氣力輸送投餌機發(fā)展現(xiàn)狀

湯彬 張瀚予 崔信哲 張迪

摘?要：列舉國內(nèi)外的氣力輸送投餌機研究成果，介紹了氣力輸送的影響因素，并列舉了CFD-DEM仿真對氣力輸送投餌機設計的輔助作用，發(fā)現(xiàn)CFD-DEM仿真中將顆粒視為離散的實體，采用離散元法（DEM）對顆粒間的相互作用進行描述，采用計算流體力學的方法（CFD）對顆粒-流體的相互作用進行描述。該耦合方法的優(yōu)點是能夠將顆粒的形狀、尺寸和密度等因素納入其中，使其對多相流的數(shù)值模擬更為精確。

關鍵詞：氣力輸送；投餌機；網(wǎng)箱養(yǎng)殖；影響因素；CFD-DEM仿真

隨著改革開放的不斷深入，我國經(jīng)濟已由高速增長階段轉向高質量發(fā)展階段，在漁業(yè)上我國也走上了一個快速發(fā)展的階段。隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖的加速發(fā)展，投餌機在養(yǎng)殖中大大減少人力和物力的投入，使得投餌機的應用得到了極大的提高。氣力輸送投餌機用風能作為運輸餌料的介質，相比傳統(tǒng)投餌機具有投射范圍廣、精度準等優(yōu)點。其在國內(nèi)外都被廣泛的應用于養(yǎng)殖行業(yè)中，本文列舉國內(nèi)外的氣力輸送投餌機研究成果，介紹了影響氣力輸送的影響因素，并列舉了CFD-DEM仿真對氣力輸送投餌機設計的輔助作用。

1?國內(nèi)外氣力投餌機發(fā)展現(xiàn)狀

1.1?國外氣力投餌機發(fā)展現(xiàn)狀

在國外，例如美國、挪威、加拿大、丹麥、日本、意大利，開發(fā)和應用自動化投餌設備都十分普遍，并且具有一些程序化的功能，可以對飼料的存儲、運輸、投放進行控制，來提高投飼精度和飼料利用率，降低勞動強度，減少勞動力成本，提高養(yǎng)殖生產(chǎn)效率[1-2]。

挪威早在1980年代就開始使用自動投餌系統(tǒng)來喂養(yǎng)鱈魚幼魚。AKVA公司研制了CCS自動投餌系統(tǒng)，利用風機產(chǎn)生高速氣流，具有輸送距離遠、投餌范圍大等特點，將投餌機落下的飼料吹送到主輸管上，經(jīng)管道分配器將餌料投至相應的目標養(yǎng)殖池中[3-5]，圖1為挪威智能自動投飼系統(tǒng)。美國ETI公司開發(fā)的高精度、高可靠性和大容量的Fedmaster飼料系統(tǒng)，基于PLC控制技術，采用氣力輸送方式，投喂餌料破損率低，可以同時向多個養(yǎng)殖池進行投喂，是當前國際上應用最廣泛的一種深海網(wǎng)箱自動化投喂方式[6]。

Pneu-Con是美國專業(yè)從事氣流運輸及物料搬運裝備生產(chǎn)的企業(yè)。他們提供多種氣力輸送投餌機，適用于不同的物料和應用，圖2為其公司的投餌產(chǎn)品。AZO是德國一家知名的氣力輸送系統(tǒng)制造商，提供多種氣力輸送投餌機，適用于粉末、顆粒等不同形態(tài)的物料。AZO開發(fā)了自己的系統(tǒng)來控制密相塞流，幾乎可以完成任何輸送任務。

1.2?國內(nèi)氣力投餌機發(fā)展現(xiàn)狀

中國是世界上最大的水產(chǎn)養(yǎng)殖大國，根據(jù)國家統(tǒng)計局的數(shù)據(jù)，2020年全國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的產(chǎn)量達到了5?224.20萬噸，2021年養(yǎng)殖產(chǎn)量5?394.41萬噸，同比增長3.26%，2022年養(yǎng)殖產(chǎn)量5?565.46萬噸，同比增長3.17%，水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模在逐步提高[7-10]。我國地域遼闊，漁業(yè)資源十分豐富，漁業(yè)資源仍有很大的發(fā)展空間，但是水產(chǎn)生產(chǎn)區(qū)域分布不均衡，養(yǎng)殖方式多種多樣，其規(guī)模也不同。人工投餌不均勻、投餌量不精確，頻繁投餌，勞動強度大，難以實現(xiàn)“少食多餐”的投餌理念[11]。投餌機的引入就能有效解決上述問題，不僅能解放人們的雙手，實現(xiàn)定點有效率的投喂，還能降低餌料消耗，減少對水體的污染。

氣力輸送投餌機利用氣體壓力作為餌料輸送動力，通過管道將飼料或其他物料運送到需要的位置。它通常由壓縮空氣系統(tǒng)和輸送管道組成，可以在各種工業(yè)生產(chǎn)和制造過程中使用，相比于傳統(tǒng)的電機更安全。優(yōu)點是輸送距離較長，?對空氣的除塵要求不高[12]。在養(yǎng)殖業(yè)中，氣力輸送投餌機可以大大提高飼料投放的效率和自動化程度，減少人工成本和勞動強度。

宋協(xié)法等[13]設計了一種深水網(wǎng)箱投餌機，該投餌機充分利用海水資源，使用水力環(huán)流供餌、水力抽負吸餌、水動力投餌、汽油機水泵提供動力，利用管道向多個距離不同的網(wǎng)箱供餌，如圖3所示。

陳曉龍等[14]提出一種基于氣體輸送原理的自動投飼機，以解決投飼機承載量小、投飼不均勻、投飼范圍小、飼料利用率低等問題。基于氣力輸送原理，以PLC作為集中式核心控制器，王志勇等[15]采用壓送式氣力輸送原理，壓氣裝置產(chǎn)生的空氣流經(jīng)過加速之后形成高速氣流，并在下料裝置的下料口附近產(chǎn)生一個負壓區(qū)，在負壓區(qū)和加速氣流的聯(lián)合作用下，飼料順沿管道輸送到養(yǎng)殖池中。徐志強等[16]通過采用變頻電機螺旋輸送機及定速、定時控制等技術，驅動控制采用USS?protocol協(xié)議，該系統(tǒng)投餌半徑大于7?m，實現(xiàn)了池塘養(yǎng)殖自動投飼系統(tǒng)遠程精準化升級的設計要求；郁蔚文等[17]采用氣力輸送和水體增氧一元化工藝技術，解決池塘養(yǎng)殖生產(chǎn)中智能化集中投飼需求，實現(xiàn)集中供料、飼料預處理、多池塘同步投飼、投飼區(qū)域增氧、遠程管理控制等目的；樓建勇等[18]闡述了目前氣力輸送系統(tǒng)的研究狀況和發(fā)展方向，對其類型、特點以及存在的問題進行了詳細的說明。

綜上所述，近幾年國內(nèi)外對投餌機都進行了更深的研究，取得了各自的成果。根據(jù)他們的研究成果和自身對投餌機的了解，認為壓縮氣體作為運輸餌料的介質是一種更有效率的方式。它不僅能減少餌料的損失，還能實現(xiàn)在噴灑中均勻地分配，更能實現(xiàn)定時的投喂。

2?氣力輸送的影響因素

氣力輸送是一種將固體顆粒或粉末通過氣流傳送到指定位置的方法，因此影響氣力輸送的因素有很多，以下是一些常見的影響因素：

2.1?氣流速度

氣流的速度是影響氣力輸送效果的關鍵因素之一。適當?shù)臍饬魉俣瓤梢员３诸w粒懸浮在氣流中，并保證其穩(wěn)定輸送。過高或過低的氣流速度都會影響顆粒的輸送效果。

一般輸送氣流速度取物料懸浮速度的1.5～3倍，可以先得到顆粒速度再去實現(xiàn)最優(yōu)氣流速度。為了得到顆粒速度的最優(yōu)解，?Halstensen等[19]研究了一種基于無創(chuàng)被動聲測量和多元回歸建模（聲化學計量學）的在線監(jiān)測技術的應用。校準了偏最小二乘回歸（PLS-R）模型，以優(yōu)化氣力輸送系統(tǒng)中顆粒速度。

2.2?固氣比

固氣比是指在氣力輸送系統(tǒng)中，固體顆粒與氣體之間的質量比。適當?shù)墓虤獗瓤蓪崿F(xiàn)最佳的輸送效果。過低的固氣比會導致顆粒沉降或分離，造成堵塞；而過高的固氣比會增加系統(tǒng)的能耗和氣流阻力，降低輸送效率。其對氣力輸送的影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

一是壓降：固氣比增大會使氣流中固體顆粒濃度增加，從而導致氣流阻力增加，產(chǎn)生較大的壓降。

二是固體沉降：固氣比較高時，固體顆粒容易在氣流中沉降下來，造成堵塞和堆積。這會導致管道堵塞、設備損壞等問題，降低系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

三是固體磨損：固氣比增大會使氣體中攜帶的固體顆粒數(shù)量增加，顆粒之間的碰撞和摩擦也會增加，導致固體顆粒的磨損加劇。

原田幸夫等[20]針對固氣比進行了實驗，結果表明，當固氣比較大時，顆粒群體的懸浮速率隨固氣比的增大呈線性地下降，但壓降與群體質量成正比。國內(nèi)扶廷正[21]也在輸送系統(tǒng)中，證明輸送管道壓降與固氣比成正比關系。為實現(xiàn)煤粉在管道氣力輸送中的最佳效果，張嵐冰等[22]基于CFD-DEM對煤炭顆粒進行輸送模擬，證明了固氣比的增大不僅減小顆粒速度，同時可能會因動力不足造成堵塞。

綜上所述，固氣比在氣力輸送中對壓降、固體沉降和固體磨損等方面都有一定的影響。在實際應用中，需要選擇適當?shù)墓虤獗龋源_保系統(tǒng)的正常運行和高效性能。

2.3?管道設計

在氣力輸送中，管道設計是至關重要的因素之一。合理的管道設計可以提高輸送效率，減小阻力，降低系統(tǒng)能耗，并減少系統(tǒng)故障的發(fā)生。以下是管道設計中需要考慮的一些因素：

一是管道直徑和長度：管道直徑和長度的選擇直接影響到氣體流速和壓降，對氣力輸送系統(tǒng)的輸送能力和能耗有很大的影響。

二是彎頭和閥門：彎頭和閥門會產(chǎn)生較大的阻力，影響氣體的流動和輸送能力。

三是材料和壁厚：管道材料和壁厚的選擇直接影響到管道的耐磨性和壽命。

綜上所述，管道設計是氣力輸送系統(tǒng)中非常重要的因素之一，需要考慮很多因素來確保系統(tǒng)的正常運行和高效性能。

為了減少顆粒在管道中引碰撞而造成的能量的損失，以下幾人對這方面進行研究。祝先勝[23]針對氣力輸送中常見的堵塞問題，模擬水平彎管內(nèi)的密相料栓式氣力輸送過程，分析了顆粒對壁面產(chǎn)生的磨損的影響。趙永勤等[24]對正壓濃相氣力輸送系統(tǒng)中關鍵部件的磨損機理進行了分析，闡述了輸送條件、物料物性、輸送管道結構及材質等主要磨損影響因素，?提出降低磨損的有效措施。Gundogdu[25]針對常規(guī)風送式回轉下料閥下料品質不穩(wěn)的難題，在餌料儲料斗頂部和氣力式輸料管道之間添加一個柔性壓力平衡管，解決飼料在回轉下料閥中容易發(fā)生黏附、堵塞等難題。Tan等[26]提出了一種新型低速密相氣力輸送系統(tǒng)，旁通系統(tǒng)可以在較低的風速下運行，段塞流系統(tǒng)也可以控制在較低的速度區(qū)運行。

減少顆粒在管道中的能量是提高整個氣力輸送系統(tǒng)的運輸效率之一的手段，然而也可以增大壓力差來讓氣力輸送系統(tǒng)達到更好的效果。氣力輸送投餌機的壓力差往往通過改變橫截面的大小來實現(xiàn)，文丘里管的工作原理是氣流流經(jīng)收縮段，流速增大，壓力降低，形成負壓環(huán)境卷吸物料，氣料經(jīng)過混合段充分混合后，進入擴張段減速增壓，隨后沿輸送管道送入指定場所。其結構由氣力入口段、收縮段、氣料混合段、擴展段、出口段組成。圖4為文丘里管各段的分布：

文丘里供料器的密封作用是靠空氣的動壓來實現(xiàn)的，供料點的壓力總是低于大氣壓，從而產(chǎn)生負壓，使物料吸入輸送管道中進行輸送，使粉粒料在重量下落或被吸入供料器內(nèi)，管徑縮小，流速增大的同時壓力減小，壓力能轉為動能，而在擴散管內(nèi)則變?yōu)檩斔退璧膲毫27-28]。侯冬盡[29]開展空載實驗和帶負荷實驗，分別測定噴嘴入口壓力、接收室壓力及輸粉管道背壓等參數(shù)的變化規(guī)律，獲得噴嘴尺寸、節(jié)流比、噴嘴到接受室的距離及輸送管路速度等因素對煤粉輸送穩(wěn)定性的影響規(guī)律。關玉慧[30]通過改變文丘里管喉部的直徑（喉徑比）來降低壓力的損耗。當喉徑比減小同樣幅度時，喉徑比越小，對壓力的變化影響越顯著。王文琪等[31]指出文丘里管喉部的加長，可使顆粒得到充分加速，但是對于非常細小的粉體顆粒，由于它的跟隨性較好，可以縮短喉口的長度，以減少壓力損失。

3?管道優(yōu)化研究方法

為了進一步優(yōu)化管道以及模擬顆粒在復雜環(huán)境下的運動、變形和相互作用，運用CFD-DEM仿真，CFD-DEM數(shù)值模擬方法是一種較為先進的流固耦合模擬方法，具有精度高、準確性好、計算效率高等優(yōu)點。

離散元法（Discrete?Element?Method，簡化為?DEM）是對顆粒的真實運動狀態(tài)進行展示，主要運用在純顆粒的研究中。目前DEM的軟件有EDEM等軟件，能夠很好地分析顆粒運動情況。張三豐等[32]對氣力輸送理論計算以及仿真計算結果為氣力輸送系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供了參考，通過用EDEM軟件進行仿真，對氣力輸送系統(tǒng)中的自動投餌裝備選型提供了必要條件。DEM是Cundall等在20世紀70年代為處理離散物料中的復雜問題提出的一種數(shù)值模擬方法[33]，它能夠為解決顆粒、流體、結構等問題提供一個分析平臺[34]。

計算流體力學（Computational?Fluid?Dynamics，簡稱CFD）?是在流動基本方程控制下對流動的數(shù)值模擬，目前CFD的軟件有FLUENT等軟件，能夠很好地分析流體流場。何成[35]利用FLUENT軟件進行仿真計算，對建立的豎直管道氣固兩相流流動物理模型采用歐拉方法，研究濃相氣固兩相流的動力學特性。通過這種數(shù)值模擬，我們可以得到極其復雜的流場內(nèi)各個位置上的基本物理量（如速度、溫度、壓力、濃度等）的分布，以及這些物理量隨時間的變化情況[36-37]。

直到1993年Tsuji等[38]首先將DEM和CFD耦合，用來解決流固兩相流動的數(shù)值仿真。CFD-DEM方法是一種將CFD和DEM相結合的模擬方法，兩種方法的結合可以用于模擬多相流動中顆粒物和流體之間的相互作用。高觀保[39]運用氣固兩相流流體力學理論，確定其主要設計參數(shù)，采用DEM-CFD耦合的方法對氣力輸送系統(tǒng)進行數(shù)值模擬。在此基礎上，研究了肥料顆粒在不同工況下的運動規(guī)律，并在此基礎上進行了參數(shù)化設計，得出不同入口速度邊界條件下，氣流速度分布形態(tài)基本相同，氣流最大速度出現(xiàn)在氣料混合腔部位。

CFD選用FLUENT來仿真流體流場，DEM選用EDEM仿真顆粒運動情況。FLUENT-EDEM耦合可實現(xiàn)三維氣固兩相流動的模擬，在進行耦合時EDEM中的離散相求解是作為FLUENT的用戶自定義函數(shù)（UDF）內(nèi)置于FLUENT當中，可以增強軟件在模擬氣固兩相流時的能力[40-41]。劉德柱[42]對混肥裝置進行了耦合仿真，采用FLUENT后處理模塊對混肥裝置壓力云圖和速度矢量分布圖進行分析，得出入口氣流速度的變化對靜壓分布影響較小。采用EDEM后處理模塊對顆粒肥料在混肥裝置中的位置和軌跡線分布圖進行了分析，得出隨入口風速增加，肥料顆粒在管道內(nèi)的間距也增大，肥料與擴張室管壁的撞擊減少，肥料顆粒輸送更穩(wěn)定。張學強[43]也使用FLUENT-EDEM，得到氣體與顆粒相互作用后的壓力、速度、軌跡分布等情況，為優(yōu)化氣力輸送裝置提供了很好的依據(jù)。

綜上所述，該耦合方法的優(yōu)點是能夠將顆粒的形狀、尺寸和密度等因素納入其中，使其對多相流的數(shù)值模擬更為精確。

4?結論與展望

氣力輸送投餌機廣泛應用于養(yǎng)殖領域中，利用氣流將餌料從一個地方傳送到另一個地方。在氣力輸送系統(tǒng)中，餌料被裝載到氣流中并通過管道輸送，而無需使用傳統(tǒng)的機械輸送方式。氣力輸送具有許多優(yōu)點，首先是高效性。由于物料被推送而不是拉動，因此可以實現(xiàn)快速而連續(xù)的傳輸，大大提高了生產(chǎn)效率。其次，氣力輸送是靈活且適應性強的，可以滿足不同物料、不同距離的輸送需求。此外，氣力輸送能減少勞動力的需求和時間。

然而，氣力輸送也存在一些問題，首先是物料易堵塞的問題。此外，由于氣力輸送過程中產(chǎn)生的氣流速度較高，容易導致餌料的破碎。雖然國內(nèi)外研究人員用各種方法對氣力輸送系統(tǒng)不斷地優(yōu)化改進，但還有值得去優(yōu)化的地方。總之，氣力輸送是一種可靠、高效且靈活的物料輸送技術，在養(yǎng)殖行業(yè)中具有重要的應用價值。

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