楚樹(shù)坡,徐志強(qiáng),張耀明,譚永明,林禮群,,王志勇,

(1.青島海洋科技中心,山東 青島 266237;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備與信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310058;3.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)

魚(yú)類的起捕與輸送是漁業(yè)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié),吸魚(yú)泵因具有自動(dòng)化程度高、工作效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、操作人員少等優(yōu)點(diǎn),在魚(yú)類的起捕與輸送環(huán)節(jié)具有廣闊的應(yīng)用前景。吸魚(yú)泵的研制始于20世紀(jì)50年代,最早應(yīng)用于拖網(wǎng)和圍網(wǎng)漁業(yè)活動(dòng)中漁獲的海上及港口轉(zhuǎn)運(yùn)、卸載操作等[1-2]。隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展,特別是隨著大型深水網(wǎng)箱的推廣應(yīng)用,漁獲量激增,傳統(tǒng)的人工起魚(yú)作業(yè)已無(wú)法滿足要求,自動(dòng)高效的吸魚(yú)泵成為主要起捕工具[3-4]。在南極磷蝦捕撈作業(yè)中,采用吸魚(yú)泵的連續(xù)高效捕撈技術(shù)已成為國(guó)際上最先進(jìn)、最高效的捕撈技術(shù)[5-7]。國(guó)際上普遍使用的吸魚(yú)泵結(jié)構(gòu)型式主要有3種,即離心式、真空式和射流式[8-9]。其中,真空吸魚(yú)泵因無(wú)運(yùn)動(dòng)部件,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工作效率高,能耗較低,對(duì)魚(yú)類無(wú)損傷,適合輸送較大體型的活魚(yú)等優(yōu)點(diǎn),成為國(guó)際上商業(yè)化應(yīng)用最廣的吸魚(yú)泵[10]。

真空吸魚(yú)泵由真空罐、水環(huán)真空泵、控制箱、閥門、儀表以及管道等組成。真空吸魚(yú)泵的工作原理如下：水環(huán)真空泵將真空罐內(nèi)空氣抽出,真空罐內(nèi)形成負(fù)壓,魚(yú)水混合物在真空罐內(nèi)外壓差的作用下,沿吸魚(yú)管進(jìn)入真空罐;達(dá)到排放條件后,在重力(或氣壓)的作用下,魚(yú)水混合物從真空罐的排魚(yú)口排出,從而完成一個(gè)吸/排魚(yú)過(guò)程[11]。目前對(duì)真空吸魚(yú)泵的研究多集中于真空吸魚(yú)泵的設(shè)計(jì)計(jì)算、智能控制以及性能試驗(yàn)[12-19],其中真空吸魚(yú)泵的設(shè)計(jì)計(jì)算主要依賴于工程經(jīng)驗(yàn),存在很大的隨意性和不確定性等缺點(diǎn),如果沒(méi)有豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)的真空吸魚(yú)泵很可能無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者嘗試通過(guò)數(shù)值模擬手段開(kāi)展真空吸魚(yú)泵研究,如田昌鳳等[20]采用Volume of Fluid(VOF)模型研究了不同進(jìn)魚(yú)管道抽吸速度下的真空罐內(nèi)流場(chǎng)分布情況,并基于數(shù)值模擬結(jié)果研制了小型單罐真空吸魚(yú)泵;林禮群等[21]采用VOF模型研究了-30 kPa抽氣壓力下的真空罐內(nèi)流場(chǎng)分布情況以及抽氣壓力對(duì)吸魚(yú)管道進(jìn)口和真空罐進(jìn)口水流速度的影響。

真空吸魚(yú)泵是通過(guò)水環(huán)真空泵對(duì)真空罐抽氣進(jìn)而吸魚(yú)的,故本研究采用VOF模型,以抽氣速度為邊界條件,模擬真空吸魚(yú)泵的吸/排水過(guò)程,獲得過(guò)程中的速度、壓力、相分布等流場(chǎng)信息,以及吸/排水時(shí)間信息,并對(duì)吸捕速率進(jìn)行預(yù)測(cè),以期對(duì)后續(xù)真空吸魚(yú)泵結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

真空吸魚(yú)泵的一個(gè)吸/排水過(guò)程包括吸水和排水2個(gè)階段,本研究對(duì)吸水和排水階段分別進(jìn)行數(shù)值模擬。為了預(yù)測(cè)吸/排周期時(shí)長(zhǎng)及真空吸魚(yú)泵吸捕速率,設(shè)定吸水停止與排水開(kāi)始2個(gè)時(shí)刻的真空罐中液相體積相等。真空吸魚(yú)泵吸水和排水階段的物理模型示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 吸水和排水階段物理模型示意圖注：a：吸水階段;b：排水階段。Fig.1 Sketch of physical model of the suction and discharge stageNotes：a：Suction stage;b：Discharge stage.

真空吸魚(yú)泵吸水和排水階段的物理模型均采用二維模型,真空罐直徑為260 mm,直筒段長(zhǎng)度為370 mm,兩端為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭(長(zhǎng)軸與短軸之比為2),進(jìn)水口直徑為40 mm,出氣口直徑為20 mm,排水口直徑為40 mm,排水開(kāi)始時(shí)刻真空罐內(nèi)液相體積為9 600 mm2。

1.2 控制方程

不考慮魚(yú)類的影響,真空吸魚(yú)泵吸/排水過(guò)程中只涉及水和空氣兩相,兩相之間有著明確的界面,因此可采用多相流中的VOF模型進(jìn)行數(shù)值模擬。VOF模型適用于分層的或自由表面流,是一種重要的運(yùn)動(dòng)界面追蹤方法,由Hirt和Nichols在1981年所提出[22]。此模型定義一個(gè)隨時(shí)間和位置變化的函數(shù)α,用來(lái)標(biāo)識(shí)控制容積內(nèi)目標(biāo)流體的體積與網(wǎng)格體積的比值。當(dāng)α= 1時(shí),表明該控制容積內(nèi)充滿目標(biāo)流體;當(dāng)α=0時(shí),表明該控制容積內(nèi)充滿另一種流體;當(dāng)0<α<1時(shí),表明該控制容積內(nèi)包含相界面。

對(duì)于氣液兩相,氣相設(shè)置為基本相,液相設(shè)置為第二相,本問(wèn)題的控制方程如下[23-25]：

氣相體積分?jǐn)?shù)方程

式(1)

式中,αg為氣相體積分?jǐn)?shù);u為流體速度矢量,m/s;t為時(shí)間,s。

液相體積分?jǐn)?shù)約束方程

αg+αl=1

式(2)

式中,αl為液相體積分?jǐn)?shù)。

連續(xù)性方程為

式(3)

式中,ρ為流體密度,kg/m3。

動(dòng)量方程為

式(4)

式中,p為流體靜壓力,Pa;μ為流體動(dòng)力黏度,kg/(m·s);g為重力加速度,m/s2;F為動(dòng)量源項(xiàng),N/m3。

流體的密度和動(dòng)力黏度定義為：

ρ=αgρg+(1-αg)ρl

式(5)

μ=αgμg+(1-αg)μl

式(6)

式中,ρg、ρl分別為氣相和液相的密度,kg/m3;μg、μl分別為氣相和液相的動(dòng)力黏度,kg/(m·s)。

應(yīng)用CSF(Continuum Surface Tension)模型考慮表面張力的影響,將表面張力作為體積力加到動(dòng)量方程源項(xiàng)中：

式(7)

式中,σ為表面張力系數(shù);k為表面曲率,定義為單位法向量的散度。

式(8)

1.3 模擬方法

采用雙精度求解器進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算,湍流模型采用Realizable k-ε模型,多相流模型采用VOF模型。采用SIMPLEC格式的速度壓力耦合方法進(jìn)行速度場(chǎng)求解,氣相體積分?jǐn)?shù)方程采用顯式時(shí)間步進(jìn)格式,體積分?jǐn)?shù)插值采用Geo-Reconstruct格式。為加速求解收斂,方程求解時(shí)采用NITA(Non-iterative time-advancement scheme)格式和隱式體積力(Implicit body force)處理方式,時(shí)間步大小設(shè)置為1×10-3s。

1.4 初始及邊界條件

對(duì)于吸水階段,邊界條件設(shè)置如下：水池液面設(shè)置為“壓力入口”,數(shù)值為0 Pa(相對(duì)壓力,絕對(duì)壓力則為101 325 Pa,下同);真空罐出氣口設(shè)置為“速度進(jìn)口”;真空罐及吸魚(yú)管內(nèi)壁均設(shè)置為無(wú)滑移壁面。初始時(shí)刻,水池液面以上的吸魚(yú)管內(nèi)部以及真空罐內(nèi)部全部為氣相,初始?jí)毫υO(shè)定為0 Pa。

對(duì)于排水階段,邊界條件設(shè)置如下：真空罐進(jìn)氣口設(shè)置為“壓力入口”,數(shù)值為0 Pa;真空罐出水口設(shè)置為“壓力出口”,數(shù)值為0 Pa;真空罐內(nèi)壁設(shè)置為無(wú)滑移壁面。初始時(shí)刻,真空罐內(nèi)液相體積為9 600 mm2。

1.5 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

采用Gambit對(duì)計(jì)算域劃分網(wǎng)格,網(wǎng)格采用四邊形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。網(wǎng)格的質(zhì)量和數(shù)量對(duì)模擬結(jié)果有著重要影響,在保證網(wǎng)格質(zhì)量的前提下,驗(yàn)證網(wǎng)格數(shù)量對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的影響十分重要。通過(guò)對(duì)同一模型劃分不同的網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行數(shù)值模擬,通過(guò)比較數(shù)值模擬結(jié)果來(lái)驗(yàn)證網(wǎng)格無(wú)關(guān)性[26]。以排水階段為例,選取4套網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值模擬,以排水時(shí)間為參數(shù),結(jié)果如圖2所示。圖2顯示,當(dāng)網(wǎng)格增加到128 704個(gè)時(shí),繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量,排水時(shí)間不再變化。綜合考慮計(jì)算精度和時(shí)間成本,排水階段最終采用網(wǎng)格數(shù)量為128 704個(gè)的模型進(jìn)行模擬。吸水階段亦如此進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。

圖2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Fig.2 Grid independence verification

2 結(jié)果與分析

2.1 吸水階段

隨著對(duì)真空罐不斷抽氣的進(jìn)行,真空罐內(nèi)部壓力降低,低于水池液面處壓力(1個(gè)大氣壓,0 Pa),在水池液面處與真空罐內(nèi)部壓差的作用下,水從水池中進(jìn)入吸水管道和真空罐內(nèi)。吸程為1.0 m,抽氣速度為1.5 m/s時(shí),吸水階段計(jì)算區(qū)域液相體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化的歷程如圖3所示。

圖3 吸水階段液相體積分?jǐn)?shù)演化(H=1.0 m,V=1.5 m/s)Fig.3 The evolution of liquid volume fraction during suction (H=1.0 m,V=1.5 m/s)

2.2 抽氣速度相同而吸程不同時(shí)的吸水模擬

抽氣速度相同(V=1.5 m/s)時(shí),盡管吸程不同,但吸水管道內(nèi)的流速是相等的(均為0.75 m/s),且吸水階段幾乎不變(圖4)。

圖4 吸水管道內(nèi)流速變化曲線(H=1.0 m,V=1.5 m/s)Fig.4 Velocity-time curve in suction pipe (H=1.0 m,V=1.5 m/s)

吸水階段又分為兩個(gè)時(shí)段：吸水初期,隨著吸水過(guò)程的進(jìn)行,真空罐內(nèi)壓力快速降低,水池中的水沿著吸水管道上升,該時(shí)段為壓力快速變化時(shí)段;當(dāng)水上升至水平管道處后,真空罐內(nèi)部的壓力變?yōu)榉€(wěn)定,該時(shí)段為壓力穩(wěn)定時(shí)段(圖5)。

圖5 真空罐內(nèi)的壓力變化曲線Fig.5 Pressure-time curve in canister (H=1.0 m,V=1.5 m/s)

在相同抽氣速度條件下,為使真空罐內(nèi)吸取相同體積(9 600 mm2)的水,隨著吸程的增大,吸水時(shí)間逐漸增加,真空罐內(nèi)穩(wěn)定工作壓力逐漸降低(圖6),這與楚樹(shù)坡等[19]研究中真空吸魚(yú)泵吸水性能試驗(yàn)的結(jié)論一致。吸水時(shí)間的增加,主要是由于吸水管道長(zhǎng)度增大。當(dāng)吸程增大到一定程度后,真空罐內(nèi)穩(wěn)定工作壓力很低,魚(yú)類在被吸上的過(guò)程中,因魚(yú)體內(nèi)外壓差較大,可導(dǎo)致魚(yú)體內(nèi)部損傷[27],因此應(yīng)根據(jù)所吸魚(yú)能夠承受的體內(nèi)外壓差限定最大吸程。

圖6 真空罐內(nèi)壓力、吸水時(shí)間與吸程的關(guān)系Fig.6 Pressure in canister and suction time with different suction heights

2.3 吸程相同而抽氣速度不同時(shí)的吸水模擬

吸程相同時(shí),為使真空罐內(nèi)吸取相同體積(9 600 mm2)的水,隨著抽氣速度的增大,吸水時(shí)間逐漸減少,真空罐內(nèi)穩(wěn)定工作壓力逐漸降低,吸水管道內(nèi)流速逐漸增加(圖7)。

圖7 真空罐內(nèi)壓力、吸水管道內(nèi)流速與抽氣速度的關(guān)系Fig.7 Pressure in canister and velocity in suction pipe with different extraction speeds

在真空吸魚(yú)泵實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn),吸水管道內(nèi)速度過(guò)大時(shí),水流進(jìn)入真空罐后,初期會(huì)劇烈撞擊真空罐內(nèi)壁,水流中若有魚(yú),則魚(yú)會(huì)因撞擊堅(jiān)硬的真空罐內(nèi)壁而損傷;隨著真空罐內(nèi)部水量增加,后期進(jìn)入真空罐內(nèi)部的高速水流會(huì)沖擊已有水體,導(dǎo)致水體劇烈擾動(dòng),水流以及水體中若有魚(yú),則會(huì)導(dǎo)致魚(yú)類之間相互摩擦而損傷。抽氣速度為2.5 m/s時(shí)的數(shù)值模擬結(jié)果可以明顯地看到真空罐內(nèi)部出現(xiàn)了劇烈的水流擾動(dòng)(圖8)。盡管增大抽氣速度會(huì)縮短吸水時(shí)間,提高吸捕速率,但若抽氣速度過(guò)大,導(dǎo)致魚(yú)類撞擊真空罐內(nèi)壁以及魚(yú)類之間相互摩擦而損傷,反而得不償失。再者,降低抽氣速度,也會(huì)降低水環(huán)真空泵投資以及能耗,降低設(shè)備購(gòu)置成本以及運(yùn)營(yíng)成本。因此,設(shè)計(jì)真空吸魚(yú)泵時(shí)應(yīng)控制抽氣速度在適宜的范圍內(nèi)。

圖8 真空罐內(nèi)的速度矢量圖(H=1.0 m,V=2.5 m/s)Fig.8 Velocity vector profile in canister (H=1.0 m,V=2.5 m/s)

2.4 排水階段模擬

排水階段,在重力(或加壓)的作用下,真空罐內(nèi)的水從排水口排出,水逐漸減少,直至全部排光。排水階段計(jì)算區(qū)域液相體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化的歷程見(jiàn)圖9。

圖9 排水階段液相體積分?jǐn)?shù)演化Fig.9 The evolution of liquid volume fraction during discharge

數(shù)值模擬結(jié)果顯示,經(jīng)過(guò)2.5 s即可將真空罐內(nèi)9 600 mm2的水排完,排水階段排水口處的速度隨時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖10。經(jīng)計(jì)算,排水階段排水口的平均流速為0.96 m/s。

圖10 真空罐排水口速度-時(shí)間曲線Fig.10 Velocity-time curve at canister outfall

3 討論

設(shè)計(jì)某規(guī)格的真空吸魚(yú)泵時(shí),設(shè)計(jì)輸入條件為吸捕速率、吸程、所吸魚(yú)的生長(zhǎng)參數(shù)以及所吸魚(yú)的極限游速等數(shù)據(jù)。真空吸魚(yú)泵的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程為：首先假定一個(gè)吸/排周期時(shí)長(zhǎng),通過(guò)計(jì)算確定單個(gè)吸/排周期內(nèi)的吸水量,而后再確定真空罐的參數(shù);抽氣時(shí)間同時(shí)又是計(jì)算選定水環(huán)真空泵的一個(gè)重要參數(shù),有了抽氣時(shí)間、真空罐容積、真空罐內(nèi)穩(wěn)定工作壓力等參數(shù),通過(guò)計(jì)算確定水環(huán)真空泵的抽氣速度,進(jìn)而選擇水環(huán)真空泵的規(guī)格型號(hào)[11-14]。從真空吸魚(yú)泵的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程可以看出,計(jì)算的初始條件(吸/排周期時(shí)長(zhǎng))是假定的,而不是已知的,因而真空吸魚(yú)泵的設(shè)計(jì)計(jì)算具有很大的隨意性和不確定性;如果沒(méi)有豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)很可能失敗。通過(guò)數(shù)值模擬,可以得到準(zhǔn)確的吸水時(shí)間、吸程、真空罐內(nèi)壓力、吸水管道內(nèi)流速、抽氣速度等的關(guān)系以及排水時(shí)間,根據(jù)此數(shù)值設(shè)計(jì)出來(lái)的與所需要的真空吸魚(yú)泵更為接近,而且可以縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間,降低開(kāi)發(fā)成本,因此數(shù)值模擬是設(shè)計(jì)真空吸魚(yú)泵非常有效的手段。

根據(jù)本研究的數(shù)值模擬結(jié)果,真空吸魚(yú)泵的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：當(dāng)吸程為1.0 m、抽氣速度為1.5 m/s時(shí),吸水時(shí)間為3.2 s,吸水管道內(nèi)的流速為0.75 m/s,真空罐內(nèi)的穩(wěn)定工作壓力為-11 533 Pa,吸入真空罐內(nèi)的水量為9 600 mm2,排水時(shí)間為2.5 s,吸/排水周期時(shí)長(zhǎng)為5.7 s,該真空吸魚(yú)泵的吸捕速率計(jì)算值為6.06 m2/h。需注意的是,因?qū)嶋H工作過(guò)程中真空吸魚(yú)泵的吸水口處設(shè)有止回閥或其他截止閥門,第一次吸水結(jié)束后吸魚(yú)管道內(nèi)的水僅少量回流,所以真空吸魚(yú)泵設(shè)計(jì)計(jì)算中的吸水時(shí)間應(yīng)為數(shù)值模擬得到的吸水時(shí)間與水充滿吸魚(yú)管道所用時(shí)間的差值。

4 結(jié)論

基于VOF模型,以抽氣速度為邊界條件,對(duì)真空吸魚(yú)泵的吸水和排水階段進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到了速度、壓力、相分布等流場(chǎng)信息。通過(guò)數(shù)值模擬,可以得到準(zhǔn)確的吸水時(shí)間、吸程、真空罐內(nèi)壓力、吸水管道內(nèi)流速、抽氣速度等的關(guān)系以及排水時(shí)間,進(jìn)而根據(jù)此數(shù)值開(kāi)展真空吸魚(yú)泵設(shè)計(jì),而且可以極大縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間,降低開(kāi)發(fā)成本,因此數(shù)值模擬是設(shè)計(jì)真空吸魚(yú)泵非常有效的手段。

由于本研究的物理模型根據(jù)實(shí)物進(jìn)行了一定比例縮放,數(shù)值模擬結(jié)果尚不能指導(dǎo)實(shí)際真空吸魚(yú)泵設(shè)計(jì),下一步將按照真空吸魚(yú)泵實(shí)際尺寸進(jìn)行等比例三維建模,并進(jìn)行數(shù)值模擬研究,更加有效地輔助真空吸魚(yú)泵設(shè)計(jì)。