喉管與噴嘴截面積比對射流式魚泵輸送性能及魚損的影響

徐茂森，龍新平，牟介剛，鄭水華，周佩劍，任 蕓，吳登昊

（1. 浙江工業大學機械工程學院，杭州 310023；2. 武漢大學水射流理論與新技術湖北省重點實驗室，武漢 430072；3. 浙江工業大學之江學院，紹興 312030）

0 引 言

水產品是人類重要的食物來源。2013年，全世界超過30億人近20%的日均動物蛋白攝入量由水產品提供[1]。網箱養殖是水產養殖中重要且先進的生產方式[2]，但由于近海海洋破壞及養殖區域環境污染，網箱養殖的主要作業區域漸漸地由內灣和近海向深遠海拓展[3]。大型深水網箱的廣泛使用也促進與其配套的漁獲裝備迅速發展。因此，作為水產養殖業配套設備的吸魚泵有著廣闊的發展空間。

國外魚泵的研制工作早在20世紀四、五十年代便已開始，現已取得較大的發展，一些漁業發達國家如挪威、美國、日本、丹麥及俄羅斯等在網箱養殖中普遍使用吸魚泵[4]。吸魚泵的主要類型有離心式、真空式、空氣揚升式與射流式魚泵。離心式魚泵采用離心泵的原理并對離心泵的葉輪進行特殊設計，其產量較大，但旋轉的葉輪極易造成較大魚損。與之相比，真空式魚泵和空氣揚升式魚泵對魚類的損傷較小，但效率均偏低[5-6]。在諸多魚泵中，射流式魚泵結構簡單且內部無運動部件，輸送過程對魚類造成損傷小，能夠實現魚類不間斷輸送，并且可以輸送魚類的種類多，綜合效益高，具有十分廣闊的應用前景[7]。目前，射流式魚泵的研究主要集中于泵體結構設計[8]、魚類輸送性能[9]、泵內魚類運動特征[10]及輸送過程中魚類的應激響應[11]等方面。而學者們卻較少關注射流式魚泵結構參數對輸送性能及魚類損傷的影響。該研究與生產實踐緊密相關，也是射流式魚泵優化設計的重要依據，其對高效無損魚類輸送的發展有著重要意義。

射流式魚泵的本質是一類環形射流泵[12]，其寬闊的流道非常適合物料輸送[13-14]，在其諸多結構參數中，喉管與噴嘴截面積比是其最重要的結構參數，該參數決定著泵的性能[15]。王振恒等[16]數值計算了不同喉管與噴嘴截面積比的環形射流泵內部流場，得到了喉管與噴嘴截面積比為 3時環形射流泵效率最高的結論。曾慶龍等[17]則系統地對喉管與噴嘴截面積比為1.75的環形射流泵開展了結構優化設計研究，運用試驗設計（design of experiments，DOE）和計算流體動力學（computational fluid dynamics，CFD）技術尋求環形射流泵效率最高時的最佳結構尺寸組合。為此，本文采用試驗的方法分別研究喉管與噴嘴截面積比為1.75和3射流式魚泵的輸送能力及能耗，統計過泵魚類的表觀損傷，檢查其主要臟器的損傷情況并檢測相關血清指標。本文研究了射流式魚泵喉管與噴嘴截面積比對輸送性能及魚類損傷的影響規律，為今后射流式魚泵的深入研究與優化設計提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本文將鯽魚作為試驗對象，其購自湖北省團風縣百容水產良種場，并使用活魚充氧袋運送至試驗臺。各尾鯽魚尺寸均勻，平均質量33.8 g，平均體長108.7 mm，平均體寬32.8 mm。

1.2 試驗裝置

基于之前的研究成果[18-22]，本文設計了如圖 1所示的射流式魚泵。其主要由被吸管、工作管、環形噴嘴、收縮室、喉管及擴散管等 6個部分組成。其中喉管直徑Dt是關鍵尺寸，決定了可通過鯽魚的大小，可視為該泵的特征尺寸。本文采用Dt=60 mm的喉管，工作管、被吸管和出口管直徑分別為 Dp=100 mm、Ds=80 mm和Dd=125 mm。同時，本文設計了一種控比環結構，通過調節控比環內徑Dr與泵體結構的配合，可形成不同喉管與噴嘴截面積比（m=1.75和 3），該環具有控制喉管與噴嘴截面積比準確、更換方便等優點。射流式魚泵的工作原理可以簡述為：高壓工作流體通過工作管后經環形噴嘴射出，在收縮室內形成高速射流，并對低壓被吸流體（魚水混合物）產生強烈的卷吸作用；魚水混合物經被吸管與工作流體在收縮室和喉管內劇烈摻混；之后，魚水混合物經擴散管增壓后排出。

圖1 射流式魚泵結構示意圖Fig.1 Sketch of jet fish pump structure

射流式魚泵的主要性能參數定義如下：喉管與噴嘴截面積比：

流量比：

壓力比：

泵效率：

水功率：

輸送能力：

單位質量能耗：

式中At為喉管截面積，mm2；Aj為環形噴嘴截面積，mm2；Qs為被吸流體流量，m3/h；Qp為工作流體流量，m3/h；Pc為混合流體出口壓力，kPa；η為泵效率，%；Pp為工作流體壓力，kPa；Ps為被吸流體壓力，kPa；Pw為水功率，kW；ηf為輸送能力，kg/h；mf為輸送魚總質量，kg；t為輸送時間，h；Ef為單位質量能耗，kW?h/t。

試驗魚在試驗之前均需暫養半個月，其所處環境需清潔以降低病害發生可能性。本文為射流式魚泵輸魚試驗設計了如圖2所示的試驗臺，其兼顧暫養及試驗2個功能，具有內循環過濾水系統以保障水環境的清潔。為降低魚類損傷，射流式魚泵出口管段不安裝閥門，出口壓力由出口管末端高度控制（可在1.84～2.24 m范圍內調節）。射流式魚泵的高壓工作流體由離心泵（揚程32 m，流量200 m3/h）提供，流量可由離心泵出口閥門控制。

圖2 射流式魚泵試驗臺Fig.2 Experiment rig of jet fish pump

試驗采用科隆（Krone）分體式電磁流量計測量流量。2個電磁流量計分別布置于工作管和出口管，測量精度介于0.20%～0.30%。射流式魚泵工作管入口、被吸管入口和出口管上分別安裝一支壓力傳感器，喉管和擴散管上分別均布4支和6支壓力傳感器，所用傳感器測量誤差均不超過0.5%，數據采集頻率1 000 Hz。

1.3 試驗方案

本試驗采用喉管與噴嘴截面積比分別為1.75和3的2個射流式魚泵進行鯽魚輸送試驗，為保證試驗魚在進入射流式魚泵收縮室前處于相同的流速環境，輸送過程中所產生的差異均由喉管與噴嘴截面積比的不同而造成，經預試驗后，本文試驗工況如表1所示。

表1 試驗工況Table 1 Experiment condition

在上述4個工況中，本文采用10 kg鯽魚分別進行每個工況的輸送試驗，每個工況重復 4次（試驗魚不重復使用，總計160 kg），并分別記錄輸送時間。工況1和3輸送結束后，將試驗魚從回收箱中取出，并隨機取其中80尾鯽魚，均分為4組放入4個網箱，并以0，1，6和24 h命名上述4組試驗魚。待達到相應時間（例如：0 h為回收箱取出后立刻，1 h為回收箱取出后1 h），將試驗魚從相應網箱中取出并放入含有MS-222（魚用麻醉藥）的水中。待試驗魚麻醉后，將其從水中取出，在其尾靜脈處取血，經離心后得到血清樣本。采用西門子 ADVIDA 2400全自動生化分析儀檢測血清中谷丙轉氨酶 ALT（alanine aminotransferase）活性和肌酐Cr（creatinine）濃度。ALT常用于衡量肝臟損傷，其主要在肝臟中合成，廣泛地分布在各組織器官，而在肝中含量最高；當肝臟受損時其血清中的含量會明顯升高，故其常作為反映肝臟損傷的最主要指標之一[23-26]。Cr是反映腎臟功能的重要指標，其經由腎臟過濾后排出，當腎臟受損時，其過濾能力下降，血清中的Cr含量上升，故其能夠較為準確地反映腎臟損傷情況[27-28]。除了檢測上述血液指標，本文也統計了試驗中鯽魚出現的表觀損傷，主要包括碰撞傷、鱗片脫落和鰓蓋損傷等。魚體碰撞傷（身體挫傷）可能引起魚體感染（如小瓜蟲病），是水產養殖的重大隱患[29]。魚鰓血管發達、氣體交換效率高但血管壁較薄，硬骨魚鰓蓋是保護鰓瓣的重要屏障，而鰓蓋損傷則導致魚鰓極易受到損傷及感染，繼而影響魚類代謝及健康[30]。魚鱗有著非常重要的機能，其可以為魚體阻隔水環境中的微生物并有效抵抗疾病，魚鱗脫落則導致魚體感染的風險顯著提高，而少量鱗片脫落并不會對魚類造成太大影響。本文采用40尾未被射流式魚泵輸送的試驗魚作為對照組CK（control check），進行上述相同的操作。

2 結果與分析

2.1 喉管與噴嘴截面積比對泵輸送性能的影響

魚類輸送能力和單位質量能耗是衡量射流式魚泵輸送性能的重要指標。經試驗測定，喉管與噴嘴截面積比為1.75和3的射流式魚泵輸送魚類過程中的魚水比（質量比）分別為1:27和1:42。圖3所示為不同喉管與噴嘴截面積比的射流式魚泵在相同被吸流體流量下的輸送能力。從圖中可以看出，喉管與噴嘴截面積比較小的射流式魚泵的輸送能力均較強，隨著被吸流體流量的增加，不同喉管與噴嘴截面積比射流式魚泵的輸送能力均增加，但增加幅度卻不同。在Qs=51 m3/h工況下，m=1.75的射流式魚泵輸送能力達到1 913 kg/h，比Qs=40 m3/h工況下的輸送能力增加26.9%；而對于m=3的射流式魚泵，其輸送能力僅從943 kg/h（Qs=40 m3/h）增長至1 165 kg/h（Qs=51 m3/h），增幅僅為23.5%。值得注意的是，在相同的被吸流體流量工況下，m=1.75與m=3射流式魚泵輸送能力之差，從564 kg/h（Qs=40 m3/h）擴大至748 kg/h（Qs=51 m3/h）。在相同被吸流體流量下，喉管與噴嘴截面積比較小的射流式魚泵高壓工作流體流量較大，且對被吸流體的卷吸能力較強，兩者摻混后的混合流體流量較大。因此，在相同被吸流體流量下，喉管與噴嘴截面積比較小的射流式魚泵魚類輸送的能力較強。

圖3 不同喉管與噴嘴截面積比射流式魚泵輸送能力Fig.3 Transportation capacity for jet fish pumps with different sectional area ratios of throat to nozzle

根據公式（5）可計算出4個試驗工況的水功率。經計算，m=1.75射流式魚泵在Qs=40 m3/h和Qs=51 m3/h工況的水功率分別為2.01和2.89 kW，均分別小于m=3射流式魚泵相應工況下的水功率（2.25和 3.29 kW）。而m=1.75射流式魚泵在相應工況下的輸送能力較強，則可以得到結論：在相同被吸流體流量下，喉管與噴嘴截面積比較小的射流式魚泵單位質量能耗較小，如圖4所示。

圖4 不同喉管與噴嘴截面積比射流式魚泵單位質量能耗Fig.4 Energy consumption per unit mass for jet fish pumps with different sectional area ratios of throat to nozzle

隨著被吸流體流量的增加，單位質量能耗均增加，但增加幅度卻不同。在Qs=51 m3/h工況中，m=1.75的射流式魚泵單位質量能耗為1.51 kW?h/t，比Qs=40 m3/h工況下的單位質量能耗增加13.5%；而對于m=3的射流式魚泵，其單位質量能耗從2.39 kW?h/t（Qs=40 m3/h）增長至2.82 kW?h/t（Qs=51 m3/h），增幅為18%。在相同的被吸流體流量工況下，m=1.75與m=3射流式魚泵輸送能力之差，從 1.06 kW?h/t（Qs=40 m3/h）擴大至 1.31 kW?h/t（Qs=51 m3/h）。因此，在相同被吸流體流量下，喉管與噴嘴截面積比較小的射流式魚泵單位質量能耗較低。

2.2 喉管與噴嘴截面積比對魚類表觀損傷的影響

除了射流式魚泵的輸送性能，魚類損傷也是生產實踐中關注的重點。本文將鱗片脫落面積占總體表面積小于 10%的損傷定義為輕度損傷，將鱗片脫落面積占總體表面積大于 10%的損傷、碰撞傷和鰓蓋損傷定義為重度損傷，本文試驗中鯽魚損傷情況如表2所示。

表2 鯽魚表觀損傷率統計Table 2 External injury rate statistics for Carassius auratus

從表2中可以發現，對于2種面積比的射流式魚泵，輕度損傷均是射流式魚泵輸魚過程中魚類損傷的主要類型，約占總過泵魚類的10%，其占比明顯高于重度損傷；相同喉管與噴嘴截面積比射流式魚泵中，被吸流體流量較大的工況，魚類損傷率均較高；在相同被吸流體流量下，喉管與噴嘴截面積比較小的射流式魚泵中魚類輕度損傷率較高，而由喉管與噴嘴截面積比差異造成的魚類重度損傷率差異較小。上述損傷結果的差異可能是由射流式魚泵內兩股流體摻混過程中的復雜剪切流動造成的。在相同被吸流體流量下，喉管與噴嘴截面積比較小的射流式魚泵工作流體流量較大，其與被吸流體摻混過程較長，而在兩股流體摻混的過程中存在較為強烈的剪切流動，該剪切流動極易造成魚類鱗片脫落，故喉管與噴嘴截面積比較小的射流式魚泵輸送過程中，魚類輕度損傷率較高。

2.3 喉管與噴嘴截面積比對魚類主要臟器的影響

本文試驗發現在過泵后少數試驗魚肝臟表面出現了彌漫性出血現象，即表明射流式魚泵的輸送過程也可能影響到魚類主要臟器。表 3所示為鯽魚通過射流式魚泵后血清ALT活性和Cr濃度的變化。

表3 血清指標Table 3 Serum index

由表 3可知，鯽魚在通過射流式魚泵后，其血清中ALT活性持續增加，即提示其肝臟可能受到射流式魚泵輸送過程的影響。其中，鯽魚在被m=3的射流式魚泵輸送后，其ALT活性在24 h時與對照組CK相比出現了顯著性差異，則提示鯽魚肝臟可能受到了損傷，亦表明喉管與噴嘴截面積比較大的射流式魚泵的輸送過程對鯽魚肝臟造成的損傷較嚴重。該損傷可能是由射流式魚泵內的低壓區域造成的，魚類在通過該區域時，其肝臟毛細血管血液中可能有氣體析出甚至部分液體氣化，產生大量氣泡并堵塞血管，甚至造成血管破裂，造成肝臟損傷，表現為肝臟表面出現了彌漫性出血。

而與ALT活性的變化規律不同，鯽魚通過不同喉管與噴嘴截面積比的射流式魚泵后，其血清Cr濃度均表現出先上升后下降的趨勢。值得注意的是，鯽魚血清中 Cr含量在6 h （m=1.75）和1 h（m=3）時刻均與各自對照組相比出現了顯著性差異，但在24 h時均表現出與各自對照組無顯著性差異，則表明鯽魚腎臟在經過射流式魚泵輸送后可能受到了損傷但是這種損傷是可以恢復的。

3 結 論

本試驗研究了喉管與噴嘴截面積比為1.75和3的射流式魚泵輸送鯽魚性能，以及輸送過程對鯽魚表觀損傷及主要臟器損傷的影響情況，主要結論如下：

1）在相同被吸流體流量下，喉管與噴嘴截面積比較小的射流式魚泵輸送鯽魚能力較強，達到1 913 kg/h；單位質量能耗較低，僅為1.51 kW?h/t。

2）在射流式魚泵輸魚過程中，輕度損傷是鯽魚損傷的主要類型。在相同被吸流體流量下，喉管與噴嘴截面積比較小的射流式魚泵中魚類輕度損傷率較高，而喉管與噴嘴截面積比對重度損傷率影響較小。

3）在相同被吸流體流量下，喉管與噴嘴截面積比較大的射流式魚泵的輸送過程對鯽魚肝臟造成的損傷較嚴重；而不同喉管與噴嘴截面積比射流式魚泵輸送過程均會對鯽魚腎臟造成影響，但是這種影響在24 h內可以恢復到未過泵時的水平。

4）綜合考慮輸送能力及魚損情況，喉管與噴嘴截面積比較小的1.75射流式魚泵更適合魚類輸送。

鑒于試驗條件有限，本文仍有一些不足。在今后的研究中，應當進行更多喉管與噴嘴截面積比射流式魚泵的試驗，并考慮更多種類魚在輸送過程中的差異。