性和Cr濃度的變化。

表3 血清指標(biāo)Table 3 Serum index

由表 3可知，鯽魚在通過射流式魚泵后，其血清中ALT活性持續(xù)增加，即提示其肝臟可能受到射流式魚泵輸送過程的影響。其中，鯽魚在被m=3的射流式魚泵輸送后，其ALT活性在24 h時與對照組CK相比出現(xiàn)了顯著性差異，則提示鯽魚肝臟可能受到了損傷，亦表明喉管與噴嘴截面積比較大的射流式魚泵的輸送過程對鯽魚肝臟造成的損傷較嚴(yán)重。該損傷可能是由射流式魚泵內(nèi)的低壓區(qū)域造成的，魚類在通過該區(qū)域時，其肝臟毛細(xì)血管血液中可能有氣體析出甚至部分液體氣化，產(chǎn)生大量氣泡并堵塞血管，甚至造成血管破裂，造成肝臟損傷，表現(xiàn)為肝臟表面出現(xiàn)了彌漫性出血。

而與ALT活性的變化規(guī)律不同，鯽魚通過不同喉管與噴嘴截面積比的射流式魚泵后，其血清Cr濃度均表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。值得注意的是，鯽魚血清中 Cr含量在6 h （m=1.75）和1 h（m=3）時刻均與各自對照組相比出現(xiàn)了顯著性差異，但在24 h時均表現(xiàn)出與各自對照組無顯著性差異，則表明鯽魚腎臟在經(jīng)過射流式魚泵輸送后可能受到了損傷但是這種損傷是可以恢復(fù)的。

3 結(jié) 論

本試驗(yàn)研究了喉管與噴嘴截面積比為1.75和3的射流式魚泵輸送鯽魚性能，以及輸送過程對鯽魚表觀損傷及主要臟器損傷的影響情況，主要結(jié)論如下：

1）在相同被吸流體流量下，喉管與噴嘴截面積比較小的射流式魚泵輸送鯽魚能力較強(qiáng)，達(dá)到1 913 kg/h；單位質(zhì)量能耗較低，僅為1.51 kW?h/t。

2）在射流式魚泵輸魚過程中，輕度損傷是鯽魚損傷的主要類型。在相同被吸流體流量下，喉管與噴嘴截面積比較小的射流式魚泵中魚類輕度損傷率較高，而喉管與噴嘴截面積比對重度損傷率影響較小。

3）在相同被吸流體流量下，喉管與噴嘴截面積比較大的射流式魚泵的輸送過程對鯽魚肝臟造成的損傷較嚴(yán)重；而不同喉管與噴嘴截面積比射流式魚泵輸送過程均會對鯽魚腎臟造成影響，但是這種影響在24 h內(nèi)可以恢復(fù)到未過泵時的水平。

4）綜合考慮輸送能力及魚損情況，喉管與噴嘴截面積比較小的1.75射流式魚泵更適合魚類輸送。

鑒于試驗(yàn)條件有限，本文仍有一些不足。在今后的研究中，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行更多喉管與噴嘴截面積比射流式魚泵的試驗(yàn)，并考慮更多種類魚在輸送過程中的差異。