深远海养殖自动投饲系统仿真分析与试验验证

黄建伟，骆 意，魏树辉，陈铭治，朱端祥，刘亮清

(1 中国船舶集团有限公司第七一一研究所，上海，200090;2 船舶与海洋工程特种装备和动力系统国家工程研究中心，上海，200090;3 上海海事大学商船学院，上海，201306)

国内外相对成熟的深远海养殖装备包括深海网箱、养殖工船等[1-2]，自动投饲系统作为核心养殖设备，其性能与自动化程度深刻影响到养殖效益、人工劳动强度，是深远海智能化与自动化养殖的重要组成部分[3-4]。深远海养殖装备上，颗粒饲料自料仓至投喂点的输送距离在100 m以上，如挪威AKVA的CCS90系统最大投喂距离可达800 m[5-6]。自动投饲系统的输送管道需根据养殖装备的结构进行布置，容易因系统设计不合理出现管道堵塞、饲料破损的情况，造成系统故障与饲料破碎[7-8]。国内现有鱼类投饲机多针对池塘或陆基养殖车间开发，投喂距离短、结构简单，无法满足养殖工船、深海网箱的应用要求。

为研究颗粒在管道内的运动过程，众多学者[9-11]基于气固两相流建立了许多分析方法，计算流体力学和离散单元法的耦合方法(CFD-DEM)因可分析颗粒与气流之间的相互作用，颗粒与其他物体之间的接触情况，被广泛采用。Turidsynnøve等[12]研究了3种三文鱼颗粒饲料在不同风速及进料速率下的颗粒破碎情况，发现在高风速和低进料速率下，颗粒破碎率最高。胡昱等[13]针对深水网箱用自动投饵系统颗粒饲料输送易阻塞、易破损的情况，借助CFD-DEM模拟分析了颗粒饲料初始加速阶段到稳定阶段的运动状态，并将结果用于优化下料口管路结构。总体而言，国内外深远海投饲系统多借助流体仿真优化局部关键管路结构，使用流体仿真对投饲系统全局进行仿真分析的研究较少。

本研究针对养殖工船、深海网箱等装备鱼类饲料长距离自动投喂需求，开展基于气力输送原理的自动投饲系统性能验证，使用CFD-DEM方法分析颗粒饲料在100 m管道气力输送过程中下料口、弯管等处饲料堵塞、运动轨迹及饲料碰撞的情况，并通过试验样机对性能进行验证，以确保研制的自动投饲系统不易堵塞、饲料破碎率低，满足深远海养殖的使用要求。

1 系统设计与研究方法

1.1 系统设计

本研究研制的自动投饲系统由罗茨风机、空气冷却器、监测组件、下料装置、投料选择器、旋转布料器等组成。罗茨风机产生饲料输送气源，空气冷却器用于输送气流冷却，监测组件用于管道参数监测，下料装置用于饲料计量、气料混合，投料选择器用于管路切换，旋转布料器实现饲料布料。

参考相关学者[14-16]对稀相气力输送系统的设计过程，自动投饲系统设计的关键在于确定饲料输送量、混合比、输送风量、输送管径、管路压损等参数，并形成管路布置及设备选型方案。

混合比m为输送气体中输送物料的质量浓度，公式如下：

m=Gs/G0

(1)

式中：m为混合比，kg/kg；Gs为饲料质量流量，kg/h；G0为气体质量流量，kg/h。

输送风量Q0为常温常压(20℃，101.325 kPa)输送饲料所需的有效风量，公式如下：

(2)

式中：Q0为常温常压下有效风量，m3/h；ρ0为常温常压下气体密度，空气为1.20 kg/m3。

根据Q0以及气流速度va，可计算得到输送管道内径，公式如下：

(3)

式中：D为管道内径，m；va为气体流速，m/s。

本研究设计的系统饲料输送量Gs为500 kg/h，参考均匀粒状气压输送过程中“va=16～25 m/s，m=2～4”的设计经验值[17]，选定m=2.53，va=20 m/s(101.325 kPa)，根据式(1)～(3)计算得到输送风量Q0为165 m3/h，管道内径D为54 mm，系统管路压损由流体仿真得出。试验时选择风量范围100～230 m3/h、最大升压50 kPa的变频罗茨风机，各设备之间的连接使用HDPE管道(外径63 mm，内径54 mm，耐压0.8 MPa)。

结合林礼群等[8]、庄保陆[6]的研究成果，本研究设计了系统下料口、投料选择器管的路结构。下料口为逐步收缩结构，饲料进入管路后在此处与高速气流相互作用被加速与气流一起前进，避免饲料下落后在此处堆积。投料选择器为S型弯管结构，可在机电结构作用下转动，对接在不同出口，实现一套投饲系统对深海养殖装备多个养殖水体的依次投喂。系统设计时对下料口的长度、收缩角，投料选择器的曲率半径以及角度结合局部流体仿真做了专门设计，以满足深远海养殖的实用需求，优化设计完成后的具体管路结构如图2所示。

图2 下料口(左)与投料选择器(右)管路结构

本研究开展的仿真分析与样机试验，主要为获取颗粒饲料在优化设计后的系统管路中的运动规律、全局压降并验证系统性能。

1.2 试验材料

本研究使用的仪表包括涡街流量计(35～350 m3/h，精度±1.5%R)，压力传感器(0～100 kPa，精度±0.5%FS)，标准筛(10目、12目)，卷尺(10 m，精度1 mm)，电子秤(0～100 kg，精度1g)，智能电测表(PZ96L-E4/M)。使用某品牌大黄鱼饲料开展研究，根据通用方法[6,18]测定了饲料的真实密度、平均粒径、平均高度等参数。

1.3 仿真方法

采用STAR-CCM+(v14.06.012)软件，基于CFD-DEM方法开展流场仿真，针对气(连续相)、固(离散相)两相开展计算。连续相通过求解k-ε的瞬态RANS(雷诺-平均NS方程)确立动量守恒方程，并求解质量守恒方程，采用恒密度状态方程，将流域划分为网格，在网格处以积分形式的N-S和连续性方程求解连续相。整体流域计算为隐式非定常计算，求解为二阶精度离散，使用AMG线性求解器。[19-22]

1.4 试验方法

保持管路布局、系统参数与仿真一致，根据投饲系统行业标准[23]、邵恺怿等[24]的相关方法，开展500 kg/h下料速度的样机试验，以验证仿真精度；随后开展1 000、1 500 kg/h下料速度的样机试验，以验证系统性能，获得管路流量、压力、用电功率、饲料破碎率、计量误差等系统参数。

2 流场仿真及结果

2.1 几何模型

深远海鱼类养殖饲料种类众多，密度、尺寸各不相同，输送过程中可能因为过低的气流速度导致管路颗粒堵塞堆积，或者过高的气流速度导致颗粒破碎加剧、管路压降增大、管道磨损[22,25]。多球面饲料离散元模型如图3所示。

图3 多球面饲料离散元模型

本研究所用饲料接近于直径9.60 mm，高度6.20 mm的圆柱体，使用particle工具创建饲料颗粒离散元模型，采用8个直径为4.80 mm的球体聚合成形成，离散元模型构建同胡昱等[13]的相关研究。仿真模型中饲料的物料属性及饲料与管道内壁的接触参数如表1所示。

表1 CFD-DEM模型中物料属性与接触参数

为提高计算速度，简化系统建立几何模型，下料口、投料选择器及旋转布料器仅建立管道部分模型。管路总长度约100 m，内径为54 mm。其中：气流入口经下料口至投料选择器入口长度为6.5 m，投料选择器S型管路长度为1.40 m(具体见图2)，投料选择器出口至布料器入口处的管路长度为91.10 m，自动投饲系统管路结构如图4所示。

图4 自动投饲系统管路结构

2.2 流场计算域与网格划分

流场计算域中，在下料器处设置饲料喷射器，管壁设置为无滑移壁面，出口处设置为零压出口。对于饲料颗粒选择离散元方法，开启双相耦合，并选择大颗粒平滑。使用切割体和棱柱层网格生成器进行网格划分，共划分了6 150 233个网格。罗茨风机压力与质量流率关系如表2所示。颗粒饲料瞬时质量流率如图5所示。

表2 罗茨风机压力与质量流率关系

图5 颗粒饲料瞬时质量流率

罗茨风机的压力与输送风量根据风机特性设置，压降点之间的数值采用线性插值获取。采用梯形设置方法设置饲料下料速率，平均流率为500 kg/h，风机启动3s后开始进入下料阶段。

2.3 仿真结果分析

2.3.1 饲料加速过程分析

仿真的气流压降、粒子平均速度稳定，并且残差曲线收敛到平稳状态后，认为流场仿真处于相对稳定状态，本研究后续分析均选择稳定状态数据。饲料进入管道后与输送气流混合，因饲料占据了下料口部分空间，导致气流在此处被局部加速，产生比入口更高的气流速度(此时入口处平均流速23.66 m/s)；由于气-固两相之间存在着较大速度差，气流对饲料产生拖拽力，使得饲料不断被加速，加速过程中气、固两相不断进行动量和能量交换[26]。颗粒饲料管路加速过程分析如图6所示。

图6 颗粒饲料管路加速过程分析

在距离下料口8 m处(X方向)，大部分饲料被加速到8.5 m/s左右(全局平均流速)，自下料口与投料选择器处的管段内均未发生堵塞现象。但是，管路中也存在着成团输送的情况，主要原因在于部分饲料速度较慢，被后端速度较快的饲料追赶上导致的，该现象也出现在黄杨清[18]的试验结果中。

2.3.2 管路饲料混合比分析

以投料选择器出口为原点，选取4个长度为1.0 m的统计段。在X方向上，第一个统计段距离原点3.5 m，第二、三、四个统计段距离原点均为6.0 m。混合比管路统计段位置如图7所示。

图7 混合比管路统计段位置

根据每个管段中饲料与气体质量计算统计段混合比，分析时段的统计时间为气流进入管路开始26.345 6～26.695 5 s，管路统计段位置的饲料混合比如图8所示。

图8 管路统计段位置的饲料混合比

在第一个统计管段，混合比范围为30～40之间，此处距离下料口近，饲料集中进入且速度缓慢，形成整体前进的状态，因此管路混合比明显大于后续统计管段。[13]

在第二个统计管段及后续管段中，大部分饲料被加速到8.5 m/s左右，在颗粒间的碰撞、颗粒与颗粒之间的碰撞、场内旋涡等作用下，饲料在管路中处于较为分散的状态，统计管段的混合比随着距离增长，较前一管段呈现下降趋势。由于梯形下料的设置，且管路中存在着部分饲料成团输送的情况，因此混合比随时间变化存在一定的波动。

2.3.3 管路压降分析

在Gs=500 kg/h，Q0=165 m3/h的工况下，分别在下料口、投料选择器、投料选择器后直管段(长度设置为1 m)、第1、4个管路弯管、旋转布料器的进、出口等处设置统计截面，在26.345 6 s～26.695 5 s时间段内，根据该时段内进、出口压力平均值的差值得到全局与局部压降。

100 m气力输送管路全局压降为18 kPa，其中下料口、投料选择器等处的单位长度压降明显大于其他位置，弯管的单位压降大于直管段。下料口处，饲料进入管路占据了部分管路体积，输送气流在此被局部加速，因为气、固相之间存在较大速度差，气流不断对颗粒饲料做功，因此下料口处单位压降大。投料选择器处，饲料群仍处于加速过程，气、固两相经过该段管路与管壁存在较多碰撞，且存在着克服颗粒群重力势能提升的过程，因此单位压降比水平弯管高[11]。气力输送过程压降统计如表3所示。

表3 气力输送过程压降统计

2.3.4 管路堵塞与饲料碰撞分析

从饲料进入管路至离开旋转布料器，饲料在管路中的最大停留时间为12.1 s，说明管路中未出现堵塞、堆积的情况，输送管路设计较为合理。

在全局流场仿真中，稳定状态下管道中的饲料总数约11 000个，与管壁、饲料颗粒之间存在碰撞的饲料总数约3 000个，占比27.3%，根据统计结果碰撞主要发生在下料口、投料选择器、弯管、旋转布料器等处，这是因为在饲料加速、输送方向转变时碰撞较频繁，而饲料在直管段中处于悬浮输送状态，碰撞出现较少。根据相关研究[27-28]，弯管处容易引起饲料破碎、管路堵塞及管壁磨损，输送系统中应尽量减少弯管使用数量。气力输送饲料颗粒碰撞情况如图9所示。

图9 气力输送饲料颗粒碰撞情况

3 系统试验及结果

结合流场仿真的管道模型，完成自动投饲系统试验样机搭建。试验时结合涡街流量计将管道流量调整到165 m3/h，待气流稳定后依次将下料速度调整为500、1 000、1 500 kg/h(每次试验前在料仓中装入250 kg大黄鱼饲料)，每次试验时间为3 min，重复3次。

结合相关方法[23-24]及仪表测得计量误差、全局压降、饲料破碎率、布料器旋转速度、风机功率参数。自动投饲系统试验样机现场布置如图10所示。自动投饲系统性能试验结果如表4所示。

图1 自动投饲系统组成

注：1-罗茨风机，2-空气冷却器，3-监测组件，4-下料装置，5-投料选择器，6-旋转布料器，7-电控柜

表4 自动投饲系统性能试验结果

根据试验结果，系统计量误差0.80%～1.30%，饲料破碎率0.40%，吨料能耗为3.11～6.40 kW·h。而行业标准中[29]，投饲系统要求平均破碎率≤2%，吨料能耗5.5～9.0 kW·h/t。对比Gs=500 kg/h，Q0=165 m3/h下仿真与试验结果，全局压降分别为18.0 kPa与17.0 kPa，仿真精度达到94.4%，流场仿真得到的饲料运动规律可辅助实物系统的结构设计与优化，全局管路压降可用于指导罗茨风机选型。

在系统试验中，当输送风量不变，随着下料量增大，管路全局压降增大，由于罗茨风机功率正比于压降与空气流量乘积[27,30]，所以系统能耗增加。当管路输入风量一致，高下料量管路中饲料体积占比更大，末端管路风速较大，因旋转布料器的自转主要源于出口气流的反作用力，所以布料器旋转速度更高。针对系统投饲能力，尽管可达到1 500 kg/h的下料速率，计量误差及饲料破碎率并无太大差别，且吨料能耗有较大下降，但是因输送饲料量增大3倍，道输送过程中多贴着光滑管壁前进，长时间运行可能导致管道内壁磨损，并造成饲料破碎与管路堵塞。祝先胜[25]引进Archard Wear磨损模型，分析了颗粒对弯管壁面的磨损，结果表明颗粒对弯管的磨损主要集中在弯头外侧15°到30°的区域。

4 结论

对于Gs=500 kg/h以及管路长度100 m左右的自动投饲系统，流体仿真得到饲料在水平直管中多处于悬浮输送状态，且管路中未出现堵塞情况。全局仿真管路中与颗粒、管壁之间存在碰撞的饲料数占比27.3%，且碰撞主要发生在下料口、弯管等处，这些结构突出影响到系统管路压降、系统能耗、饲料破碎率等参数。CFD-DEM方法得到的全局管路压降与样机试验得到的压降的精度可达94.4%，但也存在着仿真计算速度慢、无法分析碰撞中饲料破碎过程的情况。后续将进一步研究饲料尺寸、管径、弯管曲率半径、风速、下料量等对饲料颗粒管路运动状态的影响规律，以获得适用于不同养殖鱼种的深远海养殖用自动投饲系统的系统方案。