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田昌凤，刘兴国，车轩*，吴凡，张俊，陈晓龙
(1.中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092；
2.上海海洋大学 工程学院，上海 201306)
鱼类捕捞是渔业生产中劳动强度最大的环节，传统的鱼类捕捞主要采取人工方式，存在费时费力、劳动强度大、易损伤鱼体，且难以适应对活鱼的起捕和转运需求等问题[1-2]。吸鱼泵是一种专门应用于活鱼起卸过程的先进设备，不仅可大幅度降低劳动强度和劳动成本，且具有起卸效率高、鱼体损伤率低等优点[3-5]。一些渔业发达国家，如美国、挪威、法国、冰岛、爱尔兰、加拿大、日本和俄罗斯等[6-13]在网箱养殖中已广泛使用吸鱼泵。吸鱼泵的形式主要有离心式、射流式和真空式[14-15]。其中，离心式吸鱼泵利用液压驱动泵内的叶片高速旋转形成负压吸鱼，对鱼体的损伤较大，且死亡率较高[16-17]；
射流式吸鱼泵利用高速流动水流产生的负压吸鱼，对鱼的损伤较小，但能量转换效率低[18-19]；
真空式吸鱼泵基于负压的原理吸鱼，具有自动化程度高、起捕量大、鱼体损伤率低和成本低等特点,但真空吸鱼泵系统庞大，能耗高且电气控制系统复杂，主要适用于规模较大的深水网箱和大型工厂化养殖系统[20-24]。对于渔获量相对较小的养殖池塘，大体积和高能耗的真空吸鱼泵难以适用，因此，亟需研发适合池塘使用的小型真空吸鱼泵。
目前，国内外关于真空吸鱼泵的研究主要集中在结构设计方面。如田昌凤等[25]开展了养殖池塘单罐真空式吸鱼泵的设计和试验，从理论上计算了吸鱼泵的结构参数；
楚树坡等[26]进行了双流道吸鱼泵的结构研究；
杨楠楠[27]研制了一种吸鱼泵防堵装置；
中国科学院海洋研究所研究了淡水养殖池塘的双联式真空吸鱼装置[28]；
徐英士[29]对真空吸鱼泵的阀体进行了逐一设计分析。美国“ETI”公司生产的真空吸鱼泵在其他国家广泛应用[30]，但价格昂贵，一般应用于大型网箱养殖企业；
丹麦IRAS公司研制的真空吸鱼泵和自由分级系统，能够自动称重、分级、传送和内部分配等[31]；
波兰Wintec Polska公司研制了双罐吸鱼泵[32]。但国内外对真空吸鱼泵内部结构的流态分析和鱼类损伤的研究较少。刘平[33]通过流体动力学软件对离心式吸鱼泵的叶轮进行了设计与分析；
徐茂森等[34]研究了喉管鱼喷嘴截面积比对射流式鱼泵输送性能及鱼损的影响；
Xu等[14]通过数值模拟计算了鱼类运动对射流鱼泵内部流动的影响。有研究人员通过数值模拟研究发现，鱼体在输运过程中泵体内产生的涡流和回流，以及与罐体壁面的碰撞，易对鱼体造成一定损伤[31]。这些研究者关注了结构参数对吸鱼泵内部流体和鱼类损伤的影响，但未关注抽吸速度对吸鱼泵内部流场和鱼类损伤的影响。综上所述，如何在确保成活率和降低损伤率的前提下，提高真空吸鱼泵的效率是目前亟须解决的问题。
本研究中，通过数值模拟研究了不同水流速度条件下吸鱼泵内气液两相流的流动特性，包括内部速度分布、水体流线分布和罐体内部压力等，并利用优化参数研制了一种小型单罐真空吸鱼泵，通过试验对比分析了进鱼管不同抽吸速度下，不同鱼种的吸鱼量、循环次数和鱼体损伤等参数，确保在尽可能减少回流和涡流产生的条件下，得到吸鱼泵进鱼管道最大抽吸速度，以期为设计开发池塘养殖用高效吸鱼泵提供参考依据。
1.1 材料
单罐真空式吸鱼泵为一种间歇式工作的吸鱼泵，由于吸鱼和排鱼无法同时进行，仅当吸鱼工作完成后，开启排鱼工作，排鱼结束后开启下一轮吸鱼工作。单罐吸鱼泵采用不锈钢材质，罐体容积为0.6 m3，吸鱼管道内径为200 mm，吸鱼时间为20 s/次，排鱼时间为10 s/次。这里的单次指完成一次吸鱼工作或者一次放鱼工作(下同)。
1.2 方法
基于CFD(computer fluid dynamic)数值计算理论及方法，研究吸鱼泵单次抽吸过程中气液两相流的流动特性，在降低鱼类损伤率和提高工作效率的前提下，确定最佳的来流速度，以指导吸鱼泵的结构设计，并开展样机抽吸效果试验。
1.2.1 数值模拟
1)控制方程。采用欧拉-欧拉计算方法，将鱼水混合物视为黏性不可压缩连续性液相，空气视为黏性可压缩连续性气相。三维非定常流动的基本控制方程如下：
连续性方程：
(1)
动量方程：
(2)
其中：t为时间(s)；
p为流体压力(Pa)；
ui和uj为速度分量(m/s)；
xi和xj为位移分量(m)；
μ为动力黏度系数(N·s/m2)；
ρ为流体密度(kg/m3)；
μt为紊流黏性系数(Pa·s)。
2)湍流模型。由于吸鱼泵吸鱼过程中存在大应变率、旋流和液固分离等复杂流动问题，湍流模型采用SSTk-ω湍流模型。
SSTk-ω湍流模型的k方程和ω方程分别为
(3)
其中：k为湍流动能;ω为湍流频率;Γk、Γω分别为湍流扩散系数;Gk、Gω分别为湍流生成项;Yk、Yω分别为湍动能耗散项;Sk、Sω分别为自定义源项。
3)VOF(volume of fluid)多相流模型。在欧拉-欧拉多相流数值模型中，VOF模型适合于分层的或自由表面流，混合模型或欧拉模型适合于流动中有相混合或分离，或分散相体积分数超过10%的情况。对于吸鱼泵内部气液两相流的流动接触，其难点在于对自由液面的追踪处理。VOF模型通过引入各个时刻各相流体在网格单元中所占体积分数α来构造和追踪自由面，水气自由界面的重构通过求解以下形式的连续性方程实现：
(4)
对于吸鱼泵内部气液两相流场，计算单元中空气的体积分数为ag，水的体积分数为1-ag。ag在计算单元中会出现以下3种可能：①当ag=0时，表示该单元中充满的是水；
②当0③当ag=1时，表示该自由面单元中充满的是空气。
4)网格及边界条件根据吸鱼泵结构模型建立三维流场模型，取XY平面建立直角坐标系，进水口和空气压力出口如图1所示，为了确保工作效率，抽吸速度分别取1.0、1.5、2.0 m/s。吸鱼泵外表面设为固壁边界条件，对流动变化剧烈的部位进行局部网格加密。划分非结构化网格并通过网格无关性验证，整体网格数量约234万。考虑重力加速度，水的密度按照海水在20 ℃时的参数值进行设置，密度为1 052 kg/m3。
1.2.2 样机抽吸鱼试验 样机试验布置如下：真空式吸鱼泵在混养草鱼、鲤、鲫和鲢的池塘岸边水平固定，吸鱼泵重心离岸距离约1.5 m，距离池塘水面约2.5 m，吸鱼泵吸口安放在鱼池集鱼网箱内。抽吸速度分别设为1.0、1.5、2.0 m/s，每次试验持续1 h，根据吸鱼泵单次吸鱼、排鱼时间，可得每小时循环次数共为120次。抽吸工作完成后，分别测量不同抽吸条件下的吸鱼量、鱼体损伤率等性能参数。
2.1 数值模拟计算结果
进鱼管道抽吸速度分别取v=1.0、1.5、2.0 m/s 3种工况，计算结果分别取t=0.3、0.6、1.0 s时刻下吸鱼泵内部水的体积分数、速度分布及流线图进行分析。不同抽吸速度和不同时刻下的液相体积分数分布云图、速度分布云图和流线图如图2～图4所示。
从图2可见：气液分界面明显，不同抽吸速度下，液体撞击底部壁面的位置不同，产生的作用力大小也不相同；
当进鱼管道抽吸速度为1.0 m/s时，由于速度相对较低，液相水随时间的变化相对稳定；
当抽吸速度为1.5 m/s时，由于来流流速较大，来流在吸鱼泵内部壁面多次碰撞局部形成回流，流态相对紊乱；
当抽吸速度为2.0 m/s时，由于速度增加，来流在较短的时间内撞击吸鱼泵内腔，撞击点远离速度进口，撞击产生的回流更加紊乱，而随着时间的推移，来流在吸鱼泵内部壁面多次碰撞形成回流，流态相对紊乱。
红色表示液相，蓝色表示气相。Red color for liquid phase, and blue color for gas phase.图2 不同速度、不同时刻下的液相体积分数分布云图Fig.2 Volume fraction distribution of the liquid phase at different velocities and moments
从图3可见：当t=0.3 s时，水流刚注入吸鱼泵，其内部整体速度场未有较大变化，底部有较大压力是由于水流流速较大，落在吸鱼泵内腔底面具有一定压力；
当t=0.6 s时，吸鱼泵内部压力场开始有了明显变化；
当t=1.0 s时，随着来流速度的增大，水流冲击罐体底部的位置不同，速度越大，产生的回流和旋涡就越明显，需要特别关注冲击点的位置和冲击力的大小，它会对活鱼造成一定的损伤，这为后续罐体的局部位置的设计提供一定的依据。
从图4可见：当t=0.3 s时，各抽吸速度下吸鱼泵内部流场的迹线都比较光滑；
当t=0.6 s时，抽吸速度为1.0 m/s时，吸鱼泵的内部流场的迹线比较光滑，抽吸速度为1.5、2.0 m/s时，吸鱼泵内部流场出现了明显的回流和涡流现象；
当t=1.0 s时，抽吸速度为1.0、1.5 m/s时，吸鱼泵内部流场有一定的回流、旋涡的出现，而抽吸速度为2.0 m/s时，吸鱼泵内部流场具有明显的回流、旋涡的出现，回流场的出现容易损坏鱼体。
对比分析以上计算结果可知，进鱼管道抽吸速度分别为1.0、1.5 m/s时，吸鱼泵内部流场未有明显的旋涡出现，速度无跳跃性变化，在该条件下吸鱼泵的流场合理，对鱼体损害相对较小，吸鱼泵内部压力比较均匀且无较大压力差值出现，基本符合吸鱼泵的工作状态。但对比不同速度、不同时刻下的液相体积分数的情况可知，抽吸速度分别为1.5、2.0 m/s时，来流在吸鱼泵内部壁面多次碰撞，局部形成回流，流态相对紊乱，故这两个速度不适宜作为吸鱼泵进口抽吸速度。
图3 不同速度、不同时刻下的速度分布云图Fig.3 Velocity contours distribution at different velocities and moments
图4 不同速度、不同时刻下的流线图Fig.4 Streamline distribution at different velocities and moments
综上分析，在不损伤鱼体的条件下，抽吸速度v=1.0 m/s时，更适宜作为吸鱼泵进口的设计流速。
2.2 吸鱼泵的结构设计及优化
以淡水池塘养殖的品种为起捕对象，平均质量约为2.5 kg/尾，平均密度为1 033 kg/m3，鱼体最大截面处直径平均约为90 mm。单罐真空吸鱼泵主要由机架、水环式真空泵、真空阀门、控制系统、进鱼管道和出鱼管道等结构组成(图5)，根据数值分析的计算结果，单罐真空吸鱼泵在靠近吸鱼泵右侧受力最大，所以在该处进行了加固和打磨，尽可能减少对鱼的损伤。水环式真空泵作为形成负压的主要设备，利用真空负压对鱼水产生抽吸力，以实现活鱼高效自动吸捕。
1—机架；
2—罐体；
3—吸鱼闸门；
4.控制箱；
5.进鱼管道；
6—出鱼管道；
7—放鱼闸门；
8—三通；
9—排气口；
10—真空阀；
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.图5 吸鱼泵正视图Fig.5 Front view of a fish pump
2.2.1 进水结构设计 为了保证鱼群不聚集于进鱼管道，进鱼管道直径一般取起捕对象最大截面直径的2倍，综合其他因素，进鱼管直径设计为 200 mm。进鱼管道抽吸速度分别选取1.0、1.5、2.0 m/s作为抽吸测试流速。根据下式计算进鱼管道水流量(Q):
v=Q/S。
(5)
其中：S为进鱼管道截面积，取为0.031 4 m2；
v为进鱼管道抽吸速度，分别取为1.0、1.5、2.0 m/s。根据公式(5)，当进鱼管抽吸速度为1.0、1.5、2.0 m/s时，对应的进鱼管道水流量Q分别为0.031 4、0.047 1、0.062 8 m3/s。
以吸鱼泵抽吸速度为1.0 m/s为例，吸鱼泵吸鱼过程的工作时间为20 s，放鱼过程的工作时间为10 s，吸鱼泵吸鱼过程的进水流量[35]为
Q=M/(ρm×t)。
(6)
其中：Q为吸鱼泵进鱼管道流量，为0.031 4 m3/s；
ρm为鱼水混合物的平均密度，取为1 020 kg/m3；
t为时间(s)。将数据代入公式(6)，得到单次抽吸量M约为640.6 kg，吸鱼泵每小时要抽吸120次，故每小时抽吸量约为77.0 t/h，按照鱼水比为1∶1，得到每小时抽吸鱼的总量为38.5 t/h。以此类推,可以得到抽吸速度为1.5 m/s时,每小时抽吸鱼的总量为57.5 t/h；
抽吸速度为2.0 m/s时,每小时抽吸鱼的总量为77.0 t/h。
2.2.2 真空泵的抽气速率 根据活鱼起捕要求，设计计算真空泵的参数，其抽气速率计算公式[28]为
(7)
其中：Se为真空泵中的抽气速率(m3/s)；
V1为真空吸鱼泵内的容积，约为0.6 m3；
V2为管道内容积，约为0.3 m3；
t为单次抽气所经历的时间，为20 s；
n为真空泵数量，取为1；
H为大气压的水柱高度，为10 m；
Hg为吸鱼泵的吸水高度值，取为4.5 m；
Δh为泵体中心离地面之间的距离，取为0.1 m。将数据代入公式(7)，得到Se=1.83 m3/min。根据泵内压力、抽气速率及安全系数等参数，选定SLK型真空泵，其抽气速率为4 m3/min，满足设计要求。
2.3 试验验证
单罐真空吸鱼泵样机于2019年9月份在宁夏贺兰县新明水产养殖公司开展试验(图6)。吸鱼泵吸口安放在鱼池集鱼网箱内，吸鱼管内壁光滑，柔软性强，不会对鱼体造成损伤。养殖池塘真空吸鱼泵样机初步实现了带水吸鱼的功能，吸鱼时间20 s，放鱼时间10 s，依次循环进行吸鱼、放鱼作业。当抽吸速度为1.0 m/s，工作1 h循环次数为120次，测得实际鱼水混合物平均抽吸量约为73 t，与理论计算值77 t有一定的偏差，误差在可接受范围以内。
图6 吸鱼泵测试试验Fig.6 Test of fish pump
单罐真空吸鱼泵试验主要进行性能测试，包括吸鱼量、循环次数和鱼体损伤测试等。其中，鱼体损伤测试主要观察鱼体表面是否有出血和掉鳞的情况，各参数测试结果如表1所示。用单罐真空吸鱼泵分别对草鱼、鲤、鲫、鲢和鳙进行单独抽吸试验，结果显示，鲫和鲤单次平均抽吸量较大，草鱼和鳙单次平均抽吸量较小，鱼水比为1∶1.5～1.68。鱼体表面的损伤情况显示：在抽吸速度为1.0 m/s的条件下，草鱼、鲢和鳙的损伤率较小，分别为2.0%、0.3%、0.1%，鲤和鲫无损伤，吸鱼泵的平均抽吸鱼量约为23 t/h;在抽吸速度为1.5 m/s的条件下，草鱼、鲤、鲢和鳙的损伤率增大，分别为3%、0.3%、0.7%、0.3%，鲫无损伤，吸鱼泵的平均抽吸鱼量约为28 t/h;在抽吸速度为2.0 m/s的条件下，草鱼、鲤、鲫、鲢和鳙的损伤率较大，分别为5%、1.0%、0.5%、1.0%、0.5%，吸鱼泵的平均抽吸鱼量约为36 t/h(表1)。
表1 吸鱼泵试验数据Tab.1 Test data for fish pumps
3.1 抽吸速度对吸鱼泵内流场的影响
随着计算机技术的迅速发展，数值模拟技术逐渐运用在各个行业。针对自动化捕捞装备，采用CFD数值模拟技术可有效减小设计周期，节省人力物力成本，同时填补了国内在真空吸鱼泵数值研究方面的空白，为新型自动化捕捞装备的开发设计及优化提供了新思路。本研究中，基于CFD数值模拟技术，模拟了真空吸鱼泵内部的气液两相流场，研究了吸鱼泵内流场流动特性，重点分析了3种不同流速对吸鱼泵内部回流、旋涡和速度跳跃等流动特性的演化及发展规律。数值模拟结果表明，泵体内后壁的回流和涡流明显，产生的压力较大，对鱼体有一定的损伤，这与陈士华[30]的研究结果基本吻合。当进鱼管道抽吸速度为1.0 m/s时，吸鱼泵内部流场未有明显的回流、旋涡和速度跳跃等流动特性，在该条件下吸鱼泵的流场合理，对鱼体损伤率相对较低，吸鱼泵内部压力比较均匀且无较大压力差值出现，该结果与试验得到的最佳抽吸速度一致。
此外，数值模拟结果还显示，吸鱼泵右端壁面处压力最大，可能会对鱼体有损伤，今后需对该处进行优化设计，如打磨得更光滑或加入缓冲材料等，以缓冲鱼体对壁面的直接冲击。
3.2 抽吸速度、鱼种对吸鱼泵鱼体损伤率的影响
本研究中，在数值模拟过程中未加入活鱼模型，与实际工作情况会有一定差别。为验证本设计的合理性及数值模拟结果的准确性，采用草鱼、鲤、鲫、鲢和鳙5种鱼开展吸鱼泵样机在3种抽吸速度条件下的吸鱼试验。结果表明：进鱼管道抽吸速度为1.0、1.5、2.0 m/s时，3种抽吸速度对应的吸鱼泵抽吸鱼量分别约为23、28、36 t/h，与设计值(38.5、57.5、77.0 t/h)具有一定的差距，这主要是由于真空泵性能、吸鱼泵整机密封性能及鱼水比较小等原因造成的。随着抽吸速度的增大，单次抽吸的鱼量逐渐增大，但这种增大不会随着抽吸速度的增大呈现几何倍数的增长。此外，鱼体的损伤率也随着抽吸速度的增大而增大，尺寸相对小的鱼类损伤率相对较低，如小规格的鲫直到抽吸速度达到2.0 m/s时才出现损伤，且损伤率仅为0.5%，鲤直到抽吸速度达到1.5 m/s时才出现损伤，且损伤率仅为0.3%，而草鱼体型较长，且比鲤、鲫、鲢和鳙更较容易掉鳞，在高抽吸速度(2.0 m/s)条件下，损伤率为5%。这说明鱼体的损伤程度很大一部分原因取决于自身的鳞片坚硬程度及鱼体尺寸，鱼体尺寸越大，在高速输运过程中越容易损伤。抽吸速度为1.0 m/s时的鱼体损伤率符合实际需求，因此，成为最佳抽吸速度。
吸鱼泵的工作效率主要受进鱼管道的来流速度和集鱼系统的鱼水比影响最大。来流速度越大，吸鱼泵单位时间内的抽吸量越大，工作效率就越高。而真空吸鱼泵的工作效率除与来流速度有关外，还与鱼水比密切相关[36]。有研究显示，当鱼水比为 1∶1时[37]，可达到最佳吸鱼效果。本研究中的吸鱼泵鱼水比在较小范围内(1∶1.5～1.68)，吸鱼泵开始抽吸作业时，鱼水比较大，但随着抽吸的进行，集鱼系统内的鱼水比会逐渐降低，影响了吸鱼泵的工作效率。为了提高吸鱼泵的工作效率，今后需研发高效的集鱼装置，可以将鱼水比维持在一定水平，还可以进一步开展基于CFD数值模拟的双罐吸鱼泵性能研究。
1)当进鱼管道抽吸速度为1.0 m/s时，吸鱼泵内部流场未有明显的回流、旋涡和速度跳跃等流动特性，吸鱼泵内部压力较均匀且无较大压力差值出现，从理论角度而言，该现象对鱼体的损伤率相对较低，同时结合试验结果，说明该条件为最佳抽吸速度。
2)研制的小型真空吸鱼泵，采用20 s吸鱼、10 s放鱼交替循环作业，进鱼管道抽吸速度设为1.0 m/s，此时设备的吸鱼量可达23 t/h，鱼体损伤率最大为2%，说明该吸鱼泵能够实现对活鱼的高效自动吸捕与转运。无论是从理论角度还是从试验角度,均说明本设计有效可行。本研究结果为设计开发池塘养殖用高效真空吸鱼泵提供了技术参考，具有一定的应用价值。
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