船載式投飼機(jī)飼料輸送關(guān)鍵參數(shù)仿真分析

俞國(guó)燕，陳振雄，劉皞春，姬文超，張宏亮

(1 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(湛江)，廣東 湛江 524255；2 廣東海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，廣東省海洋裝備及制造工程技術(shù)研究中心，廣東 湛江 524088)

深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖因其產(chǎn)量高、污染低、魚質(zhì)好等特點(diǎn)已成為深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖的主要養(yǎng)殖方式之一[1-2]。目前，國(guó)內(nèi)外深水網(wǎng)箱投飼作業(yè)以集中式自動(dòng)投飼系統(tǒng)為主，其技術(shù)成熟、自動(dòng)化程度高，適合在平穩(wěn)海域作業(yè)。而南海海域海況條件復(fù)雜，集中式投飼系統(tǒng)因固定于海上浮臺(tái)、輸送管道過長(zhǎng)，在惡劣海況作業(yè)效果欠佳。而船載式投飼系統(tǒng)因固定于船體，靈活性強(qiáng)，抗風(fēng)浪能力強(qiáng)，更能滿足南海海域的作業(yè)需求[3-5]。

投飼系統(tǒng)以氣力輸送為主，但在飼料氣力輸送過程中，存在著飼料破損、輸送效率低、管道堵塞、投飼不均勻等問題[6-7]。為解決以上問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)各式投飼系統(tǒng)管道內(nèi)飼料顆粒氣固兩相流現(xiàn)象及運(yùn)動(dòng)特性展開研究以優(yōu)化管道輸送工藝，如Aarseth等[8]通過物理試驗(yàn)驗(yàn)證了過高的空氣速度、過大的彎管彎徑會(huì)導(dǎo)致顆粒破損率的增加；Aas等[9]研究了空氣流速和飼料速度是造成飼料破損的主要因素，提出可通過提高飼料進(jìn)料率增加氣固比，從而減少飼料破損率。胡昱等[10]驗(yàn)證了采用CFD-EDEM耦合仿真方法，可分析飼料在投飼機(jī)管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及管道內(nèi)的壓降情況；林禮群等[11]用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)投飼機(jī)內(nèi)部加速器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真，以提升飼料噴射的穩(wěn)定性和平穩(wěn)性。

關(guān)于船載式投飼系統(tǒng)的研究，目前尚處在探索階段。如為滿足海上大型網(wǎng)箱實(shí)際投飼需求，設(shè)計(jì)的專用養(yǎng)殖投飼炮[3]；為提高投飼性能和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化投飼，設(shè)計(jì)的一種船載式投飼系統(tǒng)[12]。此類研究主要是通過制作樣機(jī)，開展試驗(yàn)來分析投飼機(jī)性能并提出優(yōu)化方案。因物理樣機(jī)試驗(yàn)搭建成本高、周期長(zhǎng)等問題，故采用數(shù)學(xué)建模、計(jì)算機(jī)仿真等方式分析氣力輸送過程物料顆粒的運(yùn)動(dòng)情況、顆粒特性變化情況為樣機(jī)試驗(yàn)提供參考尤為重要[12-16]。

本研究以船載式投飼機(jī)為模型，針對(duì)入口風(fēng)速和管道彎徑輸送工藝，通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent與離散元仿真軟件EDEM耦合進(jìn)行氣固兩相流仿真，觀察不同輸送工藝條件下飼料顆粒的運(yùn)動(dòng)情況和氣流場(chǎng)分布規(guī)律，以優(yōu)化管道輸送工藝參數(shù)，為船載式投飼機(jī)設(shè)計(jì)及投飼作業(yè)參數(shù)優(yōu)化提供參考。

1 船載式投飼機(jī)研發(fā)

1.1 船載式投飼機(jī)組成與工作原理

船載式投飼機(jī)包括輸飼管道、上料裝置、下料裝置、鼓風(fēng)機(jī)、投料裝置等[2]，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。投飼作業(yè)時(shí)，下料裝置轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生飼料流、鼓風(fēng)機(jī)吹送產(chǎn)生高速氣流，在輸飼管道中充分混合形成均勻的氣固兩相流，同時(shí)輸送飼料顆粒流至出料口進(jìn)行投飼。投飼機(jī)需根據(jù)網(wǎng)箱位置選擇單側(cè)投料口，通過控制該側(cè)投料裝置的舉升裝置，調(diào)整投料口將飼料投至網(wǎng)箱中，完成投飼過程。輸飼管道作為連接下料裝置的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)對(duì)管道壓力損失和飼料顆粒速度造成影響。輸飼管道包括了水平管道、垂直管道和接頭3部分，水平管道與下料裝置下端口相連，接頭將水平管道與豎直管道聯(lián)通。飼料由下料裝置轉(zhuǎn)動(dòng)帶入到水平管道中，在與鼓風(fēng)機(jī)吹出的氣流的相互作用下，由水平管道向豎直管道遷移，并形成氣固兩相流。

圖1 船載式投飼機(jī)結(jié)構(gòu)組成圖

1.2 飼料輸送理論參數(shù)計(jì)算

飼料大量沉積會(huì)導(dǎo)致管道的堵塞，故飼料顆粒氣力輸送需保證入口風(fēng)速大于物料懸浮速度，使顆粒在管道中保持懸浮狀態(tài)。根據(jù)顆粒氣力輸送裝置設(shè)計(jì)理論[17-20]，入口風(fēng)速應(yīng)為：

(1)

式中：vg—入口風(fēng)速，m/s；kL—物料粒度系數(shù)；ρP—顆粒密度，kg/m3；kd—物料特性系數(shù)；L—管道長(zhǎng)度,m。

當(dāng)顆粒粒徑在1～10 mm時(shí)，kL值為16～20，以占南海養(yǎng)殖規(guī)模90%以上的金鯧魚為例，選取其150～300 g生長(zhǎng)期所需的飼料顆粒，即粒徑為7 mm飼料作為試驗(yàn)對(duì)象，其中常用的5#型7 mm金鯧魚飼料顆粒密度為950 kg/m3，故選取kL值為19。飼料顆粒的物料特性系數(shù)kd取值為(2～5)×10-4，而管道長(zhǎng)度約為4 m，因此飼料顆粒的物料特性系數(shù)kd對(duì)速度的影響可以忽略不計(jì)。為確保飼料在管道中的穩(wěn)定輸送和氣流流速需求，保留40%的余量，計(jì)算得到飼料顆粒的入口風(fēng)速為26 m/s。

飼料顆粒在輸飼管道中的料氣輸送比為:

(2)

(3)

式中：ψ—料氣輸送比；Gp—單位時(shí)間顆粒輸送質(zhì)量，kg/s；Gg—單位時(shí)間氣流輸送質(zhì)量，kg/s；ρg—空氣密度,取 1.205，kg/m3；D—輸送管道直徑，m；vg—入口風(fēng)速，m/s。

為減少飼料顆粒破損率，并避免管道堵塞，單位時(shí)間顆粒輸送量需達(dá)到0.17 ～ 0.83 kg/s[8]，結(jié)合具體投飼需求，取單位時(shí)間顆粒輸送量為0.8 kg/s。船載式投飼機(jī)采用羅茨鼓風(fēng)機(jī)作為風(fēng)力源，組成的正壓氣力輸送系統(tǒng)[21]的氣固比可達(dá)2～10，取氣固比為4，經(jīng)計(jì)算，取輸飼管道直徑為80 mm。

1.3 氣固兩相流模型

飼料在管道內(nèi)的氣力輸送屬于顆粒流和氣流相互作用的氣固兩相流運(yùn)動(dòng)，為分析飼料顆粒在管道內(nèi)的流場(chǎng)狀態(tài)，采用Eurlerian-Langrangian方法將顆粒流-氣流作為連續(xù)流處理，以分析管道內(nèi)飼料顆粒流-氣流特性。在Eurlerian坐標(biāo)系下建立N-S方程組求解氣相的流動(dòng)、作用力等特性[15,22-23]，表達(dá)式為：

(4)

εg?·τ+εgρgg-Rgp

(5)

(6)

式中：εg—?dú)庀囿w積分?jǐn)?shù),%；p—?dú)庀鄩簭?qiáng),Pa；τ—黏性應(yīng)力張量；RgP—單元網(wǎng)格的氣固兩相流間的動(dòng)量交換量；g—重力加速度， m/s2；Fp,i—作用于顆粒i的合力；n—特定網(wǎng)格內(nèi)的顆粒數(shù)量；ΔV—網(wǎng)格的體積。

投飼機(jī)輸飼管道中氣流的運(yùn)動(dòng)屬于不可壓縮湍流運(yùn)動(dòng)，考慮脈動(dòng)的影響，引入湍流標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，在拉格朗日坐標(biāo)系下用牛頓第二定律對(duì)顆粒的無碰撞運(yùn)動(dòng)求解。在氣流場(chǎng)中，顆粒受到重力、浮力、流體阻力、Saffman升力和Magnus升力等的作用[24]，其表達(dá)式為：

(7)

(8)

式中：FD—流體阻力，N；FGB—重力與浮力的合力，N；FSα—Saffman 升力,N；FMα—Magnus 升力,N；Ip—顆粒轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg/m3；ωp—顆粒角速度，rad/s；T—顆粒扭矩，N·m；vp—顆粒速度，m/s；t—時(shí)間，s。

2 CFD-EDEM耦合仿真

2.1 計(jì)算條件和參數(shù)

在氣固兩相流耦合模擬中，采用計(jì)算流體力學(xué)和離散元法研究投飼機(jī)輸送管道中飼料顆粒的運(yùn)動(dòng)特性，并使用ANSYS Fluent 16.0和EDEM 2.7 軟件進(jìn)行耦合仿真，其仿真流程如圖2所示。

圖2 仿真流程圖

投飼機(jī)模型因投料過程采用單側(cè)投料，以及投料裝置帶動(dòng)頂部管道的轉(zhuǎn)動(dòng)造成頂部管道方位角度的不確定性，故將模型簡(jiǎn)化并忽略頂部動(dòng)態(tài)管道部分。采用workbench對(duì)投飼機(jī)模型劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格為分塊的六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格結(jié)，如圖3所示。

圖3 輸飼管道網(wǎng)格結(jié)構(gòu)圖

氣流場(chǎng)流態(tài)由Fluent求解，顆粒流模型在EDEM導(dǎo)入，通過CFD-EDEM耦合對(duì)流場(chǎng)和顆粒數(shù)據(jù)交互迭代計(jì)算，仿真各個(gè)步長(zhǎng)各飼料顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在投飼機(jī)結(jié)構(gòu)和管道參數(shù)設(shè)計(jì)中，飼料顆粒的物理特性是重要考量依據(jù)，且飼料顆粒物理特性參數(shù)的可靠性直接影響仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性[10,11,25]。試驗(yàn)選取5#型7 mm金鯧魚飼料作為仿真飼料顆粒，飼料顆粒球形度均大于0.9，可視為7 mm直徑的球形顆粒，其物理特性參數(shù)見表1。

表1 仿真參數(shù)

因飼料顆粒所占?xì)夤虄上嗔髦械捏w積分?jǐn)?shù)比例低于10%，故采用Eurlerian-Langrangian 方法進(jìn)行EDEM-CFD耦合，其中Fluent的氣流場(chǎng)采用k-ε 湍流模型，又因飼料顆粒之間、飼料與管道無粘連，且顆粒表面光滑，故EDEM 的顆粒流采用HertzMindlin 無滑動(dòng)接觸模型[26-27,30]。

3 仿真方法

為驗(yàn)證和優(yōu)化利用氣力輸送理論計(jì)算得到的工藝參數(shù)，以研究投飼機(jī)部分工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)氣流場(chǎng)、飼料運(yùn)動(dòng)的影響，故采用氣固兩相流仿真法對(duì)投飼機(jī)部分參數(shù)進(jìn)行單因素試驗(yàn)。因入口風(fēng)速和管道接頭彎徑是氣力輸送過程造成飼料破損的主要原因之一[8,28-29]，故以入口風(fēng)速、水平管道與垂直管道的接頭彎徑分別代表工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)作為試驗(yàn)因素。 以理論分析和工程經(jīng)驗(yàn)求得的投飼機(jī)對(duì)應(yīng)數(shù)值為依據(jù)設(shè)定各試驗(yàn)因素水平值。因在顆粒輸送入口風(fēng)速的計(jì)算中26 m/s為理想?yún)?shù)，設(shè)置入口風(fēng)速v為20、26、30和40 m/s 4個(gè)水平，彎徑取值應(yīng)為管道直徑的1～2倍范圍，設(shè)置彎徑為60、90、120和180 mm 4個(gè)水平。

4 結(jié)果與分析

4.1 入口風(fēng)速對(duì)飼料運(yùn)動(dòng)特性的影響

為了驗(yàn)證投飼機(jī)入口風(fēng)速對(duì)飼料運(yùn)動(dòng)特性的影響，設(shè)定不同風(fēng)速，分析飼料在投飼機(jī)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。獲取飼料顆粒在管道內(nèi)穩(wěn)定輸送時(shí)的出口速度、角速度、單個(gè)顆粒碰撞總次數(shù)、平均受力(管道所有顆粒受力值總和/顆粒數(shù)量)、模型入口到出口的壓損等數(shù)據(jù)。與通過在投出飼料中篩分粒徑過小的顆粒計(jì)算飼料破損率、高速相機(jī)拍攝透明管道飼料輸送狀態(tài)[9]、聲學(xué)手段監(jiān)測(cè)部分管道飼料流量、氣壓傳感器測(cè)試管道定點(diǎn)氣壓值[14]等物理試驗(yàn)方式相比，采用仿真法可更為直接簡(jiǎn)單地獲取管道內(nèi)部數(shù)據(jù)，但與實(shí)際輸送情況會(huì)存在一定的誤差。

本試驗(yàn)分別進(jìn)行4組仿真模擬，其中不同入口風(fēng)速對(duì)應(yīng)輸送穩(wěn)定后的氣流場(chǎng)和飼料運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)如表2，飼料仿真過程圖像(26 m/s入口風(fēng)速為例)如圖4所示。由表2可看出，隨著入口風(fēng)速的增加，顆粒的出口速度、角速度和受力呈上升趨勢(shì)。但飼料顆粒碰撞次數(shù)和飼料受力與飼料破損率相關(guān)，故在滿足作業(yè)需求同時(shí)，可通過減少飼料顆粒碰撞次數(shù)和飼料受力以減少飼料破損率。由表2可看出，入口風(fēng)速較高或者較低均會(huì)造成碰撞次數(shù)多、破損率較高。通過試驗(yàn)得知，在入口風(fēng)速為26～30 m/s時(shí)，飼料顆粒的出口速度、轉(zhuǎn)速、合力、壓損差別不大，碰撞次數(shù)相對(duì)較低，呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)，故入口風(fēng)速應(yīng)選用在26～30 m/s之間，但綜合考慮飼料受力和碰撞次數(shù)，26 m/s入口風(fēng)速更為合適。

表2 入口風(fēng)速對(duì)氣流場(chǎng)和飼料運(yùn)動(dòng)特性的影響

圖4 26 m/s入口風(fēng)速的管道內(nèi)飼料速度分布圖

4.2 管道彎徑對(duì)飼料運(yùn)動(dòng)特性的影響

不同輸飼管道彎徑的仿真結(jié)果見表3，對(duì)應(yīng)的氣壓分布和氣流分布如圖5所示。其中彎徑為90、120 mm的管道與60 mm的管道相比，其氣壓分布更均勻，未出現(xiàn)明顯氣流渦流區(qū)和滯留區(qū)；與180 mm的管道相比，則無明顯飼料爬壁現(xiàn)象。隨著彎徑的增加，飼料顆粒逐漸趨向于管壁運(yùn)動(dòng)，由氣速分布圖像可知管道中間氣流速度相較管壁快，故管道彎徑不宜選擇過大，否則會(huì)因飼料爬壁現(xiàn)象導(dǎo)致飼料輸送速率下降。與90 mm彎徑相比，120 mm彎徑的管道氣壓分布和飼料運(yùn)動(dòng)更為均勻。

表3 輸飼管道彎曲半徑對(duì)氣流場(chǎng)和飼料運(yùn)動(dòng)特性的影響

4.3 飼料在輸送管道中運(yùn)動(dòng)過程分析

取26 m/s的入口風(fēng)速、120 mm接頭彎徑管道作為仿真邊界條件，取仿真過程的部分顆粒作為對(duì)象，分析飼料顆粒在船載式投飼機(jī)輸飼管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過程，其中管道內(nèi)飼料顆粒的速度與受力變化曲線如圖6所示。飼料顆粒在下料裝置作用下，沿Z方向運(yùn)動(dòng)落入輸飼水平管道中；飼料顆粒在受到輸飼管道起始端受入口風(fēng)的作用下，飼料顆粒的合速v和-X方向速度vX明顯上升，同時(shí)飼料顆粒隨著速度增加，與氣體流速的速度差逐漸減小，受力減小。管道中顆粒受氣流升力的作用，其在Z方向上的速度有所上升。當(dāng)飼料顆粒通過彎管接頭進(jìn)入到垂直管道后，其運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)從原來的-X方向改變?yōu)?Z方向上，同時(shí)受到氣流沿Z方向的作用，在+Z方向的力、速度急速上升至穩(wěn)定值，此時(shí)飼料顆粒在輸飼管道中的運(yùn)動(dòng)主要受氣流的影響，其受力方向、速度方向與管道軸線方向基本相同。

圖5 不同輸飼管道彎曲半徑的氣流壓力分布圖(左)和氣流速度分布圖(右)

圖6 輸飼管道內(nèi)飼料顆粒的速度與受力變化曲線

與Aas等[9]、Halstensen等[14]的物理試驗(yàn)相比，因研究樣機(jī)差異，作業(yè)需求不同，試驗(yàn)得出的較優(yōu)參數(shù)存在差異，但樣機(jī)內(nèi)部的飼料顆粒和氣場(chǎng)變化規(guī)律基本一致。本試驗(yàn)針對(duì)船載式投飼料機(jī)采用仿真試驗(yàn)，相比物理試驗(yàn)降低了樣機(jī)搭建成本，提高了數(shù)據(jù)采集、分析、處理效率，并使顆粒流動(dòng)可視化，但仿真試驗(yàn)是以有限邊界為條件的近似解，與實(shí)際生產(chǎn)情況相比會(huì)存在誤差，故僅可作為實(shí)際生產(chǎn)的理論參考依據(jù)。

5 結(jié)論

入口風(fēng)速在20～40 m/s范圍內(nèi)時(shí)，船載式投飼機(jī)飼料顆粒的出口速度與入口風(fēng)速以及壓力損失呈正相關(guān)；入口風(fēng)速在26～30 m/s區(qū)間內(nèi)，飼料破損率較低，故可通過試驗(yàn)測(cè)試不同投飼機(jī)入口風(fēng)速最優(yōu)區(qū)間范圍。彎徑過大會(huì)出現(xiàn)顆粒沿壁運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，造成不必要的能量損失；彎徑過小會(huì)導(dǎo)致氣流渦流區(qū)和滯留區(qū)的出現(xiàn)，故可通過試驗(yàn)，測(cè)試不同投飼機(jī)輸飼管道接頭彎徑的最優(yōu)區(qū)間范圍。在本研究中，投飼系統(tǒng)在管徑80 mm、氣流速度26 m/s、管道彎徑120 mm的條件下，其管內(nèi)氣壓分布均勻，仿真未出現(xiàn)明顯氣流渦流區(qū)和滯留區(qū)，碰撞次數(shù)較少，壓力損失較低，能較好地降低飼料顆粒的破損率與額定輸送速率的能量損耗，為實(shí)際生產(chǎn)提供理論參考。未來的研究中可通過仿真手段，對(duì)入口風(fēng)速，管道結(jié)構(gòu)尺寸，喂料量等因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，探究工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)投飼作業(yè)的主次影響因素。

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