徐茂森，黃 斌，牟介剛，谷云慶，周佩劍，吳登昊

高速攝影技術(shù)分析射流式魚泵流量對(duì)魚運(yùn)動(dòng)規(guī)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(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，杭州 310023；2.中國(guó)計(jì)量大學(xué)計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，杭州 310018）

采用高速攝影技術(shù)初步研究了草魚、團(tuán)頭魴和鯽魚等3種魚類在射流式魚泵內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，分析了魚類逆流游動(dòng)率、逆流游動(dòng)過(guò)泵時(shí)間、姿態(tài)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(guān)系。試驗(yàn)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(dòng)率逐漸降低，過(guò)泵時(shí)間逐漸減少，姿態(tài)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(shí)，魚類逆流游動(dòng)率超過(guò)85%，過(guò)泵時(shí)間均超過(guò)300 ms，姿態(tài)變化率均小于6%，所受碰撞力在1～3 N的范圍內(nèi)；在工作流體流量較高時(shí)，魚類逆流游動(dòng)率在50%～85%之間，過(guò)泵時(shí)間在125～175 ms之間，大多數(shù)情況下姿態(tài)變化率9%～18%之間，所受碰撞力在5～7 N的范圍內(nèi)；在試驗(yàn)所用3種試驗(yàn)魚中，草魚的過(guò)泵時(shí)間最長(zhǎng)，姿態(tài)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(shù)；射流式魚泵；工作流體流量；魚類運(yùn)動(dòng)規(guī)律

0 引 言

中國(guó)是水產(chǎn)品生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量常年占據(jù)世界產(chǎn)量的60%以上[1]。隨著養(yǎng)殖規(guī)模的擴(kuò)大，中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)正朝著以深遠(yuǎn)?？癸L(fēng)浪網(wǎng)箱為代表的現(xiàn)代漁業(yè)技術(shù)發(fā)展[2]。因此，與其相配套的魚泵已成為漁業(yè)機(jī)械的重要發(fā)展方向。魚泵根據(jù)工作原理主要分為離心式魚泵[3]、空氣揚(yáng)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、流道寬闊和內(nèi)部無(wú)運(yùn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)，也是評(píng)估與生產(chǎn)實(shí)踐是否具有應(yīng)用價(jià)值的關(guān)鍵。在輸送性能方面，以往的研究主要關(guān)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(shí)輸送性能的差異[8]。在魚類損傷方面，研究人員統(tǒng)計(jì)了不同工況下的魚類損傷類型及程度，分析了相關(guān)血液指標(biāo)的變化規(guī)律[9]，并重點(diǎn)討論了射流式魚泵內(nèi)復(fù)雜水力因素作用下的魚類損傷[10]。射流式魚泵工作狀態(tài)直接關(guān)系到輸送性能和魚類損傷。然而，目前對(duì)射流式魚泵內(nèi)魚類運(yùn)動(dòng)的研究?jī)H停留在定性描述方面[11]，缺乏定量分析與機(jī)理方面的討論。

本文采用高速攝影技術(shù)研究了草魚、團(tuán)頭魴和鯽魚在射流式魚泵不同工況下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，統(tǒng)計(jì)并分析了泵內(nèi)魚類運(yùn)動(dòng)規(guī)律，分析了射流式魚泵對(duì)輸送性能及魚類損傷的影響。研究結(jié)果將有助于射流式魚泵的深入研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，也為魚類受迫運(yùn)動(dòng)研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)研究選取3種在身體形狀上具有代表性的魚類作為試驗(yàn)對(duì)象，分別為圓柱形的草魚、側(cè)扁形的團(tuán)頭魴（又名“武昌魚”）和紡錘形的鯽魚作為試驗(yàn)對(duì)象。試驗(yàn)魚購(gòu)自湖北省團(tuán)風(fēng)縣百容水產(chǎn)良種場(chǎng)，各尾試驗(yàn)魚尺寸均勻，每種試驗(yàn)魚各250尾，試驗(yàn)魚身體參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)魚身體參數(shù)

1.2 試驗(yàn)裝置

根據(jù)前期研究成果[12-13]，本文設(shè)計(jì)了如圖1所示的射流式魚泵試驗(yàn)臺(tái)。射流式魚泵主要由被吸管、工作管、環(huán)形噴嘴、收縮室、喉管及擴(kuò)散管等6個(gè)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(guò)工作管后經(jīng)環(huán)形噴嘴射出，在收縮室內(nèi)形成高速射流，并對(duì)低壓被吸流體（魚水混合物）產(chǎn)生強(qiáng)烈的卷吸作用；魚水混合物經(jīng)被吸管與工作流體在收縮室和喉管內(nèi)劇烈混流；之后，魚水混合物經(jīng)擴(kuò)散管增壓后排出。

1.工作管 2.離心泵 3.電磁流量計(jì) 4.閥門 5.環(huán)形噴嘴 6.收縮室 7.喉管 8.擴(kuò)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(nèi)魚類運(yùn)動(dòng)，該泵的收縮室、喉管和擴(kuò)散管均由有機(jī)玻璃通過(guò)整體數(shù)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(yàn)魚被輸送至回收網(wǎng)箱。試驗(yàn)采用科?。↘rone）分體式電磁流量計(jì)測(cè)量流量，測(cè)量精度介于0.20%～0.30%。試驗(yàn)采用活圖?。≒hotron）一體式高速攝像機(jī)記錄泵內(nèi)魚類運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，拍攝幀率10 000 fps，分辨率1 024×232像素。

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)研究不同工作流體流量Q下射流式魚泵內(nèi)魚類運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)置了如表2所示的5個(gè)工況。每個(gè)工況分別采用50尾3種試驗(yàn)魚進(jìn)行試驗(yàn)（試驗(yàn)魚不重復(fù)使用，每個(gè)工況共150尾）。試驗(yàn)首先開(kāi)啟電磁流量計(jì)和壓力傳感器等數(shù)據(jù)采集設(shè)備；然后，啟動(dòng)離心泵并調(diào)節(jié)至設(shè)定工況；待流動(dòng)穩(wěn)定后，布置好燈光，并完成高速攝像機(jī)對(duì)焦；之后，依次將試驗(yàn)魚放入溜槽，并使用高速攝像機(jī)拍攝魚類過(guò)泵過(guò)程；最后，從回收箱中回收試驗(yàn)魚。

表2 試驗(yàn)工況

2 結(jié)果與分析

2.1 工作流體流量對(duì)魚類運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響

根據(jù)射流式魚泵內(nèi)水流方向與魚體相對(duì)位置，將泵內(nèi)魚類運(yùn)動(dòng)姿態(tài)分為順流游動(dòng)和逆流游動(dòng)[11]。圖2所示為不同工況下收縮室內(nèi)魚類逆流游動(dòng)率（相同工況下，逆流游動(dòng)魚類占同種試驗(yàn)魚總數(shù)的比例），由圖可知所有工況中魚類逆流游動(dòng)率均超過(guò)50%，即逆流游動(dòng)魚類多于順流游動(dòng)的魚類。在工作流體流量較低時(shí)、魚類逆流游動(dòng)率超過(guò)85%；在工作流體流量較高時(shí)，魚類逆流游動(dòng)率在50%～85%之間。這是由魚類本能決定的，魚類通過(guò)感應(yīng)水流流速，能夠主動(dòng)對(duì)抗水流而逆流游動(dòng)，并調(diào)整自身游動(dòng)狀態(tài)以保持逆流游動(dòng)或懸停。隨著Q的增加，魚類逆流游動(dòng)率逐漸下降。當(dāng)Q較低時(shí)，被吸流體流速較低（如表1所示），與3種試驗(yàn)魚的游動(dòng)適應(yīng)流速（約0.3～0.6 m/s）相當(dāng)[19]，在進(jìn)入被吸管之前及在被吸管中時(shí)，魚類有能力通過(guò)自身運(yùn)動(dòng)調(diào)整游泳姿態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)楸灸艿哪媪饔蝿?dòng)；當(dāng)Q較高時(shí)，被吸流體流速較高，魚類尚未及時(shí)調(diào)整姿態(tài)便被吸入射流式魚泵。不同種的魚類表現(xiàn)出不同的逆流游動(dòng)率，在Q較低時(shí)團(tuán)頭魴的逆流游動(dòng)率較高，而在Q較高時(shí)草魚的逆流游動(dòng)率較高。團(tuán)頭魴呈側(cè)扁形，身體柔軟，其在被吸管中更容易轉(zhuǎn)變游動(dòng)姿態(tài)，在Q較低時(shí)逆流游動(dòng)率較高；而與其相比，草魚游動(dòng)極限流速較高，其在Q較高時(shí)具有更強(qiáng)的游泳能力，因此在Q較高時(shí)逆流游動(dòng)率較高。

圖2 不同工況下收縮室內(nèi)魚類逆流游動(dòng)率

在相同工況下，與輸送順流游動(dòng)的魚類相比，射流式魚泵輸送逆流游動(dòng)的魚類往往需要更長(zhǎng)時(shí)間。將魚類進(jìn)入收縮室至其離開(kāi)擴(kuò)散管的時(shí)間定義為魚類過(guò)泵時(shí)間。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，不同工況下魚類逆流游動(dòng)平均過(guò)泵時(shí)間如圖3所示。在工作流體流量較低時(shí)，時(shí)間均超過(guò)300 ms；在工作流體流量較高時(shí)，在125～175 ms。隨著Q的增加，魚類逆流游動(dòng)平均過(guò)泵時(shí)間不斷降低。其中，在Q較低工況中，該時(shí)間降幅明顯；而在Q較高工況中，該時(shí)間變化幅度較小。在Q=56 m3/h工況中，草魚、團(tuán)頭魴和鯽魚的逆流游動(dòng)平均過(guò)泵時(shí)間分別達(dá)到了379.9、314.3和315.6 ms，均分別超過(guò)其在Q較高工況（Q=80和90 m3/h）的時(shí)間2倍以上。在Q較低的工況中，泵內(nèi)水流流速也較低，泵內(nèi)魚類逆流游動(dòng)效果明顯，延長(zhǎng)了其在泵內(nèi)的停留時(shí)間，魚類逆流游動(dòng)平均過(guò)泵時(shí)間較長(zhǎng)。而在Q較高的工況中，泵內(nèi)水流流速較高，泵內(nèi)魚類逆流游動(dòng)效果并不明顯，故魚類逆流游動(dòng)平均過(guò)泵時(shí)間明顯較短。對(duì)于試驗(yàn)中3種試驗(yàn)魚，草魚的逆流游動(dòng)平均過(guò)泵時(shí)間均長(zhǎng)于另外兩種魚的時(shí)間，尤其在Q=56 m3/h工況中。草魚游動(dòng)極限流速較高，故可以在射流式魚泵內(nèi)停留較長(zhǎng)的時(shí)間。

從魚類輸送的角度，魚類在泵內(nèi)的停留時(shí)間與射流式魚泵的魚類輸送性能密切相關(guān)。魚類逆流游動(dòng)比例越低，則射流式魚泵的魚類輸送性能越強(qiáng)。魚類在泵內(nèi)的停留時(shí)間越短，則射流式魚泵的魚類輸送性能越強(qiáng)。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，提高射流式魚泵工作流體流量可以降低魚類逆流游動(dòng)率并顯著地減少魚類在射流式魚泵內(nèi)的停留時(shí)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(dòng)平均過(guò)泵時(shí)間

魚類在射流式魚泵內(nèi)并不都是一直保持著某種運(yùn)動(dòng)姿態(tài)而不發(fā)生變化的。魚類在泵內(nèi)受脅迫后產(chǎn)生應(yīng)激響應(yīng)，并出現(xiàn)自主游動(dòng)現(xiàn)象，其與泵內(nèi)復(fù)雜流動(dòng)共同作用下在泵內(nèi)出現(xiàn)2種姿態(tài)轉(zhuǎn)變方式，即翻轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)，如圖4。翻轉(zhuǎn)最明顯的特征為魚體與水流方向的相對(duì)位置發(fā)生改變，其身體常呈現(xiàn)出C形運(yùn)動(dòng)；而旋轉(zhuǎn)則不發(fā)生上述改變，僅以自身為軸旋轉(zhuǎn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)魚類姿態(tài)變化多發(fā)生于擴(kuò)散管中前部，這是因?yàn)閿U(kuò)散管相較于喉管更寬闊，而擴(kuò)散管中前部?jī)?nèi)流體的摻混過(guò)程相較于后部更為劇烈，有利于魚類姿態(tài)變化。

圖4 射流式魚泵內(nèi)魚類姿態(tài)轉(zhuǎn)變方式

射流式魚泵內(nèi)魚類姿態(tài)變化率（相同工況下，姿態(tài)變化魚類占同種試驗(yàn)魚總數(shù)的比例）如圖5所示。在工作流體流量較低時(shí)，姿態(tài)變化率均小于6%；在工作流體流量較高時(shí)，大多數(shù)情況下姿態(tài)變化率9%～18%之間。從整體趨勢(shì)上看，隨著Q的增加，泵內(nèi)魚類姿態(tài)變化率也隨之增加。在Q較低工況中，泵內(nèi)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(guò)自身運(yùn)動(dòng)保持其在泵內(nèi)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，姿態(tài)變化率較低；而在Q較高工況中，泵內(nèi)流體流速較高，工作流體和被吸流體摻混強(qiáng)烈，魚類運(yùn)動(dòng)姿態(tài)在泵內(nèi)復(fù)雜流動(dòng)脅迫下被迫改變，姿態(tài)變化率較高。對(duì)于試驗(yàn)中的3種魚類，其在泵內(nèi)出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)的比例高于旋轉(zhuǎn)的比例，則表明泵內(nèi)軸向流動(dòng)對(duì)魚類姿態(tài)變化的作用要強(qiáng)于周向流動(dòng)對(duì)其的作用。從圖中亦可看出，泵內(nèi)草魚的姿態(tài)變化率明顯高于另外兩種魚類，其圓柱形的體形在泵內(nèi)更容易出現(xiàn)C形翻轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)。

圖5 射流式魚泵內(nèi)魚類姿態(tài)變化率

在射流式魚泵中，翻轉(zhuǎn)常表現(xiàn)為魚類由逆流游動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)轫樍饔蝿?dòng)。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因可能是大多數(shù)魚類在進(jìn)入收縮室之前已經(jīng)保持了逆流游動(dòng)的狀態(tài)，如圖2所示。與旋轉(zhuǎn)相比，魚類翻轉(zhuǎn)可以有效地減少其在泵內(nèi)的停留時(shí)間，如圖4所示。

從魚類輸送的角度，魚類逆流游動(dòng)比例越低，則射流式魚泵的魚類輸送性能越強(qiáng)。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，提高射流式魚泵工作流體流量可以提高魚類翻轉(zhuǎn)率，從而降低魚類逆流游動(dòng)率，繼而提高射流式魚泵的魚類輸送性能。同時(shí)，根據(jù)射流式魚泵內(nèi)魚類翻轉(zhuǎn)的特征和位置，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化可以考慮強(qiáng)化泵內(nèi)兩股流體的摻混程度，促使泵內(nèi)魚類出現(xiàn)由逆流游動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)轫樍饔蝿?dòng)的翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

2.2 魚類與泵壁面的相互作用

魚類在射流式魚泵內(nèi)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(nèi)多種復(fù)雜水力因素造成，但是這些水力因素并不會(huì)造成魚體組織挫傷。通過(guò)高速攝影技術(shù)發(fā)現(xiàn)，射流式魚泵內(nèi)出現(xiàn)魚類與泵內(nèi)壁面碰撞的現(xiàn)象，是造成魚體表面組織挫傷的重要原因。

根據(jù)高速攝影技術(shù)拍攝的圖像，得到了魚類與壁面碰撞時(shí)兩者的接觸時(shí)間，并計(jì)算出了魚類在發(fā)生碰撞之前及之后的平均徑向速度。因此，根據(jù)動(dòng)量定理，可以得到魚類與壁面碰撞時(shí)所受碰撞力的大小

式中為魚體質(zhì)量，kg；`0為魚類在發(fā)生碰撞之前的平均徑向速度，m/s；`1為魚類在發(fā)生碰撞之后的平均徑向速度，m/s；為魚類與壁面碰撞時(shí)兩者的接觸時(shí)間，s。

根據(jù)上式，計(jì)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(shì)上看，隨著Q的增加，碰撞力也隨之增加，在Q較低時(shí)碰撞力增加幅度較為劇烈，而Q較高時(shí)其變化較為平緩。在Q較低（Q=56 m3/h）時(shí)，試驗(yàn)魚所受力在1～3 N的范圍內(nèi)，而Q較高（Q=80和90 m3/h）時(shí)，試驗(yàn)魚所受力在5～7 N的范圍內(nèi)。在3種試驗(yàn)魚中，草魚在大部分工況中所受碰撞力最大，可能與其游動(dòng)時(shí)較大的身體擺動(dòng)幅度由關(guān)，加劇了其碰撞時(shí)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(fēng)險(xiǎn)越大。

圖6 不同工況下平均魚類-壁面碰撞力

3 結(jié) 論

采用高速攝影技術(shù)研究了射流式魚泵工作流體流量對(duì)泵內(nèi)魚類運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)、機(jī)理，分析了泵內(nèi)魚類組織挫傷的產(chǎn)生原因及與泵工作流體流量之間的關(guān)系。根據(jù)泵內(nèi)魚類運(yùn)動(dòng)規(guī)律，闡明了其自主游動(dòng)行為與射流式魚泵輸送性能之間的關(guān)系，主要結(jié)論如下：

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

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

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

4）射流式魚泵中魚類與泵內(nèi)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(shí)，試驗(yàn)魚所受碰撞力在1～3 N的范圍內(nèi)，而隨著工作流體流量的增加，試驗(yàn)魚所受碰撞力逐漸升高，試驗(yàn)中魚類所受碰撞力達(dá)到5～7 N。在3種試驗(yàn)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(xù)射流式魚泵優(yōu)化設(shè)計(jì)中，可以考慮改進(jìn)喉管及擴(kuò)散管結(jié)構(gòu)，加劇工作流體和被吸流體的摻混程度和范圍，促進(jìn)射流式魚泵內(nèi)魚類翻轉(zhuǎn)率的提升，增加逆流游動(dòng)魚類比例，從而降低魚類過(guò)泵時(shí)間，實(shí)現(xiàn)提升射流式魚泵的魚類輸送能力。

[1] Summerfelt S T, Davidson J, Wilson G, et al. Advances in fish harvest technologies for circular tanks[J]. Aquacultural Engineering, 2009, 40(2): 62－71.

[2] 郭根喜. 我國(guó)深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)化發(fā)展存在的問(wèn)題與基本對(duì)策[J]. 南方水產(chǎn)科學(xué)，2006，2(1)：66－70. Guo Genxi. The existing problem and basic countermeasure in the industrialization development of deep-water net cage culture in China[J]. South China Fisheries Science, 2006, 2(1): 66－70. (in Chinese with English abstract)

[3] 劉平，徐志強(qiáng)，徐中偉. 離心式吸魚泵葉輪的設(shè)計(jì)[J]. 流體機(jī)械，2016，44(3)：50－54. Liu Ping, Xu Zhiqiang, Xu Zhongwei. Design of Centrifugal Fish Pump Impeller[J]. Fluid Machinery, 2016, 44(3): 50－54. (in Chinese with English abstract)

[4] Roach S W, Claggett F G, Harrison J S M. An air-lift pump for elevating salmon, herring, and other fish of similar size[J]. Journal of the Fisheries Research Board of Canada, 2011, 21(4): 845－849.

[5] 黃濱，關(guān)長(zhǎng)濤，林德芳. 網(wǎng)箱真空吸魚泵試驗(yàn)中的技術(shù)問(wèn)題研究[J]. 漁業(yè)現(xiàn)代化，2004(6)：39－41. Huang Bin, Guan Changtao, Lin Defang. Study on technical problems of fish pump used in offshore aquaculture[J]. Fishery Modernization, 2004(6): 39－41. (in Chinese with English abstract)

[6] 吳寧，李莉，侯杰，等. 射流式魚泵脅迫下草魚的應(yīng)激響應(yīng)[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，35(5)：75－83. Wu Ning, Li Li, Hou Jie, et al. Stress reponse of grass carp after passing the jet fish pump[J]. Journal of Huazhong Agricultural University, 2016, 35(5): 75－83. (in Chinese with English abstract)

[7] 徐茂森，龍新平，牟介剛，等. 喉管與噴嘴截面積比對(duì)射流式魚泵輸送性能及魚損的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(9)：285－290. Xu Maosen, Long Xinping, Mou Jiegang, et al. Experimental research on the influence of sectional area ratio of throat to nozzle on the performance and fish injury in jet fish pumps[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(9): 285－290. (in Chinese with English abstract)

[8] Xu Maosen, Ji Bin, Zou Jialin, et al. Experimental investigation on the transport of different fish species in a jet fish pump[J]. Aquacultural Engineering, 2017, 79: 42－48.

[9] 徐茂森，龍新平，祝葉，等. 射流式魚泵輸送草魚的性能研究[J]. 南方水產(chǎn)科學(xué)，2017，13(1)：117－123. Xu Maosen, Long Xinping, Zhu Ye, et al. Research on grass carp conveyance performance of jet fish pump[J]. South China Fisheries Science, 2017, 13(1): 117－123. (in Chinese with English abstract)

[10] Long Xinping, Xu Maosen, Lyu Qiao, et al. Impact of the internal flow in a jet fish pump on the fish[J]. Ocean Engineering, 2016, 126: 313－320.

[11] Xiao Longzhou, Long Xinping, Li Li, et al. Movement characteristics of fish in a jet fish pump[J]. Ocean Engineering, 2015, 108: 480－492.

[12] 徐茂森，龍新平，祝葉，等. 射流式馬鈴薯輸送泵性能試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(11)：48－53. Xu Maosen, Long Xinping, Zhu Ye, et al. Performance experiment of jet potato pump[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(11): 48－53. (in Chinese with English abstract)

[13] 龍新平，鄒佳林，徐茂森，等. 改進(jìn)型環(huán)形射流泵輸送不同果蔬試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(7)：36－42. Long Xinping, Zou Jialin, Xu Maosen, et al. Experiment on using modified annular jet pump to deliver different fruits and vegetables[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(7): 36－42. (in Chinese with English abstract)

[14] Xiao Longzhou, Long Xinping, Yang Xuelong. Numerical investigation on the influence of nozzle lip thickness on the flow field and performance of an annular jet pump[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2014, 21(3): 59－67.

[15] Yang Xuelong, Long Xinping, Kang Yong, et al. Application of constant rate of velocity or pressure change method to improve annular jet pump performance[J]. International Journal of Fluid Machinery and Systems, 2013, 6(3): 137－143.

[16] Xu Maosen, Yang Xuelong, Long Xinping, et al. Large eddy simulation of turbulent flow structure and characteristics in an annular jet pump[J]. Journal of Hydrodynamics, Ser B, 2017, 29(4): 702－715.

[17] Xu Maosen, Yang Xuelong, Long Xinping, et al. Numerical investigation of turbulent flow coherent structures in annular jet pumps using the LES method[J]. Science China Technological Sciences, 2018, 61(1): 86－97.

[18] El Gazzar M A A, Meakhail T, Mikhail S. Numerical study of flow inside an annular jet pump[J]. Journal of Thermophysics and Heat Transfer, 2006, 20(4): 930-932.

[19] 趙希坤，韓楨鍔. 魚類克服流速能力的試驗(yàn)[J]. 水產(chǎn)學(xué)報(bào)，1980，4(1)：31－37. Zhao Xikun, Han Zhen’e. Experiments on the current overcoming ability on freshwater fishes[J]. Journal of Fisheries of China, 1980, 4(1): 31－37. (in Chinese with English abstract)

[20] Long Xinping, Xu Maosen, Wang Jiong, et al. An experimental study of cavitation damage on tissue of Carassius auratus in a jet fish pump[J]. Ocean Engineering, 2019, 174: 43－50.

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(guó)家自然科學(xué)基金(51909235，51779226，51609212)和中國(guó)博士后科學(xué)基金(2018M642477)聯(lián)合資助

徐茂森，助理研究員，博士，主要從事環(huán)境友好型水力機(jī)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(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shù)分析射流式魚泵流量對(duì)魚運(yùn)動(dòng)規(guī)律影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，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