基于连续捕捞试验平台的泵吸技术

房 熊，徐志强，谌志新，刘 平

（1. 中国水产科学研究院 渔业机械仪器研究所，上海 200092；2. 农业部 远洋渔船与装备重点实验室，上海 200092；3. 海洋国家实验室 深蓝渔业工程装备技术联合实验室，山东青岛 266237）

0 引言

根据近年来渔业相关报道，全球特别是我国的海洋渔业资源进入了严重衰退时期，与此同时，随着人们生活水平的逐步提高，对于水产品特别是高端水产品的消费需求却在与日俱增。随着近些年来各国对于新型捕捞手段的技术研究不断进行发展和创新，工程技术人员创造性地将泵吸技术运用在远洋大规模捕捞中。该技术不仅能大幅提高捕捞的效率而且还能够极大地提升捕获水产品的质量，更重要的是能够最大程度地减少捕获渔类产品的损伤。在这一背景下，为了保障我国的渔业发展水平能够满足人民对于水产品的消费需求，大力发展深远海泵吸技术已经刻不容缓、迫在眉睫，此外，泵吸技术的研究也是在我国极地海域渔业发展中急需解决的关键问题与核心技术。因此高性能的泵吸技术研究对我国的蓝色粮仓战略具有重大战略意义[1-2]。

目前阶段我国大部分吸鱼泵利用的是通过逆风隔离鱼体和气流的方法，空气气流由壳体外部的通孔中被反向逆流抽走，而逆向的空气可以使得鱼体安全地留在腔体外部空间中，但是其结构本身也有一定的劣势，例如：产生稳定风速的风机噪音较大、本体材料耐腐蚀性较差、人工成本较高、工人的工作强度较大等缺点[3-4]。

1 泵吸技术的模拟仿真

根据深海泵吸的工况要求中针对吸鱼泵的泵吸要求，开始设置泵吸的各种参数并进行计算和修正。设计的吸鱼泵主要用于在深远海区域进行大规模连续的捕捞作业，其工作原理大致为船员使用船载的吊机将吸鱼泵投入到围网中然后启动吸鱼泵将渔获物和水一起抽到船上的操作平台，并进行下一步的分类工作。吸鱼泵基本参数设置如下：泵体流量QM＝4.88×105kg/h，泵体扬程hM＝12.5 m, 总效率ηM＝68.5%，比转速nsM＝282，泵吸转速nM＝756 r/min。吸鱼泵叶轮基本参数设置如下：叶轮进口直径D1M＝215 mm, 叶轮直径D2M＝410 mm，叶轮宽度b1M＝160 mm，叶轮出口宽度b2M＝158 mm。其主要参数及性能都基本满足远洋围网渔船活鱼输送要求，鱼通过泵和软管被直接传输至船上进行加工处理，实现持续捕捞泵吸作业。

采用计算机进行离心泵模拟设计，在整体上对吸鱼泵进行全参数设置，建立参数模型，然后进行模拟分析，将设计的吸鱼泵主要参数例如泵体流量、泵体扬程和叶轮转速等赋值在全参数模型上。此外还必须设置流体介质以及叶轮转向、机械效率等基本参数[5-6]。根据实际工况设置流体进入吸鱼泵泵口的情况，通过计算机软件内部程序计算求解出满足设置要求的吸鱼泵叶轮基本几何参数及模型[7]。

通过计算得出叶轮外形尺寸及修改建议，在计算机中模拟出合适的叶轮流道及其子午面的形状参数，此外还需手动检查该流道参数并且调整和优化相关几何参数及曲线模型。最后得出优化后的流道模型及一些重要的模拟参数，例如流道过流面积、流道曲率变化等[8-9]。

在叶轮流道及子午面确定后进行叶片的模拟设计，首先选择合适的叶片模型，调整入口流体角度等重要参数，在计算机中选择合适的调整系数及人为修正系数以达到叶轮的设计需求。整个叶轮模拟设计中最为关键的是叶片形式的选择、叶片的数量及液流角等，在计算机中使用曲线控制点这个功能对叶片的弦长进行修改和调整，拟合多种位置下的叶片流角及过流面积[10-12]。此外对于叶片的设计而言，还需特别注意叶片的中心线曲率这个参数。最后得出满足泵吸要求的其他叶片参数，如：叶片厚度、叶轮应力分布、磨损量等。

通过计算机完成流道及叶轮设计后再进行吸鱼泵整体的流体力学分析。整个过程中最关键的就是对泵体模型进行三维网格的划分，网格的划分直接决定了整个流体分析的好坏，网格划分越细致，那么网格就更加贴近本体，计算的精度也越高，但是对于计算机的硬件条件要求也相应提高，计算的时间也越长。如图1所示。

图1 叶片流体模拟

因此，在客观条件下尽可能地优化网格的划分，取得比较理想的效果。经过反复的修正，将泵体单元网格的尺寸设置为0.05，网格最小尺寸设置为0.001，片面体网格尺寸为0.025，整体网格数量为144 157，面元数量为571 785，总节点数量为248 790。

整个泵体分析其实主要是对泵体内水和空气的混合体进行动态的模拟，因此选择相应的物理模型即采用Rayleigh-plesset状态方程对其进行计算。该方程式能够很好地计算出旋转机械内部的流体状态，并且该计算方程经过试验验证可以很好地解决实际工程问题[13-14]。在计算时人工调整泵体进出口流量、转速等参数，并将介质流体设定为水质，其流体流动设定为不可压缩湍流，将壳体部分定义为全无滑移面，叶轮的方向定义为常旋方向即顺时针旋转。计算时设置叶轮的转速为700 r/min，出口的流量为320 t/h。计算形式定义为稳态模拟计算，初始设定进行1 000次迭代计算，定义计算收敛条件值为0.001。

完成所有的参数设置后进行吸鱼泵流体分析，经计算结果显示为收敛，通过分析结果发现模拟的流场流线均匀稳定，没有突变和畸点。从流场的模拟图发现，流体从入口进入后经过叶轮旋转的加速，当达到一定的速度后通过离心力的作用被甩出内腔，在整个过程中叶轮流道上的加速度是最大的。整个过程中流体的速度线性均匀，没有突点和跳跃。流体经过叶轮的加速后被甩出内腔，整个过程中速度从慢到快再逐步降低，且整个内腔没有形成涡流和扰流，模拟的过程基本符合吸鱼泵泵吸流体的客观规律和原理[15]。见图2～图3。

图2 叶轮内腔网格

图3 叶轮流场模拟

2 连续泵吸平台及试验

2.1 泵吸平台

针对各式捕捞泵吸方式开发其适用的泵吸系统，对具体吸鱼泵进行实验室定量化测试，通过构建吸鱼泵数字模拟与实物模拟实验系统，构建其原理与性能研究试验系统平台。该试验平台通过在水箱内放置能够调整鱼水混合比例的捕捞试验网架，模拟渔网（又称拖网）的水下作业状态，具体试验时可通过调整主体框架侧面、上下面的尺寸和角度来模拟渔网在水下张紧时的角度，并通过输入鱼获来改变渔网内鱼获与水的混合物比例，以此模拟渔网在实际工作过程中的工况[16]。如图4和图5所示。

图4 平台系统图

图5 试验平台

2.2 泵吸试验及结果

通过试验记录吸鱼泵的流量和转速，透过透明管道观察整个泵吸的过程，最后我们仔细检查经过泵吸的鱼，其体表无明显的损伤，且生物活动性没有任何减少。试验开始时箱体内放置了250条金鱼，经清点后发现有219条鱼被泵吸出去，该吸鱼泵的泵吸效率为87.6%。因此该吸鱼泵满足最初设计的要求，模拟设计与试验预期较为符合。泵吸试验及泵吸过程分别如图6和图7所示。

图6 泵吸试验

图7 泵吸过程

2.3 试验分析

以往吸鱼泵的相关研究往往只关注于泵吸技术的理论分析、流体流场的理论分析，此外就是纯粹的试验研究和分析，这样的研究偏重于对某个具体问题进行分析，而本文研究的优点在于从理论分析到样机制作最终在试验平台上进行模拟试验和优化，建立起了一套完整的吸鱼泵研发流程，涵盖产品开发的各个环节，从而大幅度地提高研发效率并降低研发成本。与以往的研究相比较具有完整性、可追溯性、可优化性等优点。本文建立的研究方法虽然全面但也有不足之处，例如前期试验平台建设的投入较大、建设周期较长、试验平台通用性较差等，这些不足之处有待于后续的研究解决。

模拟仿真设计结合连续泵吸平台试验的模式可以较好地对吸鱼泵进行产品设计，对泵吸起捕模式特别是深远海规模化、产业化捕捞作业具有极大的参考意义，通过该模式进行吸鱼泵的开发不仅能够大大降低研发成本、缩短研发时间，且能够提高研发产品质量和品质，同时为后续产品的优化及个性化定制提供了很大的操作空间。因而该模式对全面提升远洋捕捞机械化、自动化水平具有重要意义。

3 结论

国内首个吸虾泵试验平台研究方案，针对不同捕捞方式对应的水深进行自动化泵吸系统研究，对连续泵吸捕捞作业模式的改进与优化有积极推动作用，而本文的研究在此基础上能够为各种工况环境下鱼类的大规模连续捕捞技术提供技术支持。通过平台搭建，完成了远距离泵吸输送的试验，实现了吸鱼泵在额定转速条件下管道阻力与泵吸流量、扬程的测定。通过水箱内置吸鱼泵网架，模拟拖网网囊尾部吸入口的形式，并通过将不同数量鱼获放置入网架内模拟不同鱼获与水的混合比例来进行泵吸试验，得到最佳泵吸捕捞方式。此外样机的试制成功证明了泵吸技术能很好地满足实际需求，其实用前途非常光明。