喉管与喷嘴截面积比对射流式鱼泵输送性能及鱼损的影响

2019-06-20徐茂森龙新平牟介刚郑水华周佩剑吴登昊

农业工程学报 2019年9期

徐茂森，龙新平，牟介刚，郑水华，周佩剑，任芸，吴登昊

（1. 浙江工业大学机械工程学院，杭州 310023；2. 武汉大学水射流理论与新技术湖北省重点实验室，武汉 430072；3. 浙江工业大学之江学院，绍兴 312030）

0 引言

水产品是人类重要的食物来源。2013年，全世界超过30亿人近20%的日均动物蛋白摄入量由水产品提供[1]。网箱养殖是水产养殖中重要且先进的生产方式[2]，但由于近海海洋破坏及养殖区域环境污染，网箱养殖的主要作业区域渐渐地由内湾和近海向深远海拓展[3]。大型深水网箱的广泛使用也促进与其配套的渔获装备迅速发展。因此，作为水产养殖业配套设备的吸鱼泵有着广阔的发展空间。

国外鱼泵的研制工作早在20世纪四、五十年代便已开始，现已取得较大的发展，一些渔业发达国家如挪威、美国、日本、丹麦及俄罗斯等在网箱养殖中普遍使用吸鱼泵[4]。吸鱼泵的主要类型有离心式、真空式、空气扬升式与射流式鱼泵。离心式鱼泵采用离心泵的原理并对离心泵的叶轮进行特殊设计，其产量较大，但旋转的叶轮极易造成较大鱼损。与之相比，真空式鱼泵和空气扬升式鱼泵对鱼类的损伤较小，但效率均偏低[5-6]。在诸多鱼泵中，射流式鱼泵结构简单且内部无运动部件，输送过程对鱼类造成损伤小，能够实现鱼类不间断输送，并且可以输送鱼类的种类多，综合效益高，具有十分广阔的应用前景[7]。目前，射流式鱼泵的研究主要集中于泵体结构设计[8]、鱼类输送性能[9]、泵内鱼类运动特征[10]及输送过程中鱼类的应激响应[11]等方面。而学者们却较少关注射流式鱼泵结构参数对输送性能及鱼类损伤的影响。该研究与生产实践紧密相关，也是射流式鱼泵优化设计的重要依据，其对高效无损鱼类输送的发展有着重要意义。

射流式鱼泵的本质是一类环形射流泵[12]，其宽阔的流道非常适合物料输送[13-14]，在其诸多结构参数中，喉管与喷嘴截面积比是其最重要的结构参数，该参数决定着泵的性能[15]。王振恒等[16]数值计算了不同喉管与喷嘴截面积比的环形射流泵内部流场，得到了喉管与喷嘴截面积比为 3时环形射流泵效率最高的结论。曾庆龙等[17]则系统地对喉管与喷嘴截面积比为1.75的环形射流泵开展了结构优化设计研究，运用试验设计（design of experiments，DOE）和计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）技术寻求环形射流泵效率最高时的最佳结构尺寸组合。为此，本文采用试验的方法分别研究喉管与喷嘴截面积比为1.75和3射流式鱼泵的输送能力及能耗，统计过泵鱼类的表观损伤，检查其主要脏器的损伤情况并检测相关血清指标。本文研究了射流式鱼泵喉管与喷嘴截面积比对输送性能及鱼类损伤的影响规律，为今后射流式鱼泵的深入研究与优化设计提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本文将鲫鱼作为试验对象，其购自湖北省团风县百容水产良种场，并使用活鱼充氧袋运送至试验台。各尾鲫鱼尺寸均匀，平均质量33.8 g，平均体长108.7 mm，平均体宽32.8 mm。

1.2 试验装置

基于之前的研究成果[18-22]，本文设计了如图 1所示的射流式鱼泵。其主要由被吸管、工作管、环形喷嘴、收缩室、喉管及扩散管等 6个部分组成。其中喉管直径Dt是关键尺寸，决定了可通过鲫鱼的大小，可视为该泵的特征尺寸。本文采用Dt=60 mm的喉管，工作管、被吸管和出口管直径分别为 Dp=100 mm、Ds=80 mm和Dd=125 mm。同时，本文设计了一种控比环结构，通过调节控比环内径Dr与泵体结构的配合，可形成不同喉管与喷嘴截面积比（m=1.75和 3），该环具有控制喉管与喷嘴截面积比准确、更换方便等优点。射流式鱼泵的工作原理可以简述为：高压工作流体通过工作管后经环形喷嘴射出，在收缩室内形成高速射流，并对低压被吸流体（鱼水混合物）产生强烈的卷吸作用；鱼水混合物经被吸管与工作流体在收缩室和喉管内剧烈掺混；之后，鱼水混合物经扩散管增压后排出。

图1 射流式鱼泵结构示意图Fig.1 Sketch of jet fish pump structure

射流式鱼泵的主要性能参数定义如下：喉管与喷嘴截面积比：

流量比：

压力比：

泵效率：

水功率：

输送能力：

单位质量能耗：

式中At为喉管截面积，mm2；Aj为环形喷嘴截面积，mm2；Qs为被吸流体流量，m3/h；Qp为工作流体流量，m3/h；Pc为混合流体出口压力，kPa；η为泵效率，%；Pp为工作流体压力，kPa；Ps为被吸流体压力，kPa；Pw为水功率，kW；ηf为输送能力，kg/h；mf为输送鱼总质量，kg；t为输送时间，h；Ef为单位质量能耗，kW∙h/t。

试验鱼在试验之前均需暂养半个月，其所处环境需清洁以降低病害发生可能性。本文为射流式鱼泵输鱼试验设计了如图2所示的试验台，其兼顾暂养及试验2个功能，具有内循环过滤水系统以保障水环境的清洁。为降低鱼类损伤，射流式鱼泵出口管段不安装阀门，出口压力由出口管末端高度控制（可在1.84～2.24 m范围内调节）。射流式鱼泵的高压工作流体由离心泵（扬程32 m，流量200 m3/h）提供，流量可由离心泵出口阀门控制。

图2 射流式鱼泵试验台Fig.2 Experiment rig of jet fish pump

试验采用科隆（Krone）分体式电磁流量计测量流量。2个电磁流量计分别布置于工作管和出口管，测量精度介于0.20%～0.30%。射流式鱼泵工作管入口、被吸管入口和出口管上分别安装一支压力传感器，喉管和扩散管上分别均布4支和6支压力传感器，所用传感器测量误差均不超过0.5%，数据采集频率1 000 Hz。

1.3 试验方案

本试验采用喉管与喷嘴截面积比分别为1.75和3的2个射流式鱼泵进行鲫鱼输送试验，为保证试验鱼在进入射流式鱼泵收缩室前处于相同的流速环境，输送过程中所产生的差异均由喉管与喷嘴截面积比的不同而造成，经预试验后，本文试验工况如表1所示。

表1 试验工况Table 1 Experiment condition

在上述4个工况中，本文采用10 kg鲫鱼分别进行每个工况的输送试验，每个工况重复 4次（试验鱼不重复使用，总计160 kg），并分别记录输送时间。工况1和3输送结束后，将试验鱼从回收箱中取出，并随机取其中80尾鲫鱼，均分为4组放入4个网箱，并以0，1，6和24 h命名上述4组试验鱼。待达到相应时间（例如：0 h为回收箱取出后立刻，1 h为回收箱取出后1 h），将试验鱼从相应网箱中取出并放入含有MS-222（鱼用麻醉药）的水中。待试验鱼麻醉后，将其从水中取出，在其尾静脉处取血，经离心后得到血清样本。采用西门子 ADVIDA 2400全自动生化分析仪检测血清中谷丙转氨酶 ALT（alanine aminotransferase）活性和肌酐Cr（creatinine）浓度。ALT常用于衡量肝脏损伤，其主要在肝脏中合成，广泛地分布在各组织器官，而在肝中含量最高；当肝脏受损时其血清中的含量会明显升高，故其常作为反映肝脏损伤的最主要指标之一[23-26]。Cr是反映肾脏功能的重要指标，其经由肾脏过滤后排出，当肾脏受损时，其过滤能力下降，血清中的Cr含量上升，故其能够较为准确地反映肾脏损伤情况[27-28]。除了检测上述血液指标，本文也统计了试验中鲫鱼出现的表观损伤，主要包括碰撞伤、鳞片脱落和鳃盖损伤等。鱼体碰撞伤（身体挫伤）可能引起鱼体感染（如小瓜虫病），是水产养殖的重大隐患[29]。鱼鳃血管发达、气体交换效率高但血管壁较薄，硬骨鱼鳃盖是保护鳃瓣的重要屏障，而鳃盖损伤则导致鱼鳃极易受到损伤及感染，继而影响鱼类代谢及健康[30]。鱼鳞有着非常重要的机能，其可以为鱼体阻隔水环境中的微生物并有效抵抗疾病，鱼鳞脱落则导致鱼体感染的风险显著提高，而少量鳞片脱落并不会对鱼类造成太大影响。本文采用40尾未被射流式鱼泵输送的试验鱼作为对照组CK（control check），进行上述相同的操作。

2 结果与分析

2.1 喉管与喷嘴截面积比对泵输送性能的影响

鱼类输送能力和单位质量能耗是衡量射流式鱼泵输送性能的重要指标。经试验测定，喉管与喷嘴截面积比为1.75和3的射流式鱼泵输送鱼类过程中的鱼水比（质量比）分别为1:27和1:42。图3所示为不同喉管与喷嘴截面积比的射流式鱼泵在相同被吸流体流量下的输送能力。从图中可以看出，喉管与喷嘴截面积比较小的射流式鱼泵的输送能力均较强，随着被吸流体流量的增加，不同喉管与喷嘴截面积比射流式鱼泵的输送能力均增加，但增加幅度却不同。在Qs=51 m3/h工况下，m=1.75的射流式鱼泵输送能力达到1 913 kg/h，比Qs=40 m3/h工况下的输送能力增加26.9%；而对于m=3的射流式鱼泵，其输送能力仅从943 kg/h（Qs=40 m3/h）增长至1 165 kg/h（Qs=51 m3/h），增幅仅为23.5%。值得注意的是，在相同的被吸流体流量工况下，m=1.75与m=3射流式鱼泵输送能力之差，从564 kg/h（Qs=40 m3/h）扩大至748 kg/h（Qs=51 m3/h）。在相同被吸流体流量下，喉管与喷嘴截面积比较小的射流式鱼泵高压工作流体流量较大，且对被吸流体的卷吸能力较强，两者掺混后的混合流体流量较大。因此，在相同被吸流体流量下，喉管与喷嘴截面积比较小的射流式鱼泵鱼类输送的能力较强。

图3 不同喉管与喷嘴截面积比射流式鱼泵输送能力Fig.3 Transportation capacity for jet fish pumps with different sectional area ratios of throat to nozzle

根据公式（5）可计算出4个试验工况的水功率。经计算，m=1.75射流式鱼泵在Qs=40 m3/h和Qs=51 m3/h工况的水功率分别为2.01和2.89 kW，均分别小于m=3射流式鱼泵相应工况下的水功率（2.25和 3.29 kW）。而m=1.75射流式鱼泵在相应工况下的输送能力较强，则可以得到结论：在相同被吸流体流量下，喉管与喷嘴截面积比较小的射流式鱼泵单位质量能耗较小，如图4所示。

图4 不同喉管与喷嘴截面积比射流式鱼泵单位质量能耗Fig.4 Energy consumption per unit mass for jet fish pumps with different sectional area ratios of throat to nozzle

随着被吸流体流量的增加，单位质量能耗均增加，但增加幅度却不同。在Qs=51 m3/h工况中，m=1.75的射流式鱼泵单位质量能耗为1.51 kW∙h/t，比Qs=40 m3/h工况下的单位质量能耗增加13.5%；而对于m=3的射流式鱼泵，其单位质量能耗从2.39 kW∙h/t（Qs=40 m3/h）增长至2.82 kW∙h/t（Qs=51 m3/h），增幅为18%。在相同的被吸流体流量工况下，m=1.75与m=3射流式鱼泵输送能力之差，从 1.06 kW∙h/t（Qs=40 m3/h）扩大至 1.31 kW∙h/t（Qs=51 m3/h）。因此，在相同被吸流体流量下，喉管与喷嘴截面积比较小的射流式鱼泵单位质量能耗较低。

2.2 喉管与喷嘴截面积比对鱼类表观损伤的影响

除了射流式鱼泵的输送性能，鱼类损伤也是生产实践中关注的重点。本文将鳞片脱落面积占总体表面积小于 10%的损伤定义为轻度损伤，将鳞片脱落面积占总体表面积大于 10%的损伤、碰撞伤和鳃盖损伤定义为重度损伤，本文试验中鲫鱼损伤情况如表2所示。

表2 鲫鱼表观损伤率统计Table 2 External injury rate statistics for Carassius auratus

从表2中可以发现，对于2种面积比的射流式鱼泵，轻度损伤均是射流式鱼泵输鱼过程中鱼类损伤的主要类型，约占总过泵鱼类的10%，其占比明显高于重度损伤；相同喉管与喷嘴截面积比射流式鱼泵中，被吸流体流量较大的工况，鱼类损伤率均较高；在相同被吸流体流量下，喉管与喷嘴截面积比较小的射流式鱼泵中鱼类轻度损伤率较高，而由喉管与喷嘴截面积比差异造成的鱼类重度损伤率差异较小。上述损伤结果的差异可能是由射流式鱼泵内两股流体掺混过程中的复杂剪切流动造成的。在相同被吸流体流量下，喉管与喷嘴截面积比较小的射流式鱼泵工作流体流量较大，其与被吸流体掺混过程较长，而在两股流体掺混的过程中存在较为强烈的剪切流动，该剪切流动极易造成鱼类鳞片脱落，故喉管与喷嘴截面积比较小的射流式鱼泵输送过程中，鱼类轻度损伤率较高。

2.3 喉管与喷嘴截面积比对鱼类主要脏器的影响

本文试验发现在过泵后少数试验鱼肝脏表面出现了弥漫性出血现象，即表明射流式鱼泵的输送过程也可能影响到鱼类主要脏器。表 3所示为鲫鱼通过射流式鱼泵后血清ALT活性和Cr浓度的变化。

表3 血清指标Table 3 Serum index

由表 3可知，鲫鱼在通过射流式鱼泵后，其血清中ALT活性持续增加，即提示其肝脏可能受到射流式鱼泵输送过程的影响。其中，鲫鱼在被m=3的射流式鱼泵输送后，其ALT活性在24 h时与对照组CK相比出现了显著性差异，则提示鲫鱼肝脏可能受到了损伤，亦表明喉管与喷嘴截面积比较大的射流式鱼泵的输送过程对鲫鱼肝脏造成的损伤较严重。该损伤可能是由射流式鱼泵内的低压区域造成的，鱼类在通过该区域时，其肝脏毛细血管血液中可能有气体析出甚至部分液体气化，产生大量气泡并堵塞血管，甚至造成血管破裂，造成肝脏损伤，表现为肝脏表面出现了弥漫性出血。

而与ALT活性的变化规律不同，鲫鱼通过不同喉管与喷嘴截面积比的射流式鱼泵后，其血清Cr浓度均表现出先上升后下降的趋势。值得注意的是，鲫鱼血清中 Cr含量在6 h （m=1.75）和1 h（m=3）时刻均与各自对照组相比出现了显著性差异，但在24 h时均表现出与各自对照组无显著性差异，则表明鲫鱼肾脏在经过射流式鱼泵输送后可能受到了损伤但是这种损伤是可以恢复的。