虹吸式吸魚泵的水動(dòng)力學(xué)特性研究

田昌鳳，吳 凡，車 軒，2，劉興國(guó)，2，張 俊，陳曉龍

(1 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092；2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，上海 200092；3 上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海，201306)

在全球漁業(yè)資源日益匱乏的形勢(shì)下，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的高效發(fā)展關(guān)系到人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，越來(lái)越受到研究人員的廣泛關(guān)注[1-2]。2021年，世界水產(chǎn)品產(chǎn)量超過(guò)2億t，而中國(guó)淡水魚類總產(chǎn)量約占全球的33%，并且是世界上唯一養(yǎng)殖產(chǎn)量高于捕撈產(chǎn)量的國(guó)家，而池塘養(yǎng)殖產(chǎn)品是中國(guó)水產(chǎn)品總產(chǎn)量的主要組成部分[3-5]。2020年,中國(guó)池塘水產(chǎn)養(yǎng)殖面積約262萬(wàn)hm2，養(yǎng)殖產(chǎn)量2 200多萬(wàn)t[6]，而池塘養(yǎng)殖的捕撈方式還相對(duì)原始，基本靠人工完成[7-8]。因此，池塘養(yǎng)殖生產(chǎn)亟需機(jī)械化自動(dòng)化捕撈系統(tǒng)裝備，吸魚泵已成為漁業(yè)機(jī)械研究的重要方向。

20世紀(jì)四五十年代，美國(guó)、挪威、法國(guó)、日本等漁業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的網(wǎng)箱養(yǎng)殖蓬勃發(fā)展[9-12]，與之相配套的吸魚泵的研究取得了重要進(jìn)展，研發(fā)了離心式吸魚泵、真空式吸魚泵、空氣揚(yáng)升式吸魚泵和射流式吸魚泵[13-18]，助推了網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為了研發(fā)適合池塘使用的吸魚泵，研究者們研發(fā)了真空式吸魚泵和射流式吸魚泵，但仍存在能耗高，輸送效率等問(wèn)題，并對(duì)魚有一定的損傷[19-22]。吸魚泵內(nèi)部復(fù)雜的水力因素和剪切層是造成鱗片脫落的主要原因[23-24]。而吸魚泵內(nèi)的撞擊、低壓環(huán)境以及吸魚泵內(nèi)部的壓力梯度是鰓蓋損傷、魚鰾破裂、肝臟腎臟受損和魚游動(dòng)平衡破壞的主要原因[25-26]。

此外，降低能耗也是吸魚泵研究的重點(diǎn)，影響吸魚泵能耗的因素主要有工作方式、魚水比以及輸送管道的阻力損失。研究顯示，射流式吸魚泵的單位質(zhì)量能耗為1.51 kW·h/t，離心式吸魚泵的單位質(zhì)量能耗為0.5～0.93 kW·h/t，真空式吸魚泵為0.5～0.6 kW·h/t，虹吸式吸魚泵的單位質(zhì)量能耗為0.3～0.4 kW·h/t可見虹吸式吸魚泵單位質(zhì)量能耗最小[8,31]。為了進(jìn)一步提高吸魚泵的性能，研究者們利用高速攝影技術(shù)、圖像處理技術(shù)等方法探索了速度梯度、壓力梯度以及機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)吸魚泵性能的影響，相繼攻克了眾多技術(shù)難題，有效解決了吸魚泵的輸送性能低和損傷大的問(wèn)題[15-18]。然而，池塘養(yǎng)殖的養(yǎng)殖品種和運(yùn)行工況有別于網(wǎng)箱養(yǎng)殖，并且傳統(tǒng)的試驗(yàn)研究周期長(zhǎng)，研究成本高，針對(duì)研發(fā)適用于池塘養(yǎng)殖的鮮活魚類的輸送的吸魚泵的迫切需求，利用CFD數(shù)值模擬技術(shù)能夠有效縮短吸魚泵的設(shè)計(jì)時(shí)間以及成本，實(shí)現(xiàn)了高效吸魚泵的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

本研究運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)研究了一種虹吸式吸魚泵內(nèi)部的水動(dòng)力學(xué)特性，系統(tǒng)分析了吸魚泵軸向?qū)ΨQ面以及軸向?qū)ΨQ面上不同檢測(cè)線和不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的速度分布，壓強(qiáng)分布以及渦流黏度分布特性，尋找損傷魚類的關(guān)鍵部位，以期降低吸魚泵的能耗和對(duì)鮮活水產(chǎn)品的損傷。研究結(jié)果對(duì)吸魚泵的開發(fā)和設(shè)計(jì)提供了重要的理論指導(dǎo)，具有重要的科學(xué)意義。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 計(jì)算模型

如圖1所示，數(shù)值計(jì)算模型根據(jù)中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所研發(fā)的虹吸式吸魚泵進(jìn)行三維建模，吸魚泵外腔直徑為0.6 m，內(nèi)腔直徑為0.584 m，壁厚0.008 m，長(zhǎng)1.6 m。其中吸魚泵入口位于右側(cè)頂端，入口直徑為 0.2 m，出口位于左側(cè)底端，出口直徑為0.16 m。

圖1 物理模型和試驗(yàn)布置

如圖2所示，虹吸式吸魚泵的工作原理是吸魚泵內(nèi)部注滿水后，開始抽吸活魚，直到吸魚泵內(nèi)部活魚達(dá)到一定的密度后，排出魚水混合物，排凈后再次注滿水后開始抽吸。這種工作方式和工作環(huán)境有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)，一是連續(xù)作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，泵內(nèi)魚水混合的比例可以達(dá)到2∶1甚至更高，有效提高了虹吸式吸魚泵的輸送能力；二是吸魚泵內(nèi)部注滿水后再抽吸活魚，有別于傳統(tǒng)的無(wú)水抽吸，吸魚泵內(nèi)部的水體起到有效的緩沖作用，減少魚體碰撞泵體，從而較少魚體的損傷。

圖2 吸魚泵的工作原理

圖3為虹吸式吸魚泵的流場(chǎng)模型，選取虹吸式吸魚泵軸向?qū)ΨQ面建立直角坐標(biāo)系，其中x方向?yàn)槲~泵軸向方向，向下為正，y方向?yàn)閦軸垂直的方向，重力加速度方向?yàn)閥方向。為了研究吸魚泵內(nèi)部的流動(dòng)特性，取吸魚泵軸向?qū)ΨQ面為監(jiān)測(cè)面以及對(duì)稱面上的AA’、BB’、CC’、DD’、EE’、FF’6條線為監(jiān)測(cè)線和點(diǎn)1、點(diǎn)2、點(diǎn)3、點(diǎn)4、點(diǎn)5為監(jiān)測(cè)點(diǎn)。將吸魚泵入口設(shè)為速度入口邊界，吸魚泵壁面設(shè)為無(wú)滑移固壁邊界，吸魚泵頂部出口和底部出口均設(shè)為壓力出口邊界。

圖3 虹吸式吸魚泵計(jì)算模型

1.2 數(shù)值計(jì)算方法

該流場(chǎng)連續(xù)性的和不可壓縮的混合流體相，該流動(dòng)過(guò)程滿足連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程。充分考慮渦流和低雷諾數(shù)對(duì)湍流的影響，采用重整化群(RNG)k-ε兩方程模型為湍流模型，與之相關(guān)的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、k-ε輸運(yùn)方程分別為[23-24]：

連續(xù)方程:

(1)

式中：ρ為流體密度，v為流動(dòng)速度矢量，u、v、w是其在x、y、z方向上的分量。

動(dòng)量方程：

(2)

(3)

(4)

式中：p為流體壓力，F(xiàn)為單位質(zhì)量流體所受外部力，F(xiàn)x、Fy、Fz是其在x、y、z方向上的分量，τ為流體的黏性應(yīng)力，τxx、τxy、τxz、τyx、τyy、τyz、τzx、τzy、τzz為其在對(duì)應(yīng)x、y、z方向上的張量分量，S為流體質(zhì)量源，Sx、Sy、Sz是其在x、y、z方向上的分量。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程：

(5)

(6)

式中：xi是空間點(diǎn)上的坐標(biāo)，ui為在時(shí)間t坐標(biāo)下的速度分量，i=1、2、3。兩方程的k-ε湍流模型系數(shù)為：cμ=0.09、Cε1=1.44、Cε2=1.92、σk=1.0、σε=1.3。

2 結(jié)果與分析

2.1 吸魚泵監(jiān)測(cè)面上流動(dòng)特性分析

在輸送過(guò)程中，壓強(qiáng)分布是評(píng)估活魚是否損傷的重要指標(biāo)，不同進(jìn)口速度下監(jiān)測(cè)面上的壓力分布如圖3所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著進(jìn)口速度的增大，壓強(qiáng)呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，不同進(jìn)口速度下，壓強(qiáng)在1.01×105～1.09×105Pa范圍內(nèi)變化，整體變化范圍不大；不同進(jìn)口速度下監(jiān)測(cè)面上速度矢量圖如圖4所示，可以看出流體從吸魚泵入口進(jìn)入后，由于具有初速度以及自身慣性的作用下首先沖擊至吸魚泵腔體出口處的頂端壁面，然后由于壁面的反作用力形成了沿腔體輪廓方向的回流，最后在自身重力的作用下落至靠近出口處底端。

圖4 監(jiān)測(cè)面上的壓力云圖

隨著進(jìn)口速度的增大，吸魚泵出口側(cè)頂端的回流現(xiàn)象越明顯，且流速在0.5～1.98 m/s范圍內(nèi)變化。壓強(qiáng)最大處主要集中在吸魚泵出口側(cè)腔體頂端，該處對(duì)魚體損傷最大，其次是來(lái)流撞到吸魚泵壁面后形成回流，回流落點(diǎn)處容易對(duì)魚體產(chǎn)生二次損傷。渦流黏度是表征湍流特性的一個(gè)重要參數(shù)，與流動(dòng)的紊動(dòng)特性緊密相關(guān)。不同速度下吸魚泵內(nèi)部渦流黏度分布圖如圖5所示。結(jié)果表明隨著來(lái)流速度的增加靠近吸魚泵出口端的壁面渦流黏度增大，結(jié)合圖4說(shuō)明渦流黏度越大越容易形成渦流/回流，同時(shí)也說(shuō)明該處湍流強(qiáng)度較大，流動(dòng)紊亂，不利于活魚運(yùn)輸。

圖5 監(jiān)測(cè)面上的速度矢量圖

圖6 監(jiān)測(cè)面上的渦流黏度分布圖

2.2 吸魚泵內(nèi)不同監(jiān)測(cè)線的流動(dòng)特性分析

為進(jìn)一步研究吸魚泵內(nèi)部流動(dòng)特性，對(duì)不同進(jìn)口速度下，吸魚泵內(nèi)部AA’、BB’、CC’、DD’、EE’、FF’6條監(jiān)測(cè)線上的速度、壓力作為縱坐標(biāo)得到該線上的速度特性、壓力分布特性，具體結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 監(jiān)測(cè)線上速度分布曲線

圖8 監(jiān)測(cè)線上壓力分布曲線

計(jì)算結(jié)果顯示：監(jiān)測(cè)線BB’上速度相對(duì)較大，從進(jìn)水口到監(jiān)測(cè)線中部，速度基本穩(wěn)定不變速度大小近似等于進(jìn)水口速度，在中后段逐漸減少，到右端突然增加后又減少；當(dāng)速度為1 m/s時(shí)，監(jiān)測(cè)線AA’和FF’上從左端到右端，速度先增加后減小，監(jiān)測(cè)線CC’、DD’、EE’上從左端到右端，速度先增大后減小，靠近右端又突然增加；當(dāng)速度為1.5 m/s和2 m/s時(shí)，檢測(cè)線EE’上的速度大小與BB’趨勢(shì)一致；隨著進(jìn)口速度的增加，吸魚泵頂部和底部的監(jiān)測(cè)線AA’、FF’上的速度分布相對(duì)穩(wěn)定，基本上不隨著X距離變化發(fā)生改變，但吸魚泵內(nèi)部檢測(cè)線BB’、CC’、DD’上的流速逐漸增加，監(jiān)測(cè)線EE’上的流速線增加后又急速降低。

吸魚泵內(nèi)部壓力分布是評(píng)估活魚運(yùn)輸過(guò)程中魚體損傷的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。不同來(lái)流條件下監(jiān)測(cè)線上壓力分布曲線如圖8所示。計(jì)算結(jié)果顯示：不同進(jìn)口速度下，AA’、BB’、CC’、DD’、EE’、FF’6條監(jiān)測(cè)上的壓力變化趨勢(shì)基本一致；X=-0.8～0.5范圍內(nèi)，檢測(cè)線AA’、BB’、CC’、DD’、EE’、FF’上壓強(qiáng)變化不明顯；在X=0.5～0.8范圍內(nèi)，檢測(cè)線AA’、BB’、CC’、DD’上的壓強(qiáng)逐步增加，最大值約為1.09×105Pa，檢測(cè)線EE’、FF’上的壓強(qiáng)急劇降低，最小值約為1.0×105Pa；計(jì)算結(jié)果顯示靠近出水口壓力相對(duì)不大，而靠近吸魚泵右上端壁面附近壓力較大，可能與來(lái)流沖擊形成回流，流動(dòng)紊亂，導(dǎo)致附近壓力場(chǎng)局部變大，這為吸魚泵后續(xù)的研發(fā)和設(shè)計(jì)提供了重要的依據(jù)。

2.3 吸魚泵內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的流動(dòng)特性分析

為進(jìn)一步研究吸魚泵內(nèi)部流動(dòng)特性隨時(shí)間變化的關(guān)系，在吸魚泵內(nèi)部取適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)如圖3所示，并提取該點(diǎn)上的相關(guān)流動(dòng)特性參數(shù)，如速度、壓力以及渦流黏度。以流動(dòng)時(shí)間作為橫坐標(biāo)，將該曲線上的速度、壓力、渦流黏度作為縱坐標(biāo)得到該線上的速度特性、壓力分布特性、渦流黏度特性。

在不同進(jìn)水速度情況下，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的速度分布如圖9所示，從計(jì)算結(jié)果可以得出吸魚泵出水口監(jiān)測(cè)點(diǎn)5上的流速相對(duì)較大，其他測(cè)點(diǎn)上的速度大小差異不大；隨著進(jìn)口速度的增加，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的速度隨之增加；從流動(dòng)趨勢(shì)來(lái)看，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的流速相對(duì)穩(wěn)定，未出現(xiàn)較大的波動(dòng)，速度隨著時(shí)間的增加，基本是先增加，后減少，逐步趨于穩(wěn)定。

圖9 監(jiān)測(cè)點(diǎn)上速度分布曲線

在不同進(jìn)水速度情況下，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的壓強(qiáng)計(jì)算結(jié)果如圖10所示，計(jì)算結(jié)果顯示吸魚泵出口處監(jiān)測(cè)點(diǎn)5壓強(qiáng)相對(duì)較小，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的壓強(qiáng)相對(duì)較大；隨著時(shí)間的推移，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的壓強(qiáng)先急劇增加，后趨于穩(wěn)定；隨著速度的增加，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的壓強(qiáng)隨之增大，出口處壓強(qiáng)基本維持在1.010×105～1.035×105Pa。

圖10 監(jiān)測(cè)點(diǎn)上壓強(qiáng)分布曲線

渦流黏度是表征湍流特性的一個(gè)重要參數(shù)，與流動(dòng)的紊動(dòng)特性緊密相關(guān)。渦流黏度的計(jì)算結(jié)果如圖11所示，可以看出監(jiān)測(cè)點(diǎn)4的渦流黏度相對(duì)較大，其次是監(jiān)測(cè)點(diǎn)3和監(jiān)測(cè)點(diǎn)5，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和監(jiān)測(cè)點(diǎn)2的玩渦流黏度最小。計(jì)算結(jié)果表明監(jiān)測(cè)點(diǎn)4處的流動(dòng)翁亂，這主要是該處存在明顯的回流現(xiàn)象；監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和監(jiān)測(cè)點(diǎn)2處流速分布較穩(wěn)定，波動(dòng)較小，說(shuō)明吸魚泵底部流動(dòng)穩(wěn)定，對(duì)魚體損傷較小。

圖11 監(jiān)測(cè)點(diǎn)上渦流黏度分布曲線

2.4 數(shù)值結(jié)果有效性驗(yàn)證

樣機(jī)試驗(yàn)在中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所中試基地完成，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。為驗(yàn)證上述數(shù)值計(jì)算的有效性，設(shè)置圖3中的監(jiān)測(cè)平面上5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(Point 1、Point 2、Point 3、Point 4、Point 5)，其坐標(biāo)分別(-0.41,0.25,0)、(-0.16,0.04,0)、(-0.3,0.5,0)、(0.2,0.32,0)、(0.7,-0.07,0)。在進(jìn)口速度是1 m/s的情況下，虹吸式吸魚泵穩(wěn)定工作后，采用LSH10-1M型微型多普勒流速儀測(cè)定內(nèi)部的點(diǎn)1、點(diǎn)2、點(diǎn)3、點(diǎn)4、點(diǎn)5處的流速。

表1分別為監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2、3、4、5上的數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果，可以看出監(jiān)測(cè)點(diǎn)1處的試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值結(jié)果誤差最大，誤差為13.3%，其次是監(jiān)測(cè)點(diǎn)2和點(diǎn)4處的試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值結(jié)果，誤差為11.9%，而監(jiān)測(cè)點(diǎn)3和5處的試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值結(jié)果誤差較小，分別為4.8%和3.7%。此外，可以發(fā)現(xiàn)點(diǎn)5處的流速最大，而靠近吸魚泵壁面處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)處流速較低，即渦流區(qū)和出水口處流速較大。試驗(yàn)結(jié)果表明數(shù)值計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確有效。

表1 平均流速數(shù)值模擬與試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

在不同進(jìn)口速度下，虹吸式吸魚泵內(nèi)壓強(qiáng)變化幅度不大，壓強(qiáng)最大處主要集中在吸魚泵右上端，該處對(duì)魚體損傷最大；吸魚泵內(nèi)部出口側(cè)頂端的渦流黏度最大，容易形成渦流，渦流落點(diǎn)處容易對(duì)魚體產(chǎn)生二次損傷。隨著進(jìn)口速度的增加，壓強(qiáng)、流速和渦流黏度都呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)；隨著進(jìn)口速度的增大，內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)紊亂程度也在增強(qiáng)；出水口處壓力相對(duì)不大，而靠近吸魚泵右上端壁面附近壓力較大。吸魚泵試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模結(jié)果最大誤差為13.3%，最小誤差為3.7%，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的有效性。本研究對(duì)吸魚泵的開發(fā)和設(shè)計(jì)提供了參考，具有一定的科學(xué)意義。后續(xù)的研究中應(yīng)考慮活魚對(duì)吸魚泵內(nèi)流場(chǎng)的影響以及研究不同種類魚類對(duì)輸送性能的影響。

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