水產(chǎn)顆粒飼料懸浮速度測定與分析

邵愷懌， 牛智有， 于重洋， 吳文濤

（華中農(nóng)業(yè)大學工學院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，武漢 430070）

我國是水產(chǎn)養(yǎng)殖大國，但目前大部分地區(qū)的投喂方式自動化程度較低，主要以人工投喂為主，存在耗費時間較多、勞動強度較大和投喂效率較低等弊端[1]。隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模的擴大及水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)逐步邁入現(xiàn)代化，傳統(tǒng)的養(yǎng)殖方式已無法滿足產(chǎn)業(yè)需求，甚至會成為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的制約，因此，亟需開展自動投喂技術研究。根據(jù)加工形式和飼喂對象的不同，水產(chǎn)飼料可分為粉狀飼料、顆粒飼料和膨化飼料。由于顆粒飼料和膨化飼料具有便于運輸和貯藏、投喂方便、避免飼料分級和保護環(huán)境等優(yōu)點，在池塘養(yǎng)殖、網(wǎng)箱養(yǎng)殖和工廠化養(yǎng)殖中應用較為廣泛[2]。

目前，水產(chǎn)顆粒飼料的機械投喂主要采用離心式、氣動式和水力輸送式等方式，其中，水力輸送式投喂技術主要應用于深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖；離心式和氣動式投喂技術主要應用于池塘和大型養(yǎng)殖池養(yǎng)殖。水產(chǎn)顆粒飼料的質(zhì)量較輕，采用離心式投喂時，電機的轉速較高，水產(chǎn)顆粒飼料與轉盤接觸的瞬間碰撞力較大，從而增加了水產(chǎn)顆粒飼料的破損率，不利于自動投喂[3]。氣動式投喂是比較有效的方法，其利用水產(chǎn)顆粒飼料的空氣動力特性來完成輸送和拋撒，不僅可以提高投喂效率，降低水產(chǎn)顆粒飼料破損率，還使飼料分布更加均勻。2016年，陳曉龍等[4]設計了一種適用于高密度養(yǎng)殖池塘的自動氣力投飼機，通過旋轉下料器向管道中添加飼料，飼料顆粒在高速氣流的作用下，在管道末端通過撒料盤將飼料均勻拋灑到養(yǎng)殖水面，該裝置可同時滿足6個池塘的投喂需求，投喂距離達20 m，破損率低于0.9%。然而，大部分投飼機選取風機時往往通過經(jīng)驗系數(shù)確定氣流速度，當選取的氣流速度過低時，管道內(nèi)容易發(fā)生堵塞；而選取的氣流速度過高時，不僅增加了動力的消耗還加劇了水產(chǎn)顆粒飼料對管道的磨損[5]。由于水產(chǎn)顆粒飼料的懸浮速度是風機選型和輸送管道設計的基本參數(shù)，因此，研究水產(chǎn)顆粒飼料懸浮速度對于高效率、低功耗的氣動式投喂及氣力輸送裝置的設計具有重要的指導意義。

研究人員通常采用2種方法來獲取物料的懸浮速度：一種是根據(jù)以往經(jīng)驗借助公式計算得到，另一種是使用懸浮速度測定試驗臺測定得到。利用已有的公式、編程語言和軟件等計算懸浮速度雖然方便、快捷，但物料個體之間差異較大，而假設過于理想化，導致計算結果不夠準確，應用有一定的局限性[6]。因此，大多通過懸浮速度測定試驗臺來獲取物料的懸浮速度。將水產(chǎn)顆粒飼料放置于速度為v的豎直向上氣流中，若水產(chǎn)顆粒飼料受到的氣流作用力F等于重力G時，水產(chǎn)顆粒飼料處在水平位置上，呈擺動狀態(tài)，既不上升也不下降，此時氣流速度v即為水產(chǎn)顆粒飼料的懸浮速度。目前，關于物料空氣動力特性的研究主要集中在小顆粒物料方面，如谷物籽粒[7]、油菜脫出物[8-9]、紅花[10]、花生脫出物[11]、大豆脫出物[12]等多種作物的種子[13-17]。其中，陳立等[9]測定了油菜籽粒在不同含水率及粒徑條件下的懸浮速度，研究含水率和粒徑對油菜籽粒懸浮速度的影響規(guī)律。于福峰等[18]測定了紅棗在不同含水率及粒徑條件下的懸浮速度，探究懸浮速度與含水率和粒徑之間的變化關系，并得出其懸浮的最佳氣流速度。然而，針對水產(chǎn)顆粒飼料懸浮速度特性的試驗研究鮮有涉及，獲得水產(chǎn)顆粒飼料懸浮速度及其相關特性需要進一步研究。

本文以膨化飼料和顆粒飼料為研究對象，采用自制懸浮速度測定試驗臺研究粒徑（1～4 mm）和含水率（5%～25%）對水產(chǎn)顆粒飼料懸浮速度的影響，并建立水產(chǎn)顆粒飼料懸浮速度預測模型，旨在為氣動式自動投餌機的設計提供基本理論參數(shù)和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與制備

1.1.1 不同粒徑顆粒材料制備 試驗所選用的膨化飼料與顆粒飼料均由國內(nèi)湖北湘大水產(chǎn)科技有限公司生產(chǎn)，其性狀見表1。試驗前，首先用篩網(wǎng)將碎粒與粉末篩出，挑選顆粒外觀完好且形狀、大小較為均勻的膨化飼料和顆粒飼料；其次，通過5、6、8和16目的標準分樣篩將水產(chǎn)顆粒飼料進行篩選分級，得到粒徑分別為1、2、3和4 mm的膨化飼料，以及粒徑分別為2、3和4 mm的顆粒飼料；最后，使用砂紙對顆粒飼料進行磨削處理，將所有顆粒飼料的長度保持在同一水平（5 mm），得到的水產(chǎn)顆粒飼料即為試驗材料。

表1 水產(chǎn)顆粒飼料樣品性狀Table 1 Characteristic of aquaculture pellets feed samples

1.1.2 不同含水率顆粒材料制備 從膨化飼料的4組樣品（1、2、3和4 mm）中分別取100 g配置5份樣品，且每份樣品中不同粒徑的膨化飼料重量均為100 g，按照上述方法同樣配置5份顆粒飼料樣品。將配置好的樣品分別平攤在托盤上，用噴壺噴灑一定量的去離子水，均勻覆蓋在每個顆粒的表面，能被顆粒充分吸收，得到5份高含水率的樣品。然后，將樣品放入干燥箱中，干燥箱的溫度設置為103℃，以不同的干燥時間分5次取出樣品，得到含水率分別為4.8%、10.1%、14.6%、20.3%和25.1%的膨化飼料樣品與含水率分別為5.4%、10.2%、14.9%、19.7%和25.3%的顆粒飼料樣品，并按照粒徑的大小將樣品進行區(qū)分，再放入4℃的冰箱中貯藏。

1.2 試驗儀器

自制懸浮速度測定試驗臺如圖1所示，主要由上下穩(wěn)流管、錐形觀察管、變頻器、風機、格柵管和測定裝置等部件組成：上下穩(wěn)流管使管道中的氣流盡量為層流，進而分布得更加均勻穩(wěn)定[18-19]；錐形觀察管促使管道中氣流速度發(fā)生變化，且更利于觀察水產(chǎn)顆粒飼料懸浮時的高度[20]；通過調(diào)節(jié)變頻器改變管道中的氣流速度；風機為該試驗臺的動力裝置，提供水產(chǎn)顆粒飼料懸浮時的動力；格柵管的作用是防止風機的出風口出現(xiàn)旋渦，穩(wěn)定氣流[21]；測定裝置用來測定錐形觀察管小端的氣流速度。所用設備主要包括電熱鼓風干燥箱（HPS2816A，武漢市環(huán)試檢測設備有限公司）、冰箱（BCD-198K，青島海爾有限公司）、風壓風速儀（KXYL-600B，華西科創(chuàng)科技有限公司）、皮托管（TPL-06-400L，上海金梟電子有限公司）、電子天平（BT457A10，深圳市博途電子科技有限公司）、微量分析天平（AUY220，日本島津實驗器材有限公司）。

圖1 懸浮速度測定試驗臺Fig.1 Test bed for determination of suspension velocity

1.3 試驗方法

1.3.1 密度測定 不溶于水的固體密度通常采用排水法測定，由于水產(chǎn)顆粒飼料是吸水性的物料，采用排沙法來測定水產(chǎn)顆粒飼料的密度，以細砂作為填充物。首先稱量水產(chǎn)顆粒飼料的質(zhì)量，再將其放置于量筒中，然后將細砂緩慢地倒入盛放水產(chǎn)顆粒飼料的量筒中并適當搖晃，直至細砂充滿水產(chǎn)顆粒飼料之間的空隙，記錄倒入的細砂體積和細砂與水產(chǎn)顆粒飼料的總體積，計算飼料密度。

1.3.2 含水率測定 從制備的膨化飼料（1、2、3和4 mm）和顆粒飼料（2、3和4 mm）樣品中分別稱取5份質(zhì)量為10 g的飼料樣品，用來測定初始含水率，之后放入潔凈鋁盒中并置于電熱鼓風干燥箱內(nèi)烘干至質(zhì)量恒定，根據(jù)烘干前后水產(chǎn)顆粒飼料樣品質(zhì)量的差值計算各樣品的濕基含水率[22]，并取5次試驗值的平均值作為水產(chǎn)顆粒飼料的初始含水率。

1.3.3 懸浮速度測定 在試驗的過程中，首先將水產(chǎn)顆粒飼料放置于下穩(wěn)流管中的盛料網(wǎng)上，啟動變頻器，通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率控制電機的轉速從而調(diào)節(jié)風量的大小；當水產(chǎn)顆粒飼料懸浮在錐形觀察管的某一高度時，使用懸浮速度高度標尺記錄此時的懸浮高度范圍，然后關閉變頻器，使水產(chǎn)顆粒飼料自由落下并取出；當水產(chǎn)顆粒飼料完全取出時，再次開啟變頻器，待氣流速度穩(wěn)定后，使用皮托管將測試孔伸入錐形觀察管小端，測定錐形觀察管小端的氣流速度。通過式（2）可得水產(chǎn)顆粒飼料懸浮處的氣流速度。試驗重復5次，每次試驗樣本數(shù)量為100粒，并取平均值作為飼料的懸浮速度。

式中，vx為錐形觀察管中任意斷面的氣流速度，m·s-1；D1為錐形觀察管小端的直徑，m；L為水產(chǎn)顆粒飼料在錐形觀察管中上下懸浮的高度，m；vn為錐形觀察管小端的氣流速度，m·s-1；θ為錐形觀察管的錐角，（°）。

在測定錐形觀察管小端的氣流速度時，采用等面積圓環(huán)法來確定測定點的位置[23]。由于D1=250 mm＜300 mm，取測定點數(shù)M=6[23]，將管道的橫截面平均分為3個部分，測定點的位置位于每部分面積的等分線上，同時根據(jù)測定點的位置在皮托管上進行標記。在每條等分線上取2個測定點，設等分線的序號為z，通過式（3）可得每條等分線的半徑。測定6個測定點的氣流速度，取平均值作為錐形觀察管小端的氣流速度。

式中，Rz為等分線的半徑，mm；R1為錐形觀察管小端的半徑，mm；f為錐形觀察管小端橫截面等分數(shù)；z為等分線的序號，取1，2，…f。

1.3.4 懸浮速度預測模型驗證 為了驗證所得水產(chǎn)顆粒飼料懸浮速度預測模型的準確度，取粒徑為1、2、3、4 mm的膨化飼料和粒徑為2、3、4 mm的顆粒飼料，并通過上述不同含水率顆粒材料制備方法，將其制備成含水率為7.3%、12.6%、17.9%和22.1%的膨化飼料樣品與含水率為7.9%、11.8%、18.1%和22.6%的顆粒飼料樣品。隨后，使用自制懸浮速度測定試驗臺，從不同粒徑與不同含水率的膨化飼料和顆粒飼料樣品中依次隨機選取3份樣品測定懸浮速度，得到懸浮速度實測值。同時將粒徑和含水率代入水產(chǎn)顆粒飼料懸浮速度預測模型中，得出懸浮速度預測值。最終，將懸浮速度實測值與懸浮速度預測值進行比較，從而驗證水產(chǎn)顆粒飼料懸浮速度預測模型的準確度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Origin 2019b軟件作圖，通過SPSS 26.0和Design-expert 8.0對數(shù)據(jù)進行處理和分析。

2 結果與分析

2.1 含水率與粒徑對膨化飼料懸浮速度的影響

圖2和圖3是膨化飼料在含水率為4.8%、10.1%、14.6%、20.3%和25.1%及粒徑為1、2、3和4 mm條件下，其懸浮速度隨含水率與粒徑變化的曲線。可以看出，1 mm膨化飼料的懸浮速度為2.432～2.621 m·s-1；2 mm膨化飼料的懸浮速度為3.412～3.690 m·s-1；3 mm膨化飼料的懸浮速度為4.206～4.536 m·s-1；4 mm膨化飼料的懸浮速度為5.166～5.493 m·s-1。根據(jù)曲線的增長趨勢可知，在同一含水率條件下，隨著粒徑的增加，其懸浮速度隨之增加；在同一粒徑條件下，隨著含水率的增加，懸浮速度也相應地增加。

圖2 不同含水率下膨化飼料的懸浮速度Fig.2 Suspension velocity of extruded feed under different moisture content

圖3 不同粒徑下膨化飼料的懸浮速度Fig.3 Suspension velocity of extruded feed under different particle size

為了分析粒徑和含水率對膨化飼料懸浮速度的影響，將懸浮速度與粒徑和含水率進行二元線性回歸，并對其進行方差分析[24]，結果如表2所示。通過方差分析表可知，試驗因素粒徑和含水率對試驗指標膨化飼料的懸浮速度均影響極顯著（P＜0.01），而粒徑和含水率的交互作用對膨化飼料的懸浮速度影響不顯著（P＞0.05）。

表2 膨化飼料懸浮速度參數(shù)方差分析Table 2 Variance analysis of suspension velocity parameters for extruded feed

2.2 含水率與粒徑對顆粒飼料懸浮速度的影響

圖4和圖5是顆粒飼料在含水率為5.4%、10.2%、14.9%、19.7%和25.3%及粒徑為2、3和4 mm條件下，其懸浮速度隨含水率與粒徑變化的曲線。可以看出，2 mm顆粒飼料的懸浮速度為4.713～5.132 m·s-1；3 mm顆粒飼料的懸浮速度為5.485～6.015 m·s-1；4 mm顆粒飼料的懸浮速度為6.433～7.027 m·s-1。根據(jù)曲線的增長趨勢可知，在同一含水率條件下，顆粒飼料的懸浮速度隨粒徑的增加而不斷增加；在同一粒徑條件下，顆粒飼料的懸浮速度同樣隨含水率的增加而不斷增加。

圖4 不同含水率下顆粒飼料的懸浮速度Fig.4 Suspension velocity of pellet feed under different moisture content

圖5 不同粒徑下顆粒飼料的懸浮速度Fig.5 Suspension velocity of pellet feed under different particle size

通過方差分析（表3）可知，試驗因素粒徑和含水率對試驗指標顆粒飼料的懸浮速度均影響極顯著（P＜0.01），而粒徑和含水率的交互作用對顆粒飼料的懸浮速度影響不顯著（P＞0.05）。

表3 顆粒飼料懸浮速度參數(shù)方差分析Table 3 Variance analysis of suspension velocity parameters of pellet feed

2.3 水產(chǎn)顆粒飼料懸浮速度預測模型的建立與驗證

2.3.1 懸浮速度預測模型的建立 由上述分析可知，水產(chǎn)顆粒飼料粒徑和含水率與其懸浮速度之間具有相關性，因此，利用Design-expert8.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，從而得到膨化飼料和顆粒飼料懸浮速度（S）與粒徑（D）和含水率（M）之間的一階模型、雙因素交互模型（two-factor interaction，2FI）、二階模型和三階模型[25]，各模型的統(tǒng)計結果如表4所示。由表4可知，在膨化飼料和顆粒飼料的各個模型中，膨化飼料三階模型與顆粒飼料雙因素交互模型的預測決定系數(shù)最大且變異系數(shù)最小，分別為 0.991 4、2.33；0.955 1、2.68。所以，膨化飼料和顆粒飼料的懸浮速度預測模型分別采用三階模型和雙因素交互模型。

表4 各模型統(tǒng)計結果Table 4 Statistical results of each model

由表5和表6可以看出，2個模型的變異系數(shù)均小于10%，說明模型的準確度高；決定系數(shù)與調(diào)整后決定系數(shù)均大于0.9，且二者之間的差值小于0.2，說明回歸的效果良好[26]；決定系數(shù)分別為0.993 1和0.959 1，說明回歸方程預測效果良好；由于2個模型的P值均小于0.01，所以模型極顯著。

表5 回歸模型誤差分析Table 5 Analysis of error in regression model

此外，膨化飼料回歸模型（表6）除D、M、D3外，其余各項對模型的影響不顯著，表明粒徑、含水率和粒徑的三次方對膨化飼料回歸模型的影響極顯著；顆粒飼料回歸模型（表7）D、M對模型的影響極顯著，DM對模型的影響不顯著，表明粒徑和含水率對顆粒飼料回歸模型的影響極顯著，粒徑與含水率的交互作用對顆粒飼料回歸模型的影響不顯著。為了保證2個回歸模型的準確性，保留模型中的各項因子，以編碼值作為自變量。因此，膨化飼料和顆粒飼料的懸浮速度預測模型如式（3）和（4）所示。

表6 膨化飼料回歸模型方差分析表Table 6 Variance analysis in regression model for extruded feed

表7 顆粒飼料回歸模型方差分析Table 7 Variance analysis in regression model for pellet feed

2.3.2 響應面分析 通過膨化飼料和顆粒飼料懸浮速度的回歸模型，使用Design-expert8.0繪制響應曲面，如圖6所示。響應曲面越陡峭則試驗指標對試驗變量的影響越大；相反，響應曲面越平緩則試驗指標對試驗變量的影響越小。從圖6可知，粒徑和含水率對膨化飼料和顆粒飼料的懸浮速度均有影響，且粒徑比含水率對水產(chǎn)顆粒飼料懸浮速度的影響更顯著。

圖6 懸浮速度與因素間的響應面分析Fig.6 Response surface analysis between suspension velocity and factor

2.3.3 懸浮速度預測模型驗證結果分析 為了分析膨化飼料與顆粒飼料懸浮速度預測模型的準確度，對懸浮速度預測模型進行了驗證試驗，結果如圖7所示。由圖7可知，膨化飼料和顆粒飼料的預測懸浮速度與實際懸浮速度之間的決定系數(shù)R2分別為0.993 2和0.978 2，相對誤差為±5.4%和±6.1%，說明水產(chǎn)顆粒飼料懸浮速度的預測模型準確度較好。

圖7 水產(chǎn)顆粒飼料預測懸浮速度與實際懸浮速度Fig.7 Determined results of actual suspension velocity and predicting suspension velocity

3 討論

本研究結果表明，隨著水產(chǎn)顆粒飼料含水率和粒徑的增加，水產(chǎn)顆粒飼料的懸浮速度也隨之增加。造成這種現(xiàn)象的主要原因是，當水產(chǎn)顆粒飼料的粒徑增大時，其單粒質(zhì)量增大，浮重也相應地增大，所以水產(chǎn)顆粒飼料的懸浮速度增大；而當水產(chǎn)顆粒飼料的含水率增加時，其形態(tài)發(fā)生擴張，在一定程度上增加了水產(chǎn)顆粒飼料的單位迎風面積，進而導致水產(chǎn)顆粒飼料的懸浮速度隨之增加。這種趨勢同樣出現(xiàn)在吳明聰?shù)萚13]對秧草收割物懸浮速度的研究中。陳立等[9]在粒徑和含水率分別為1.2～2.4 mm和3.24%～29.08%條件下，也發(fā)現(xiàn)油菜籽粒的懸浮速度隨著含水率和粒徑的增加而增加。此外，含水率和粒徑對水產(chǎn)顆粒飼料的懸浮速度均具有極顯著影響，并且粒徑比含水率的影響更顯著。然而，含水率與粒徑的交互作用對水產(chǎn)顆粒飼料懸浮速度的影響不顯著，于福峰等[18]在對紅棗的研究中也發(fā)現(xiàn)類似規(guī)律。

通過試驗驗證后，本文所建立的膨化飼料和顆粒飼料的懸浮速度預測模型相對誤差范圍分別為±5.4%和±6.1%，表明膨化飼料的懸浮速度預測模型更為精準。這是因為，膨化飼料的形狀近似為球狀，而顆粒飼料為一個不規(guī)則體，投影面積在不斷地發(fā)生改變，在氣流中運動的同時還發(fā)生轉動，那么顆粒就會上升或下降，無法獲取準確的懸浮位置[16]。因此，顆粒飼料的懸浮速度只能保持在一定范圍內(nèi)，從而導致顆粒飼料懸浮速度預測模型的相對誤差范圍相對較大。

目前，基于懸浮速度特性的研究主要集中于小顆粒物料方面，但都僅限于測定方面的研究，懸浮速度預測模型的建立卻少有涉及。氣動式投喂裝置和氣力輸送裝置均是利用流動的空氣作為動力來輸送水產(chǎn)顆粒飼料，其氣流速度和管道的設計根據(jù)水產(chǎn)顆粒飼料的懸浮速度確定。因此，本文研究結果可為氣動式投喂裝置和氣力輸送裝置的研制提供理論依據(jù)。