真空泵吸魚過程氣液兩相流數(shù)值分析

林禮群，張耀明，劉 平，楚樹坡，徐志強

(1 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機械儀器研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部遠洋漁船與裝備重點實驗室，上海200092；2 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家試驗室，山東 青島 266237)

隨著海水養(yǎng)殖不斷向深遠海推進，大型養(yǎng)殖平臺得到迅速發(fā)展[1-2]，單個平臺容積大產(chǎn)量高，使得取魚工作變得困難[3]，海上平臺捕魚作業(yè)機械化問題也日益凸顯[4]。真空吸魚泵由于流道無運動部件，損傷小、能耗低，是目前深遠海養(yǎng)殖平臺較為理想的活魚輸送設(shè)備[5]。

目前對真空吸魚泵的研究主要以試驗手段為主，研究集中在結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計、魚水比、吸魚操作方式等對吸魚性能及效率的影響[6-10]。針對真空吸魚泵吸魚過程流動特性的試驗及數(shù)值計算很少有文獻報道，臺灣屏東科技大學(xué)陳士華[11]采用計算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)數(shù)值方法，分析了集魚筒內(nèi)下方流場產(chǎn)生的旋渦，旋渦易造成魚體損傷，并通過試驗發(fā)現(xiàn)同心圓吸魚口對羅非魚的吸取效果較好；臺灣大學(xué)古寬閔[12]基于多相流理論，利用氣力提升泵實現(xiàn)了遠海網(wǎng)箱養(yǎng)殖中漁獲的成功起捕。丁子陽等[13]設(shè)計了一種單罐真空吸魚泵并用Fluent計算得到了魚水混合物內(nèi)部流場的流動圖和速度矢量圖，表明設(shè)計真空吸魚泵可以有效地減少魚類碰撞傷害。這些研究并未關(guān)注到真空吸魚泵內(nèi)水氣界面演繹過程以及抽氣壓力變化對吸入速度的影響問題，使得優(yōu)化設(shè)計難以進行。

本研究以某深遠海養(yǎng)殖平臺真空吸魚泵為研究對象，基于體積函數(shù)法(volume of fluid，VOF)兩相流模型，對真空吸魚泵集魚裝置內(nèi)部氣液兩相流動過程進行數(shù)值模擬，探究真空吸魚泵吸魚過程氣液流動機理以及抽氣壓力變化對吸魚速度影響，以期為真空吸魚泵的抽氣壓力、閥門開啟時間控制等操作參數(shù)提供理論依據(jù)。

1 計算模型及邊界條件

1.1 物理模型

以某深遠海養(yǎng)殖工船的真空吸魚泵為研究對象，該真空吸魚泵采用間歇式吸排魚方式，使用水環(huán)真空泵進行抽氣，設(shè)計魚水流量為80 t/h。對吸魚流道的吸魚過程進行計算，吸魚流道包括吸魚管道與集魚筒內(nèi)部，采用二維計算模型。吸魚管與集魚筒流道如圖1所示。

圖1 吸魚管與集魚筒流道示意圖

管道內(nèi)部AB段直徑為0.16 m，吸程高4 m；集魚筒內(nèi)部長2 m、寬1 m，集魚筒出口端C口直徑為0.04 m；A為吸魚管入水口，在水面以下0.3 m，B為集魚筒進水口，C為集魚筒抽氣口；采用Ansysworkbench的mesh模塊對吸魚流道二維計算域進行結(jié)構(gòu)建模及網(wǎng)格劃分，為提高計算精度集收斂性，采用四面網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)為26 178，網(wǎng)格平均正交質(zhì)量為0.995，最小正交質(zhì)量為0.869，無負值面積單元。

1.2 控制方程

真空泵吸魚過程具有自由界面氣液兩相流動特性，采用瞬態(tài)VOF模型能夠精確捕捉復(fù)雜自由界面氣液兩相流變化[14]。VOF方法通過引入體積函數(shù)ε確定氣液界面，在所計算單元網(wǎng)格內(nèi)：ε=0表示網(wǎng)格內(nèi)全部是空氣；ε=1表示網(wǎng)格內(nèi)充滿液體；0<ε<1表示網(wǎng)格內(nèi)是氣液混合體。其中，計算單元網(wǎng)格內(nèi)混合流體的密度和黏度分別為[15]：

ρm=εgρg+(1-εg)ρl

(1)

μm=εgμg+(1-εg)μl

(2)

體積函數(shù)ε的輸運方程為：

(3)

混合流體流動的基本方程為連續(xù)方程和Navier-Stokes方程：

(4)

(5)

式中：ρm為混合流體密度，kg/m3；ρg為氣體密度，kg/m3；ρl為液體密度，kg/m3；εg為氣體體積函數(shù)；μm為混合流體黏度系數(shù)；μg為氣體黏度系數(shù)；μl為液體黏度系數(shù)；εp為第p相的體積函數(shù)，p=1、2，分別表示液相和氣相；t為時間，s；v為流體速度，m/s；P為流體單元網(wǎng)格所受壓力，Pa；μ為流體動力黏度，Pa/s；f為質(zhì)量力，此處為重力加速度，m/s2。

由于該流動過程屬于瞬態(tài)紊流過程，粘性模型采用標(biāo)準k-ε湍流模型，壓力-速度耦合方式選用PISO算法，可以有效提高計算速度和收斂性。

1.3 邊界條件與初始條件

計算域邊界條件的進口為A口，其進口速度未知，該位置接近水面，設(shè)置壓力進口條件，進口壓力為標(biāo)準大氣壓值；出口C設(shè)置為壓力出口邊界，由于集魚筒的出氣口是影響吸魚性能的關(guān)鍵因素，文中分別設(shè)置了不同出口壓力進行計算；空氣為理想可壓縮流體，設(shè)置為主相，水為不可壓縮流體，設(shè)置為次相；吸魚過程為瞬態(tài)計算，初始時刻，氣液交界面在水面處，氣液交界面至A口處為水相段，水的體積分數(shù)為1；氣液交界面以上的管路流道及吸魚筒流道均為空氣相，水的體積分數(shù)為0。

2 計算結(jié)果及分析

2.1 吸魚過程相位分析

吸魚管與集魚筒內(nèi)不同時刻的氣液兩相瞬時狀態(tài)如圖2所示，紅色代表水相，藍色代表氣相。抽氣壓力為-30 kPa條件下，t=0 s 時，即初始時刻，氣液交界面至入口處為水相，氣液交界面以上的管路流道及吸魚筒流道均為氣相；t=0.8 s時，水剛好到達集魚筒入口，隨后，水在重力作用下，傾斜向下流入并沖擊到集魚筒底部，由于水與壁面摩擦作用產(chǎn)生附壁效應(yīng)，部分水流沿著壁面向上運動，運動到壁面一定高度后，再向下運動，不斷卷入周圍氣體，使得水氣相互摻混；t=3.7 s時，集魚筒內(nèi)的水剛好到達集魚筒抽氣口，集魚筒內(nèi)充滿了水與大量氣團組成的泡沫狀氣液兩相混合體，有摻氣現(xiàn)象產(chǎn)生[16-17]，集魚筒內(nèi)脈動增大；之后如圖2(e)～圖2(f)所示，氣泡不斷運動，并聚集成更大氣團，氣團逐漸向抽氣口方向運動，直至流出抽氣口。為進一步分析集魚筒內(nèi)氣液流動發(fā)展?fàn)顟B(tài)，繼續(xù)保持集魚筒排魚閥關(guān)閉狀態(tài)，增加了吸魚過程非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算時長，如圖2(g)～圖2(i)所示，集魚筒內(nèi)仍有大量小氣泡存在，并隨水不斷流向抽氣口，t=10 s，集魚筒只含有少量小氣泡，流動基本穩(wěn)定。

圖2 抽氣壓力-30 kPa下吸魚過程不同時刻氣液相位圖

在該抽氣壓力條件下，由于集魚筒內(nèi)起始階段流動波動大，魚在集魚筒內(nèi)易受到壁面沖擊與相互碰撞，造成一定程度外部損傷，可通過減緩吸魚管及集魚筒安裝坡度、去除流道銳角、降低集魚筒內(nèi)魚緩沖高度來等方式減少碰撞概率。集魚筒注滿時間很短，魚在負壓環(huán)境下時間僅幾秒，壓力下降遠低于50 kPa/s，對魚的損傷影響較小[18-20]。因此，在真空吸魚泵設(shè)計中若過多增加集魚筒容量尺寸，雖然改善了吸魚泵流動性能及人工操作適應(yīng)性，但是增加了魚在負壓環(huán)境的時間，當(dāng)負壓環(huán)境壓力梯度超過了魚的承受能力，會造成了魚鰾不同程度的破損，使魚身失去平衡，甚至因此死亡[21]。

2.2 吸魚過程進口速度分析

吸魚管道進口速度和集魚筒進口速度是判定能否順利吸魚的重要因素，如果管道進口水的啟動速度較低，由于魚的應(yīng)激反應(yīng)，魚將快速離開吸魚管口，即便部分魚被水一起吸入到管道，如果集魚筒進口管道水流速小于魚的游泳速度，魚也可能逆流逃出管道，因此模擬計算并分析了不同抽氣壓力對吸魚管道進口與集魚筒進口水流速度的影響。不同抽氣壓力下水流速度隨時間變化如圖3所示。

圖3 不同抽氣壓力下水流速度隨時間變化

圖3a顯示了不同抽氣壓力下A口進水速度隨時間變化，A口的啟動速度隨著抽氣壓力的減小不斷增大，且在t=0.5 s左右，進口A處的速度均大于2 m/s，之后速度波動減小。在t=7 s后，-40 kPa～-20 kPa條件下，A口速度逐漸平穩(wěn)，且速度均大于1.5 m/s，根據(jù)上節(jié)中氣液相位分析可知，此時集魚筒內(nèi)大氣泡完全排出抽氣口，部分水也從抽氣口流出，在此段抽氣壓力范圍內(nèi)，集魚筒注滿水時間受抽氣壓力影響很小，若再降低抽氣壓力只會加重真空泵負荷。在所計算抽氣壓力為-10 kPa與-15 kPa條件下，吸水管出現(xiàn)了倒流現(xiàn)象，負值速度表示水倒流，結(jié)合圖4中抽氣壓力在-15 kPa條件下的氣液相位圖分析，t=1.5 s時，水剛好到達管路最高吸程處，在t=2 s時，管路部分水沒過最高點流入到集魚筒內(nèi)，其余水流沿管倒流向下，之后，水沿管道來回晃蕩，由于流體與壁面摩擦作用造成能量耗散，管內(nèi)水不再到達最高點，集魚筒也不再進水。若進一步減小抽氣壓力，使得大氣壓與抽氣負壓之間壓差增大，吸魚管入口水具有較大動能而再次被抽到集魚筒。抽氣壓力-15 kPa條件下不同時刻氣液相位如圖4所示。

圖4 抽氣壓力-15 kPa條件下不同時刻氣液相位圖

圖3b顯示了不同抽氣壓力下B口進水速度隨時間變化，其中，-40 kPa～-20 kPa條件下的B口速度變化趨勢與A口速度基本相似，水流從A口吸入1 s左右后，從B口流入集魚筒，之后速度波動減小。其中，在抽氣壓力-15 kPa條件下，B口在1.5～2.5 s時段有水流流過，圖4中t=2 s及之后時刻對應(yīng)的氣液相位圖可以很好說明。在抽氣壓力-20 kPa、t=2.3 s處，B口的速度降至1.1 m/s，對于游泳速度高于此速度的魚，容易造成魚逆流到管道入口外，考慮到實際工程應(yīng)用中管路安裝長度更長、彎頭較多，造成的沿程損失與局部損失更大，因此真空吸魚泵的抽氣壓力應(yīng)不高于-20 kPa，才能保證將魚水混合物抽到集魚筒內(nèi)。當(dāng)抽氣壓力低于-40 kPa，會增加抽氣真空泵的能耗，同時使集魚筒內(nèi)壓力梯度接近50 kPa/s，致使魚的損傷增加[18-19]，因此，抽氣壓力保持在-40 kPa～-20 kPa范圍可確保魚水混合物順利且損傷較小地抽到集魚筒內(nèi)。

3 結(jié)論

在一定抽氣壓力下，管道內(nèi)水抽吸至集魚筒后，不斷卷入周圍空氣，產(chǎn)生了水與大量氣團組成的泡沫狀氣液兩相混合體，流動波動大，至t=7 s左右，流動趨于穩(wěn)定，且集魚筒注滿水，魚在負壓環(huán)境接觸時間短。抽氣壓力在-40 kPa～-20 kPa范圍時，管道入口速度與集魚筒入口速度隨著抽氣壓力的減小先增大后波動減小，集魚筒注滿水時間受抽氣壓力影響小；當(dāng)抽氣壓力高于-20 kPa時，容易造成倒流而無法吸魚，當(dāng)抽氣壓力低于-40 kPa，會增加抽氣真空泵能耗以及集魚筒內(nèi)壓力梯度，因此抽氣壓力保持在-40 kPa～-20 kPa范圍可確保魚水混合物順利抽到集魚筒內(nèi)。

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