高速攝影技術分析射流式魚泵流量對魚運動規律影響

徐茂森，黃 斌，牟介剛，谷云慶，周佩劍，吳登昊

高速攝影技術分析射流式魚泵流量對魚運動規律影響

徐茂森1，黃 斌1，牟介剛2，谷云慶2，周佩劍2，吳登昊2※

（1. 浙江工業大學機械工程學院，杭州 310023；2.中國計量大學計量測試工程學院，杭州 310018）

采用高速攝影技術初步研究了草魚、團頭魴和鯽魚等3種魚類在射流式魚泵內的運動規律，分析了魚類逆流游動率、逆流游動過泵時間、姿態變化率及魚類與泵壁面碰撞所受力與工作流體流量之間的關系。試驗研究表明：在5種工作流體流量工況下，隨著工作流體流量的增加，魚類逆流游動率逐漸降低，過泵時間逐漸減少，姿態變化率逐漸升高，所受碰撞力逐漸升高；在工作流體流量較低時，魚類逆流游動率超過85%，過泵時間均超過300 ms，姿態變化率均小于6%，所受碰撞力在1～3 N的范圍內；在工作流體流量較高時，魚類逆流游動率在50%～85%之間，過泵時間在125～175 ms之間，大多數情況下姿態變化率9%～18%之間，所受碰撞力在5～7 N的范圍內；在試驗所用3種試驗魚中，草魚的過泵時間最長，姿態變化率最高，并在大部分工況中所受碰撞力最大。

魚；高速攝影技術；射流式魚泵；工作流體流量；魚類運動規律

0 引 言

中國是水產品生產和消費大國，水產養殖產量常年占據世界產量的60%以上[1]。隨著養殖規模的擴大，中國水產養殖行業正朝著以深遠海抗風浪網箱為代表的現代漁業技術發展[2]。因此，與其相配套的魚泵已成為漁業機械的重要發展方向。魚泵根據工作原理主要分為離心式魚泵[3]、空氣揚升式魚泵[4]、真空式魚泵[5]和射流式魚泵[6]。其中，射流式魚泵因其結構簡單、流道寬闊和內部無運動部件等優點，非常適合輸送魚類，綜合效益高。

輸送性能和魚類損傷是射流式魚泵研究的重點，也是評估與生產實踐是否具有應用價值的關鍵。在輸送性能方面，以往的研究主要關注射流式魚泵的輸送能力和能耗[7]，并比較了其在輸送不同種類魚時輸送性能的差異[8]。在魚類損傷方面，研究人員統計了不同工況下的魚類損傷類型及程度，分析了相關血液指標的變化規律[9]，并重點討論了射流式魚泵內復雜水力因素作用下的魚類損傷[10]。射流式魚泵工作狀態直接關系到輸送性能和魚類損傷。然而，目前對射流式魚泵內魚類運動的研究僅停留在定性描述方面[11]，缺乏定量分析與機理方面的討論。

本文采用高速攝影技術研究了草魚、團頭魴和鯽魚在射流式魚泵不同工況下的運動狀態，統計并分析了泵內魚類運動規律，分析了射流式魚泵對輸送性能及魚類損傷的影響。研究結果將有助于射流式魚泵的深入研究及結構優化設計，也為魚類受迫運動研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗研究選取3種在身體形狀上具有代表性的魚類作為試驗對象，分別為圓柱形的草魚、側扁形的團頭魴（又名“武昌魚”）和紡錘形的鯽魚作為試驗對象。試驗魚購自湖北省團風縣百容水產良種場，各尾試驗魚尺寸均勻，每種試驗魚各250尾，試驗魚身體參數如表1所示。

表1 試驗魚身體參數

1.2 試驗裝置

根據前期研究成果[12-13]，本文設計了如圖1所示的射流式魚泵試驗臺。射流式魚泵主要由被吸管、工作管、環形噴嘴、收縮室、喉管及擴散管等6個部分組成[14-18]。射流式魚泵喉管與噴嘴截面積比為1.75，喉管直徑為60 mm。工作原理：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混流；之后，魚水混合物經擴散管增壓后排出。

1.工作管 2.離心泵 3.電磁流量計 4.閥門 5.環形噴嘴 6.收縮室 7.喉管 8.擴散管 9.出口管 10.回收箱 11.被吸管 12.壓力傳感器 13.入口溜槽

為了觀察泵內魚類運動，該泵的收縮室、喉管和擴散管均由有機玻璃通過整體數控精加工而成，且上述部件外壁面均為方形以消除曲率的影響。泵出口直管段不安裝閥門，試驗魚被輸送至回收網箱。試驗采用科隆（Krone）分體式電磁流量計測量流量，測量精度介于0.20%～0.30%。試驗采用活圖隆（Photron）一體式高速攝像機記錄泵內魚類運動狀態，拍攝幀率10 000 fps，分辨率1 024×232像素。

1.3 試驗方案

試驗研究不同工作流體流量Q下射流式魚泵內魚類運動規律，設置了如表2所示的5個工況。每個工況分別采用50尾3種試驗魚進行試驗（試驗魚不重復使用，每個工況共150尾）。試驗首先開啟電磁流量計和壓力傳感器等數據采集設備；然后，啟動離心泵并調節至設定工況；待流動穩定后，布置好燈光，并完成高速攝像機對焦；之后，依次將試驗魚放入溜槽，并使用高速攝像機拍攝魚類過泵過程；最后，從回收箱中回收試驗魚。

表2 試驗工況

2 結果與分析

2.1 工作流體流量對魚類運動規律的影響

根據射流式魚泵內水流方向與魚體相對位置，將泵內魚類運動姿態分為順流游動和逆流游動[11]。圖2所示為不同工況下收縮室內魚類逆流游動率（相同工況下，逆流游動魚類占同種試驗魚總數的比例），由圖可知所有工況中魚類逆流游動率均超過50%，即逆流游動魚類多于順流游動的魚類。在工作流體流量較低時、魚類逆流游動率超過85%；在工作流體流量較高時，魚類逆流游動率在50%～85%之間。這是由魚類本能決定的，魚類通過感應水流流速，能夠主動對抗水流而逆流游動，并調整自身游動狀態以保持逆流游動或懸停。隨著Q的增加，魚類逆流游動率逐漸下降。當Q較低時，被吸流體流速較低（如表1所示），與3種試驗魚的游動適應流速（約0.3～0.6 m/s）相當[19]，在進入被吸管之前及在被吸管中時，魚類有能力通過自身運動調整游泳姿態，轉變為本能的逆流游動；當Q較高時，被吸流體流速較高，魚類尚未及時調整姿態便被吸入射流式魚泵。不同種的魚類表現出不同的逆流游動率，在Q較低時團頭魴的逆流游動率較高，而在Q較高時草魚的逆流游動率較高。團頭魴呈側扁形，身體柔軟，其在被吸管中更容易轉變游動姿態，在Q較低時逆流游動率較高；而與其相比，草魚游動極限流速較高，其在Q較高時具有更強的游泳能力，因此在Q較高時逆流游動率較高。

圖2 不同工況下收縮室內魚類逆流游動率

在相同工況下，與輸送順流游動的魚類相比，射流式魚泵輸送逆流游動的魚類往往需要更長時間。將魚類進入收縮室至其離開擴散管的時間定義為魚類過泵時間。經統計，不同工況下魚類逆流游動平均過泵時間如圖3所示。在工作流體流量較低時，時間均超過300 ms；在工作流體流量較高時，在125～175 ms。隨著Q的增加，魚類逆流游動平均過泵時間不斷降低。其中，在Q較低工況中，該時間降幅明顯；而在Q較高工況中，該時間變化幅度較小。在Q=56 m3/h工況中，草魚、團頭魴和鯽魚的逆流游動平均過泵時間分別達到了379.9、314.3和315.6 ms，均分別超過其在Q較高工況（Q=80和90 m3/h）的時間2倍以上。在Q較低的工況中，泵內水流流速也較低，泵內魚類逆流游動效果明顯，延長了其在泵內的停留時間，魚類逆流游動平均過泵時間較長。而在Q較高的工況中，泵內水流流速較高，泵內魚類逆流游動效果并不明顯，故魚類逆流游動平均過泵時間明顯較短。對于試驗中3種試驗魚，草魚的逆流游動平均過泵時間均長于另外兩種魚的時間，尤其在Q=56 m3/h工況中。草魚游動極限流速較高，故可以在射流式魚泵內停留較長的時間。

從魚類輸送的角度，魚類在泵內的停留時間與射流式魚泵的魚類輸送性能密切相關。魚類逆流游動比例越低，則射流式魚泵的魚類輸送性能越強。魚類在泵內的停留時間越短，則射流式魚泵的魚類輸送性能越強。因此，在實際生產中，提高射流式魚泵工作流體流量可以降低魚類逆流游動率并顯著地減少魚類在射流式魚泵內的停留時間，從而提高射流式魚泵的魚類輸送性能。

圖3 不同工況下魚類逆流游動平均過泵時間

魚類在射流式魚泵內并不都是一直保持著某種運動姿態而不發生變化的。魚類在泵內受脅迫后產生應激響應，并出現自主游動現象，其與泵內復雜流動共同作用下在泵內出現2種姿態轉變方式，即翻轉和旋轉，如圖4。翻轉最明顯的特征為魚體與水流方向的相對位置發生改變，其身體常呈現出C形運動；而旋轉則不發生上述改變，僅以自身為軸旋轉。試驗發現魚類姿態變化多發生于擴散管中前部，這是因為擴散管相較于喉管更寬闊，而擴散管中前部內流體的摻混過程相較于后部更為劇烈，有利于魚類姿態變化。

圖4 射流式魚泵內魚類姿態轉變方式

射流式魚泵內魚類姿態變化率（相同工況下，姿態變化魚類占同種試驗魚總數的比例）如圖5所示。在工作流體流量較低時，姿態變化率均小于6%；在工作流體流量較高時，大多數情況下姿態變化率9%～18%之間。從整體趨勢上看，隨著Q的增加，泵內魚類姿態變化率也隨之增加。在Q較低工況中，泵內流體流速較低，工作流體和被吸流體摻混程度較弱，魚類可通過自身運動保持其在泵內的運動姿態，姿態變化率較低；而在Q較高工況中，泵內流體流速較高，工作流體和被吸流體摻混強烈，魚類運動姿態在泵內復雜流動脅迫下被迫改變，姿態變化率較高。對于試驗中的3種魚類，其在泵內出現翻轉的比例高于旋轉的比例，則表明泵內軸向流動對魚類姿態變化的作用要強于周向流動對其的作用。從圖中亦可看出，泵內草魚的姿態變化率明顯高于另外兩種魚類，其圓柱形的體形在泵內更容易出現C形翻轉和旋轉。

圖5 射流式魚泵內魚類姿態變化率

在射流式魚泵中，翻轉常表現為魚類由逆流游動轉變為順流游動。產生該現象的原因可能是大多數魚類在進入收縮室之前已經保持了逆流游動的狀態，如圖2所示。與旋轉相比，魚類翻轉可以有效地減少其在泵內的停留時間，如圖4所示。

從魚類輸送的角度，魚類逆流游動比例越低，則射流式魚泵的魚類輸送性能越強。因此，在實際生產中，提高射流式魚泵工作流體流量可以提高魚類翻轉率，從而降低魚類逆流游動率，繼而提高射流式魚泵的魚類輸送性能。同時，根據射流式魚泵內魚類翻轉的特征和位置，其結構設計與優化可以考慮強化泵內兩股流體的摻混程度，促使泵內魚類出現由逆流游動轉變為順流游動的翻轉現象。

2.2 魚類與泵壁面的相互作用

魚類在射流式魚泵內的主要表觀損傷類型有鱗片脫落、鰓蓋損傷和組織挫傷（碰撞傷）等[20]。鱗片脫落和鰓蓋損傷可能由射流式魚泵內多種復雜水力因素造成，但是這些水力因素并不會造成魚體組織挫傷。通過高速攝影技術發現，射流式魚泵內出現魚類與泵內壁面碰撞的現象，是造成魚體表面組織挫傷的重要原因。

根據高速攝影技術拍攝的圖像，得到了魚類與壁面碰撞時兩者的接觸時間，并計算出了魚類在發生碰撞之前及之后的平均徑向速度。因此，根據動量定理，可以得到魚類與壁面碰撞時所受碰撞力的大小

式中為魚體質量，kg；`0為魚類在發生碰撞之前的平均徑向速度，m/s；`1為魚類在發生碰撞之后的平均徑向速度，m/s；為魚類與壁面碰撞時兩者的接觸時間，s。

根據上式，計算出了不同工況下平均魚類-壁面碰撞力，如圖6所示。從整體趨勢上看，隨著Q的增加，碰撞力也隨之增加，在Q較低時碰撞力增加幅度較為劇烈，而Q較高時其變化較為平緩。在Q較低（Q=56 m3/h）時，試驗魚所受力在1～3 N的范圍內，而Q較高（Q=80和90 m3/h）時，試驗魚所受力在5～7 N的范圍內。在3種試驗魚中，草魚在大部分工況中所受碰撞力最大，可能與其游動時較大的身體擺動幅度由關，加劇了其碰撞時所受力。因此，隨著Q的增加，射流式魚泵造成魚類碰撞傷的風險越大。

圖6 不同工況下平均魚類-壁面碰撞力

3 結 論

采用高速攝影技術研究了射流式魚泵工作流體流量對泵內魚類運動的狀態、機理，分析了泵內魚類組織挫傷的產生原因及與泵工作流體流量之間的關系。根據泵內魚類運動規律，闡明了其自主游動行為與射流式魚泵輸送性能之間的關系，主要結論如下：

1）射流式魚泵中逆流游動的魚類多于順流游動的魚類。在工作流體流量較低時，魚類逆流游動率超過85%，隨著工作流體流量的增加，逆流游動率逐漸降低。

2）在工作流體流量較低時，射流式魚泵中魚類過泵時間均超過300 ms。隨著工作流體流量的增加，該時間逐漸降低。在試驗所用3種試驗魚中，草魚的過泵時間最長。

3）魚類在射流式魚泵中存在2種姿態轉變方式，即翻轉和旋轉。在工作流體流量較低時，泵內魚類姿態變化率較低，均小于6%。隨著工作流體流量的增加，該姿態變化率逐漸升高。在試驗所用3種試驗魚中，草魚的姿態變化率最高。

4）射流式魚泵中魚類與泵內壁面碰撞是造成魚類組織挫傷的原因。在工作流體流量較低時，試驗魚所受碰撞力在1～3 N的范圍內，而隨著工作流體流量的增加，試驗魚所受碰撞力逐漸升高，試驗中魚類所受碰撞力達到5～7 N。在3種試驗魚中，草魚在大部分工況中所受碰撞力最大。

基于上述研究成果，在后續射流式魚泵優化設計中，可以考慮改進喉管及擴散管結構，加劇工作流體和被吸流體的摻混程度和范圍，促進射流式魚泵內魚類翻轉率的提升，增加逆流游動魚類比例，從而降低魚類過泵時間，實現提升射流式魚泵的魚類輸送能力。

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Impact of primary flow rate on fish locomotion law in jet fish pump based on high speed photography

Xu Maosen1, Huang Bin1, Mou Jiegang2, Gu Yunqing2, Zhou Peijian2, Wu Denghao2※

(1.310023,;2.310018,)

Sea cages have been widely used in fish industry in the recent years. Traditional method to transportfish is to lift the fish container, which is energy-intensive and could lead to fish losses. Energy-efficient fish pumps have been developed as a replacement in aquaculture to transport fish aimed to alleviate fish losses. Based on its operating principle, traditional fish pump can be classified into three types: Impeller fish pump, pressure/vacuum (P/V) fish pump, and jet fish pump. The impeller fish pump has specially designed high-speed rotating blades, which are efficient to transport fish but could hit the fish and result in casualties. The P/V fish pump is more friendly to the fish, but its discontinuous operation in suction and discharge is inefficient in energy. In contrast, the annular jet pumpworks by transferring momentum from a high-velocity primary stream to a secondary stream, improving its overall performance compared to other two fish pumps due to its non-rotation and continuous operation. Based on high speed photography, this paper presentsan experimental study on impact of the primary flow rate on locomotion of,andin a jet fish pump under five operating conditions. The experimental results showed that with primary flow rate increasing, both percentage of backward-moving fish and the average transit time of the fish decreased,while the posture change rate and the average collision force betweenthe fish and the wall increased. At low primary flow rate, the percentage of backward-moving fish was above 85%, the average transit time of the fish was more than 300 ms, the posture change rate was less than 6% and the average collision force between the fish and the wall was between 1 and 3 N. At the high primary flow rate, the percentage of backward-moving fish was between 50% and 85%, the average transit time of the fish was between 125 and 175 ms, the posture change rate was between 9% and 18% and the average collision force of the fish was between 5 and 7 N. Among the three types of fishes,had the longest transit time and highest posture change rate in the pump; they also suffered the biggest collision force with the cage wall in most operating conditions. Our results alluded that the jet fish pump can be optimized by intensifying the mixture of the primary flow and the secondary flow in the suction chamber and the throat to increase the posture change rate of the fish. This can reduce the transit time of the fish and increase the transport performance of the pump. In summary,the main contribution of our work is elucidation of the influence of the primary flow rate on locomotion of fish injet fish pump. It provides guidelines tooptimization of jet fish pump with locomotion of fish in consideration.

fish; high speed photography; jet fish pump; primary flow rate; fish locomotion

2019-06-27

2019-08-29

國家自然科學基金(51909235，51779226，51609212)和中國博士后科學基金(2018M642477)聯合資助

徐茂森，助理研究員，博士，主要從事環境友好型水力機械方面的研究。Email：msxu@zjut.edu.cn

吳登昊，副教授，博士，主要從事流體機械優化設計及兩相流等方面的研究。Email：wudenghao@aliyun.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.010

S951

A

1002-6819(2019)-17-0074-05

徐茂森，黃 斌，牟介剛，谷云慶，周佩劍，吳登昊. 高速攝影技術分析射流式魚泵流量對魚運動規律影響[J]. 農業工程學報，2019，35(17)：74－78. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.010 http://www.tcsae.org

Xu Maosen, Huang Bin, Mou Jiegang, Gu Yunqing, Zhou Peijian, Wu Denghao. Impact of primary flow rate on fish locomotion law in jet fish pump based on high-speed photography[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(17): 74－78. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.010 http://www.tcsae.org