深遠海養殖自動投飼系統仿真分析與試驗驗證

黃建偉，駱 意，魏樹輝，陳銘治，朱端祥，劉亮清

(1 中國船舶集團有限公司第七一一研究所，上海，200090;2 船舶與海洋工程特種裝備和動力系統國家工程研究中心，上海，200090;3 上海海事大學商船學院，上海，201306)

國內外相對成熟的深遠海養殖裝備包括深海網箱、養殖工船等[1-2]，自動投飼系統作為核心養殖設備，其性能與自動化程度深刻影響到養殖效益、人工勞動強度，是深遠海智能化與自動化養殖的重要組成部分[3-4]。深遠海養殖裝備上，顆粒飼料自料倉至投喂點的輸送距離在100 m以上，如挪威AKVA的CCS90系統最大投喂距離可達800 m[5-6]。自動投飼系統的輸送管道需根據養殖裝備的結構進行布置，容易因系統設計不合理出現管道堵塞、飼料破損的情況，造成系統故障與飼料破碎[7-8]。國內現有魚類投飼機多針對池塘或陸基養殖車間開發，投喂距離短、結構簡單，無法滿足養殖工船、深海網箱的應用要求。

為研究顆粒在管道內的運動過程，眾多學者[9-11]基于氣固兩相流建立了許多分析方法，計算流體力學和離散單元法的耦合方法(CFD-DEM)因可分析顆粒與氣流之間的相互作用，顆粒與其他物體之間的接觸情況，被廣泛采用。Turidsynn?ve等[12]研究了3種三文魚顆粒飼料在不同風速及進料速率下的顆粒破碎情況，發現在高風速和低進料速率下，顆粒破碎率最高。胡昱等[13]針對深水網箱用自動投餌系統顆粒飼料輸送易阻塞、易破損的情況，借助CFD-DEM模擬分析了顆粒飼料初始加速階段到穩定階段的運動狀態，并將結果用于優化下料口管路結構。總體而言，國內外深遠海投飼系統多借助流體仿真優化局部關鍵管路結構，使用流體仿真對投飼系統全局進行仿真分析的研究較少。

本研究針對養殖工船、深海網箱等裝備魚類飼料長距離自動投喂需求，開展基于氣力輸送原理的自動投飼系統性能驗證，使用CFD-DEM方法分析顆粒飼料在100 m管道氣力輸送過程中下料口、彎管等處飼料堵塞、運動軌跡及飼料碰撞的情況，并通過試驗樣機對性能進行驗證，以確保研制的自動投飼系統不易堵塞、飼料破碎率低，滿足深遠海養殖的使用要求。

1 系統設計與研究方法

1.1 系統設計

本研究研制的自動投飼系統由羅茨風機、空氣冷卻器、監測組件、下料裝置、投料選擇器、旋轉布料器等組成。羅茨風機產生飼料輸送氣源，空氣冷卻器用于輸送氣流冷卻，監測組件用于管道參數監測，下料裝置用于飼料計量、氣料混合，投料選擇器用于管路切換，旋轉布料器實現飼料布料。

參考相關學者[14-16]對稀相氣力輸送系統的設計過程，自動投飼系統設計的關鍵在于確定飼料輸送量、混合比、輸送風量、輸送管徑、管路壓損等參數，并形成管路布置及設備選型方案。

混合比m為輸送氣體中輸送物料的質量濃度，公式如下：

m=Gs/G0

(1)

式中：m為混合比，kg/kg；Gs為飼料質量流量，kg/h；G0為氣體質量流量，kg/h。

輸送風量Q0為常溫常壓(20℃，101.325 kPa)輸送飼料所需的有效風量，公式如下：

(2)

式中：Q0為常溫常壓下有效風量，m3/h；ρ0為常溫常壓下氣體密度，空氣為1.20 kg/m3。

根據Q0以及氣流速度va，可計算得到輸送管道內徑，公式如下：

(3)

式中：D為管道內徑，m；va為氣體流速，m/s。

本研究設計的系統飼料輸送量Gs為500 kg/h，參考均勻粒狀氣壓輸送過程中“va=16～25 m/s，m=2～4”的設計經驗值[17]，選定m=2.53，va=20 m/s(101.325 kPa)，根據式(1)～(3)計算得到輸送風量Q0為165 m3/h，管道內徑D為54 mm，系統管路壓損由流體仿真得出。試驗時選擇風量范圍100～230 m3/h、最大升壓50 kPa的變頻羅茨風機，各設備之間的連接使用HDPE管道(外徑63 mm，內徑54 mm，耐壓0.8 MPa)。

結合林禮群等[8]、莊保陸[6]的研究成果，本研究設計了系統下料口、投料選擇器管的路結構。下料口為逐步收縮結構，飼料進入管路后在此處與高速氣流相互作用被加速與氣流一起前進，避免飼料下落后在此處堆積。投料選擇器為S型彎管結構，可在機電結構作用下轉動，對接在不同出口，實現一套投飼系統對深海養殖裝備多個養殖水體的依次投喂。系統設計時對下料口的長度、收縮角，投料選擇器的曲率半徑以及角度結合局部流體仿真做了專門設計，以滿足深遠海養殖的實用需求，優化設計完成后的具體管路結構如圖2所示。

圖2 下料口(左)與投料選擇器(右)管路結構

本研究開展的仿真分析與樣機試驗，主要為獲取顆粒飼料在優化設計后的系統管路中的運動規律、全局壓降并驗證系統性能。

1.2 試驗材料

本研究使用的儀表包括渦街流量計(35～350 m3/h，精度±1.5%R)，壓力傳感器(0～100 kPa，精度±0.5%FS)，標準篩(10目、12目)，卷尺(10 m，精度1 mm)，電子秤(0～100 kg，精度1g)，智能電測表(PZ96L-E4/M)。使用某品牌大黃魚飼料開展研究，根據通用方法[6,18]測定了飼料的真實密度、平均粒徑、平均高度等參數。

1.3 仿真方法

采用STAR-CCM+(v14.06.012)軟件，基于CFD-DEM方法開展流場仿真，針對氣(連續相)、固(離散相)兩相開展計算。連續相通過求解k-ε的瞬態RANS(雷諾-平均NS方程)確立動量守恒方程，并求解質量守恒方程，采用恒密度狀態方程，將流域劃分為網格，在網格處以積分形式的N-S和連續性方程求解連續相。整體流域計算為隱式非定常計算，求解為二階精度離散，使用AMG線性求解器。[19-22]

1.4 試驗方法

保持管路布局、系統參數與仿真一致，根據投飼系統行業標準[23]、邵愷懌等[24]的相關方法，開展500 kg/h下料速度的樣機試驗，以驗證仿真精度；隨后開展1 000、1 500 kg/h下料速度的樣機試驗，以驗證系統性能，獲得管路流量、壓力、用電功率、飼料破碎率、計量誤差等系統參數。

2 流場仿真及結果

2.1 幾何模型

深遠海魚類養殖飼料種類眾多，密度、尺寸各不相同，輸送過程中可能因為過低的氣流速度導致管路顆粒堵塞堆積，或者過高的氣流速度導致顆粒破碎加劇、管路壓降增大、管道磨損[22,25]。多球面飼料離散元模型如圖3所示。

圖3 多球面飼料離散元模型

本研究所用飼料接近于直徑9.60 mm，高度6.20 mm的圓柱體，使用particle工具創建飼料顆粒離散元模型，采用8個直徑為4.80 mm的球體聚合成形成，離散元模型構建同胡昱等[13]的相關研究。仿真模型中飼料的物料屬性及飼料與管道內壁的接觸參數如表1所示。

表1 CFD-DEM模型中物料屬性與接觸參數

為提高計算速度，簡化系統建立幾何模型，下料口、投料選擇器及旋轉布料器僅建立管道部分模型。管路總長度約100 m，內徑為54 mm。其中：氣流入口經下料口至投料選擇器入口長度為6.5 m，投料選擇器S型管路長度為1.40 m(具體見圖2)，投料選擇器出口至布料器入口處的管路長度為91.10 m，自動投飼系統管路結構如圖4所示。

圖4 自動投飼系統管路結構

2.2 流場計算域與網格劃分

流場計算域中，在下料器處設置飼料噴射器，管壁設置為無滑移壁面，出口處設置為零壓出口。對于飼料顆粒選擇離散元方法，開啟雙相耦合，并選擇大顆粒平滑。使用切割體和棱柱層網格生成器進行網格劃分，共劃分了6 150 233個網格。羅茨風機壓力與質量流率關系如表2所示。顆粒飼料瞬時質量流率如圖5所示。

表2 羅茨風機壓力與質量流率關系

圖5 顆粒飼料瞬時質量流率

羅茨風機的壓力與輸送風量根據風機特性設置，壓降點之間的數值采用線性插值獲取。采用梯形設置方法設置飼料下料速率，平均流率為500 kg/h，風機啟動3s后開始進入下料階段。

2.3 仿真結果分析

2.3.1 飼料加速過程分析

仿真的氣流壓降、粒子平均速度穩定，并且殘差曲線收斂到平穩狀態后，認為流場仿真處于相對穩定狀態，本研究后續分析均選擇穩定狀態數據。飼料進入管道后與輸送氣流混合，因飼料占據了下料口部分空間，導致氣流在此處被局部加速，產生比入口更高的氣流速度(此時入口處平均流速23.66 m/s)；由于氣-固兩相之間存在著較大速度差，氣流對飼料產生拖拽力，使得飼料不斷被加速，加速過程中氣、固兩相不斷進行動量和能量交換[26]。顆粒飼料管路加速過程分析如圖6所示。

圖6 顆粒飼料管路加速過程分析

在距離下料口8 m處(X方向)，大部分飼料被加速到8.5 m/s左右(全局平均流速)，自下料口與投料選擇器處的管段內均未發生堵塞現象。但是，管路中也存在著成團輸送的情況，主要原因在于部分飼料速度較慢，被后端速度較快的飼料追趕上導致的，該現象也出現在黃楊清[18]的試驗結果中。

2.3.2 管路飼料混合比分析

以投料選擇器出口為原點，選取4個長度為1.0 m的統計段。在X方向上，第一個統計段距離原點3.5 m，第二、三、四個統計段距離原點均為6.0 m。混合比管路統計段位置如圖7所示。

圖7 混合比管路統計段位置

根據每個管段中飼料與氣體質量計算統計段混合比，分析時段的統計時間為氣流進入管路開始26.345 6～26.695 5 s，管路統計段位置的飼料混合比如圖8所示。

圖8 管路統計段位置的飼料混合比

在第一個統計管段，混合比范圍為30～40之間，此處距離下料口近，飼料集中進入且速度緩慢，形成整體前進的狀態，因此管路混合比明顯大于后續統計管段。[13]

在第二個統計管段及后續管段中，大部分飼料被加速到8.5 m/s左右，在顆粒間的碰撞、顆粒與顆粒之間的碰撞、場內旋渦等作用下，飼料在管路中處于較為分散的狀態，統計管段的混合比隨著距離增長，較前一管段呈現下降趨勢。由于梯形下料的設置，且管路中存在著部分飼料成團輸送的情況，因此混合比隨時間變化存在一定的波動。

2.3.3 管路壓降分析

在Gs=500 kg/h，Q0=165 m3/h的工況下，分別在下料口、投料選擇器、投料選擇器后直管段(長度設置為1 m)、第1、4個管路彎管、旋轉布料器的進、出口等處設置統計截面，在26.345 6 s～26.695 5 s時間段內，根據該時段內進、出口壓力平均值的差值得到全局與局部壓降。

100 m氣力輸送管路全局壓降為18 kPa，其中下料口、投料選擇器等處的單位長度壓降明顯大于其他位置，彎管的單位壓降大于直管段。下料口處，飼料進入管路占據了部分管路體積，輸送氣流在此被局部加速，因為氣、固相之間存在較大速度差，氣流不斷對顆粒飼料做功，因此下料口處單位壓降大。投料選擇器處，飼料群仍處于加速過程，氣、固兩相經過該段管路與管壁存在較多碰撞，且存在著克服顆粒群重力勢能提升的過程，因此單位壓降比水平彎管高[11]。氣力輸送過程壓降統計如表3所示。

表3 氣力輸送過程壓降統計

2.3.4 管路堵塞與飼料碰撞分析

從飼料進入管路至離開旋轉布料器，飼料在管路中的最大停留時間為12.1 s，說明管路中未出現堵塞、堆積的情況，輸送管路設計較為合理。

在全局流場仿真中，穩定狀態下管道中的飼料總數約11 000個，與管壁、飼料顆粒之間存在碰撞的飼料總數約3 000個，占比27.3%，根據統計結果碰撞主要發生在下料口、投料選擇器、彎管、旋轉布料器等處，這是因為在飼料加速、輸送方向轉變時碰撞較頻繁，而飼料在直管段中處于懸浮輸送狀態，碰撞出現較少。根據相關研究[27-28]，彎管處容易引起飼料破碎、管路堵塞及管壁磨損，輸送系統中應盡量減少彎管使用數量。氣力輸送飼料顆粒碰撞情況如圖9所示。

圖9 氣力輸送飼料顆粒碰撞情況

3 系統試驗及結果

結合流場仿真的管道模型，完成自動投飼系統試驗樣機搭建。試驗時結合渦街流量計將管道流量調整到165 m3/h，待氣流穩定后依次將下料速度調整為500、1 000、1 500 kg/h(每次試驗前在料倉中裝入250 kg大黃魚飼料)，每次試驗時間為3 min，重復3次。

結合相關方法[23-24]及儀表測得計量誤差、全局壓降、飼料破碎率、布料器旋轉速度、風機功率參數。自動投飼系統試驗樣機現場布置如圖10所示。自動投飼系統性能試驗結果如表4所示。

圖1 自動投飼系統組成

注：1-羅茨風機，2-空氣冷卻器，3-監測組件，4-下料裝置，5-投料選擇器，6-旋轉布料器，7-電控柜

表4 自動投飼系統性能試驗結果

根據試驗結果，系統計量誤差0.80%～1.30%，飼料破碎率0.40%，噸料能耗為3.11～6.40 kW·h。而行業標準中[29]，投飼系統要求平均破碎率≤2%，噸料能耗5.5～9.0 kW·h/t。對比Gs=500 kg/h，Q0=165 m3/h下仿真與試驗結果，全局壓降分別為18.0 kPa與17.0 kPa，仿真精度達到94.4%，流場仿真得到的飼料運動規律可輔助實物系統的結構設計與優化，全局管路壓降可用于指導羅茨風機選型。

在系統試驗中，當輸送風量不變，隨著下料量增大，管路全局壓降增大，由于羅茨風機功率正比于壓降與空氣流量乘積[27,30]，所以系統能耗增加。當管路輸入風量一致，高下料量管路中飼料體積占比更大，末端管路風速較大，因旋轉布料器的自轉主要源于出口氣流的反作用力，所以布料器旋轉速度更高。針對系統投飼能力，盡管可達到1 500 kg/h的下料速率，計量誤差及飼料破碎率并無太大差別，且噸料能耗有較大下降，但是因輸送飼料量增大3倍，道輸送過程中多貼著光滑管壁前進，長時間運行可能導致管道內壁磨損，并造成飼料破碎與管路堵塞。祝先勝[25]引進Archard Wear磨損模型，分析了顆粒對彎管壁面的磨損，結果表明顆粒對彎管的磨損主要集中在彎頭外側15°到30°的區域。

4 結論

對于Gs=500 kg/h以及管路長度100 m左右的自動投飼系統，流體仿真得到飼料在水平直管中多處于懸浮輸送狀態，且管路中未出現堵塞情況。全局仿真管路中與顆粒、管壁之間存在碰撞的飼料數占比27.3%，且碰撞主要發生在下料口、彎管等處，這些結構突出影響到系統管路壓降、系統能耗、飼料破碎率等參數。CFD-DEM方法得到的全局管路壓降與樣機試驗得到的壓降的精度可達94.4%，但也存在著仿真計算速度慢、無法分析碰撞中飼料破碎過程的情況。后續將進一步研究飼料尺寸、管徑、彎管曲率半徑、風速、下料量等對飼料顆粒管路運動狀態的影響規律，以獲得適用于不同養殖魚種的深遠海養殖用自動投飼系統的系統方案。