射流式鱼泵输送草鱼的性能研究

徐茂森, 龙新平, 祝叶, 李莉, 吴宁, 阮晓峰

徐茂森, 龙新平, 祝叶, 李莉, 吴宁, 阮晓峰. 射流式鱼泵输送草鱼的性能研究[J]. 南方水产科学, 2017, 13(1): 117-123. DOI: 10.3969/j.issn.2095-0780.2017.001.015
引用本文: 徐茂森, 龙新平, 祝叶, 李莉, 吴宁, 阮晓峰. 射流式鱼泵输送草鱼的性能研究[J]. 南方水产科学, 2017, 13(1): 117-123. DOI: 10.3969/j.issn.2095-0780.2017.001.015
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XU Maosen, LONG Xinping, ZHU Ye, LI Li, WU Ning, RUAN Xiaofeng. Research on grass carp conveyance performance of jet fish pump[J]. South China Fisheries Science, 2017, 13(1): 117-123. DOI: 10.3969/j.issn.2095-0780.2017.001.015
Citation: XU Maosen, LONG Xinping, ZHU Ye, LI Li, WU Ning, RUAN Xiaofeng. Research on grass carp conveyance performance of jet fish pump[J]. South China Fisheries Science, 2017, 13(1): 117-123. DOI: 10.3969/j.issn.2095-0780.2017.001.015
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射流式鱼泵输送草鱼的性能研究

  • 1.

    武汉大学，水射流理论与新技术湖北省重点实验室，湖北 武汉 430072

  • 2.

    华中农业大学水产学院，湖北 武汉 430070

基金项目: 

国家自然科学基金项目 51179134

详细信息
    作者简介:

    徐茂森(1989-)，男，博士研究生，从事流体喷射技术研究。E-mail：xumaosen@whu.edu.cn

    通讯作者:

    龙新平(1967-)，男，教授，博士生导师，从事喷射技术、泵与泵装置的优化运行研究。E-mail：xplong@whu.edu.cn

  • 中图分类号: S981.1

Research on grass carp conveyance performance of jet fish pump

  • 1.

    Key Lab. of Hubei Province for Waterjet Theory & New Technology, Wuhan University, Wuhan 430072, China

  • 2.

    College of Fisheries, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China

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    摘要
  • 摘要:

    为了分析射流式鱼泵输送草鱼的性能及其损伤因素，文章设计了一台喉管直径为60 mm的射流式鱼泵，开展了草鱼输送实验，并采用高速摄影和计算流体力学方法进行了研究。结果显示，该射流式鱼泵在扬程2.24 m时最高草鱼输送能力达918 kg·h-1，其所需水功率为2.83 kW。进一步的检测表明，部分实验鱼有鳞片脱落的情况，但未出现游泳异常，解剖后也未发现内脏受损等情况；实验鱼在过泵后呼吸频率及部分血液指标存在明显变化，但在24 h内基本可以恢复。数值模拟和高速摄影方法分析得出，剪切层是造成实验鱼泵内鳞片脱落的主要原因，撞击伤是由内流偏转诱导实验鱼撞击泵内壁面产生的，包含压力梯度在内的水力因素都可能使实验鱼产生应激反应。但由于鱼类在泵内时间极短，上述因素都不会致实验鱼死亡。

    Abstract:

    To study grass carps (Ctenopharyngodon idellus) conveyance performance and injuries factors of jet fish pumps (JFP), a JFP with throat diameter of 60 mm was designed and evaluated by high-speed video observation as well as computational fluid dynamics (CFD). The results show that the peak conveyance capacity of JFP can reach 918 kg·h-1 at lift height of 2.24 m with input power of 2.83 kW. No test fish died or with viscera damage after conveyance but part of descaling was found occasionally, which was mainly caused by the shear layer in JFP. Further tests reveal that, after passing the JFP, respiratory rate and some blood indices of the test fish changed but all of them elementarily recovered within 24 h. It should be noted that collision injury might be caused by the deflection of inner flow. The rapid change of pressure may also affect the test fish. However, due to the short passing time in JFP, none of the above factors killed the test fish.

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  • 合浦珠母贝(Pinctada fucata) 是中国培育海水珍珠的主要贝类之一，但随着珍珠养殖业的持续发展，养殖环境逐步恶化，近亲繁殖造成种质退化，母贝生长缓慢，个体小，死亡率高，育珠质量差等[1]，严重制约了合浦珠母贝养殖产业的发展。因此，开展合浦珠母贝新品种选育工作刻不容缓。壳色作为贝类表型之一，已广泛应用于遗传育种和养殖生产[2-5]。在合浦珠母贝选育过程中发现在野生和养殖群体中均存在壳色的多态性，常见壳色有褐色、红色、黄色、黑色和白色等。WADA等[6]报道了以合浦珠母贝白壳色选育系作为外套膜小片供体时，可培育出高质量的白色珍珠。由此可见，壳色品系的选育为合浦珠母贝的养殖产业提供了新的发展方向。近年来，中国学者先后开展了合浦珠母贝白、黑、黄和红壳色选育系间多个世代的生长和成活对比[7-8]、遗传多样性分析[9-10]、壳棱柱层和珍珠质层金属元素含量[11]、插核育种效果[12]和壳色相关候选AFLP标记[13]等研究工作。这些研究为合浦珠母贝良种选育以及优质珍珠培育奠定了理论基础。

    闭壳肌拉力可作为衡量贝类健康程度的一个生理性状指标，最先在日本被发现，并应用于合浦珠母贝遗传育种中。CHIHIRO等[14]研究发现日本珍珠贝闭壳肌拉力和死亡率成负相关。在中国，牛志凯等[15]研究发现合浦珠母贝群体间闭壳肌拉力存在显著差异(P < 0.05)，闭壳肌拉力较优的YNSY和YNSZ群体可作为选育材料。多毛类凿贝才女虫(Polydora ciliata)是造成合浦珠母贝死亡率高的主要原因之一[16]，用饱和盐水浸泡法和涂料涂覆法等方法防治效果不显著，而且在生产上操作也不便[17]。王爱民等[18]研究发现合浦珠母贝不同地理群体杂交后代多毛类寄生病的感染率低于自交群体后代，表明通过杂交选育可提高合浦珠母贝抗多毛类寄生虫病能力。陈明强等[19]利用合浦珠母贝家系才女虫感染情况数据，筛选出了抗才女虫寄生病能力较强的家系。而有关合浦珠母贝4种壳色选育系形态、闭壳肌拉力和抗才女虫寄生虫病等复合性状的研究尚未见报道。

    该研究收集了合浦珠母贝白、黑、红和金4种壳色选育系F6代养殖18个月龄个体的形态、质量、闭壳肌拉力和抗才女虫寄生病等性状数据，利用SAS 9.3软件进行了4种壳色选育系间各性状的方差分析和多重比较，分析了各性状间的相关性，以期为合浦珠母贝多性状复合选择育种工作提供理论参考和基础数据。

    1.   材料与方法

    1.1   实验材料

    2012年4月将课题组经多代壳色纯化选育的合浦珠母贝棱柱层为白、黑、红和金壳色4种壳色F5代个体作为亲本，在中国水产科学研究院南海水产研究所热带水产研究开发中心三亚安游基地采用解剖法收集精卵进行人工授精，依据同种壳色个体自繁的交配方案，培育了4种壳色F6代选育系幼虫。初期以湛江等鞭金藻(Isochrysis zhanjiangensis)为主要饵料，适当混合投喂亚心形扁藻(Platymonas subcordiformis)和活性酵母等，后期则以亚心形扁藻为主要饵料。每天换水1/3，连续充气培养。各壳色选育系贝苗投饵、换水、充气等管理一致。当贝苗长到壳长2 mm以上时，出苗移至陵水试验基地进行海上养殖，采用固定立桩式吊养。在养殖过程中及时进行换笼分笼、清理附着生物、检查死贝和敌害生物等，保持养殖和管理方法一致。

    1.2   性状测量

    贝苗养殖达到18个月龄后，对4种壳色合浦珠母贝个体的形态、质量、闭壳肌拉力和抗才女虫寄生病等性状数据进行测量。每个壳色选育系随机挑选4组，每组50只个体，共计200只个体。在清除贝体表面上的附着生物后，使用数显游标卡尺测量个体的壳长、壳高、壳宽和绞合线长，使用电子天平测量体质量、壳质量、软体部质量和闭壳肌质量，具体测量方法参照刘志刚等[20]。

    依据AOKI等[21]和牛志凯等[15]的方法测量闭壳肌拉力，具体测量方法为把测量贝放在淡水中浸泡约10 min使其完全闭壳后，用毛巾擦干贝壳表面水分，从贝壳腹缘插入开口器，用数显拉力机测量贝开口幅度10 mm时的拉力值，精确到0.1 N。

    依照陈明强等[19]进行抗才女虫寄生病的数据收集。统计每只贝才女虫寄生病的感染情况和每吊的感染率，以贝壳内表面有无虫管和珍珠瘤(Blisters)情况把个体分为无才女虫感染和有才女虫感染，其中贝壳内面珍珠层光滑，无虫管症状异常为无才女虫感染个体；而壳内面珍珠层上有小斑点，或闭壳肌等周围有脓包或溃烂性病灶[16]等情况的为有才女虫感染个体。性状指标分左壳感染率、右壳感染率和贝壳感染率，计算公式如下：

    $$ \text { 左壳感染率： } P_{l i j}=\frac{\sum n_{l j}}{N} $$ (1)
    $$ \text { 右壳感染率: } P_{r i j}=\frac{\sum n_{r i j}}{N} $$ (2)
    $$ \text { 贝壳感染率: } P_{t i j}=\frac{\sum n_{l i j}+\sum n_{r i j}-\sum n_{i j}}{N} $$ (3)

    式中Plij表示第i个壳色选育系第j组的左壳感染率，nlij表示第i个壳色选育系第j组的左壳感染个体，Prij表示第i个壳色选育系第j组的右壳感染率，nrij表示第i个壳色选育系第j组的右壳感染个体，Ptij表示第i个壳色选育系第j组的贝壳感染率，nij表示第i个壳色选育系第j组左右壳同时感染的个体，N为每组的总个体数(N=50)。

    1.3   数据分析

    使用统计软件Excel 2013进行4种壳色选育系形态、质量、闭壳肌拉力和抗才女虫寄生病等性状的数据整理，使用SAS软件ANOVA过程对4种壳色选育系各性状进行单因素方差分析(One-Way ANOVA)和Tukey多重比较分析，感染率在进行方差分析时进行反正弦转换[22]。使用SAS 9.3软件CORR过程进行各性状间的相关分析。

    2.   结果与分析

    2.1   壳色选育系间形态性状比较

    合浦珠母贝4种壳色选育系的4个形态性状比较分析见图 1。方差分析显示4种壳色选育系间壳高、绞合线长和壳宽存在显著差异(P < 0.05)。多重比较表明: 白壳色选育系与黑壳色选育系的壳高不存在显著差异(P>0.05)，但与红壳色选育系间存在显著差异(P < 0.05)；绞合线长和壳宽较优的金壳色选育系与其他3种壳色选育系间均存在显著差异(P < 0.05)。综合各壳色选育系间性状均值的大小和差异是否显著，分析得出以壳长和壳高为选育目标，白壳色选育系为最优育种群体；以壳宽为选育目标，金壳色选育系则为最优育种群体。

    图  1  合浦珠母贝壳色选育系形态性状比较
    字母不同者为差异显著(P < 0.05)，字母相同者为差异不显著(P>0.05)，后图同此
    Figure  1.  Comparison of four morphological traits among four shell color selective lines of P. fucata
    Values with different letters are significantly different (P < 0.05), while those with same letters are not significantly different (P>0.05). The same case in the following figure.
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    2.2   壳色选育系间质量和闭壳肌拉力性状比较

    合浦珠母贝4种壳色选育系质量和闭壳肌拉力性状比较分析见表 1。方差分析显示4种壳色选育系间体质量、壳质量、软体部质量、闭壳肌质量和闭壳肌拉力均存在显著差异(P < 0.05)。多重比较表明：体质量、壳质量和软体部质量较优的白壳色选育系、黑壳色选育系和金壳色选育系间不存在显著差异(P>0.05)，但均与红壳色选育系存在显著差异(P < 0.05)；闭壳肌质量较优的金壳色选育系和黑壳色选育系间不存在显著差异(P>0.05)，均与白壳色选育系和红壳色选育系存在显著差异(P < 0.05)；闭壳肌拉力较优的金壳色选育系和白壳色选育系间不存在显著差异(P>0.05)，但均与黑壳色选育系和红壳色选育系存在显著差异(P < 0.05)。综合各壳色选育系间性状均值的大小和差异是否显著，分析可知以质量性状和闭壳肌拉力为选育目标，金壳色选育系为最优选育群体。

    表  1  合浦珠母贝壳色选育系质量和闭壳肌拉力性状比较
    Table  1.  Comparison of four weight and shell-closing strength traits among four shell color selective lines of P. fucata
    性状
    trait    		 白壳色
    white shell    		 黑壳色
    black shell    		 红壳色
    red shell    		 金壳色
    gold shell
    体质量/g body weight 36.05±5.46a 35.69±6.80a 33.67±7.63b 37.27±5.61a
    壳质量/g shell weight 18.99±3.27ab 19.09±3.73ab 18.63±4.28c 19.71±3.46a
    软体部质量/g tissue weight 15.16±2.39a 15.18±3.04a 14.08±3.57b 15.19±2.58a
    闭壳肌质量/g adductor weight 1.91±0.36b 2.22±0.57a 1.73±0.53c 2.28±0.54a
    闭壳肌拉力/N shell-closing strength 75.76±16.95a 67.52±14.24b 67.43±13.34b 76.17±14.36a
    注：同一列不同小写字母表示差异显著(P < 0.05)
    Note：Values with different superscript letters within the same column are significantly different at 0.05 level.
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    2.3   壳色选育系间抗才女虫寄生病性状比较

    合浦珠母贝壳色选育系抗才女虫寄生病性状比较分析见图 2。方差分析显示4种壳色选育系间右壳感染率和贝壳感染率存在显著差异(P < 0.05)。多重比较表明, 右壳感染率较低的白壳色选育系与其他3种壳色选育系间存在显著差异(P < 0.05)；贝壳感染率较低的白壳色选育系和红壳色选育系间不存在显著差异(P>0.05)，均与黑壳色选育系和金壳色选育系间存在显著差异(P < 0.05)。综合各壳色选育系间性状均值的大小和差异是否显著，分析可知以低才女虫感染率为选育目标时，白壳色选育系为最优选育群体。

    图  2  合浦珠母贝壳色选育系抗才女虫寄生病性状比较
    Figure  2.  Comparison of three resistance to P. ciliata traits among four shell color selective lines of P. fucata
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    3.   讨论

    该研究表明，4种合浦珠母贝壳色选育系间壳高、绞合线长、壳宽、体质量、壳质量、软体部质量和闭壳肌质量均存在显著差异(P < 0.05)，结合各壳色选育系形态和质量性状指标均值的大小和差异是否显著，可初步认为白壳色选育系是进行壳长或壳高选育的最优育种群体，金壳色选育系是进行壳宽或质量性状选育的最优育种群体。该研究结果与朱晓闻等[10]报道的4种合浦珠母贝壳色选育系中白壳色选育系生长速度最快的结果基本一致，但与王庆恒等[7]、DENG等[8]和陈静等[9]研究结果不同，他们的研究发现黑壳色选育系生长性状数值大于其他3种壳色选育系。上述研究结果的差异可能是由于选育基础群体亲本来源、选育技术路线和养殖环境等不同造成。

    闭壳肌拉力可作为合浦珠母贝遗传育种工作的选育指标，它与合浦珠母贝的生长、成活、生理、营养成分和珍珠层分泌能力等性状具有相关性[23-24]，牛志凯等[15]和OKAMOT等[25]分别研究发现合浦珠母贝群体间和家系间闭壳肌拉力存在显著差异(P < 0.05)，闭壳肌拉力较优的群体(家系)可作为选育材料。ISHIKAWA等[26]运用回归法估计了18月龄日本合浦珠母贝闭壳肌拉力的现实遗传力，其数值为0.29。该研究表明4种壳色选育系间闭壳肌拉力也存在显著差异(P < 0.05)，综合各壳色选育系间闭壳肌拉力均值的大小和差异是否显著，表明金壳色选育系的闭壳肌拉力最优，可以进一步作为闭壳肌拉力性状遗传改良的育种群体。

    该研究进行了4种合浦珠母贝壳色选育系左壳、右壳和贝壳才女虫感染率的比较，结合各壳色选育系3个感染率指标均值的大小和差异是否显著，得出白壳色才女虫感染率最小，表明白壳色选育系最具抗病选育潜力，可以作为抗才女虫寄生病品系的育种材料。王爱民等[18]对合浦珠母贝不同地理群体自交和杂交后代感染多毛类寄生病进行比较分析，发现杂交群体后代多毛类寄生病的感染率低于自交群体的后代，表明通过杂交选育可提高合浦珠母贝抗多毛类寄生虫能力。陈明强等[19]利用合浦珠母贝家系才女虫感染情况数据，筛选出了抗才女虫寄生病能力较强的家系，这些研究推动了通过遗传改良技术培育抗才女虫寄生病珍珠贝新品种的育种工作进展。

    该研究综合4种壳色选育系各性状均值的大小和差异是否显著的分析结果，表明白壳色选育系可作为壳高和低才女虫感染率同时选育的最优育种群体，金壳色选育系可作为壳宽、体质量和闭壳肌拉力复合选育的最优育种群体。该研究全面评估了合浦珠母贝4种壳色选育系的育种性能，筛选出了多性状育种材料，为开展合浦珠母贝多性状复合选择育种工作提供了科学依据。

  • 图  1   射流式鱼泵结构示意图

    1.工作流体输送管；2.被吸流体输送管；3.环形喷嘴；4.收缩室；5.喉管；6.测压孔；7.扩散管

    Figure  1.   Sketch of jet fish pump structure

    1. primary flow tube; 2.secondary flow tube; 3.annular nozzle; 4. suction chamber; 5. throat tube; 6. pressure measuring hole; 7. diffuser

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    图  2   计算区域(mm)

    Figure  2.   Computational domain

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    图  3   数值模拟与实验结果

    Figure  3.   Results of numerical simulation and experiment

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    图  4   射流式鱼泵速度云图(m·s-1)

    Figure  4.   Velocity contour in jet fish pump

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    表  1   射流式鱼泵性能参数

    Table  1   Jet fish pump performance parameters

    性能参数
    performance parameter    		 面积比m
    area ratio    		 流量比q
    flow ratio    		 压力比h
    pressure ratio    		 泵效率η
    pump efficiency    		 输送能力ηf
    conveyance capacity
    表达式 expression m=At/Aj q=Qs/Qj h=(Pc-Ps)/(Pj-Pc) η=qh ηf=mf/t
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    表  2   射流式鱼泵输送参数

    Table  2   Jet fish pump transport parameters

    组别
    group    		 工作流体流量/m3·h-1
    primary flow rate    		 流量比
    flow ratio    		 工作流体压力/kPa
    primary flow pressure    		 t/s 鱼水比
    fish to water ratio
    1 69.81 0.33 72.85 52 1:46
    2 69.81 0.33 72.85 55 1:48
    3 80.20 0.42 96.20 49 1:63
    4 80.20 0.42 96.20 34 1:44
    5 90.51 0.45 112.48 28 1:44
    6 90.51 0.45 112.48 34 1:54
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    表  3   射流式鱼泵输送计算

    Table  3   Jet fish pump transport calculation

    组别
    group    		 输送能力/kg·h-1
    transport efficiency    		 平均输送能力/kg·h-1
    average transport efficiency    		 工作流体的水功率/kW
    water power    		 输送单位质量鱼能耗/kW·h·t-1
    transport energy consumption per unit mass of grass carp    		 平均输送单位质量鱼能耗/kW·h·t-1
    average transport energy consumption per unit mass of grass carp
    1 494.38 480.90 1.410 2.86 2.94
    2 467.410 1.410 3.02
    3 524.57 640.29 2.143 4.09 3.46
    4 756.00 2.143 2.83
    5 918.00 837.00 2.830 3.08 3.41
    6 756.00 2.830 3.74
    下载: 导出CSV
    • 参考文献(36)
  • [1]

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出版历程
  • 收稿日期:  2016-03-17
  • 修回日期:  2016-05-10
  • 录用日期:  2016-07-25
  • 刊出日期:  2017-02-04

目录

摘要
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  • 1.   材料与方法

  • 1.1   实验材料

  • 1.2   性状测量

  • 1.3   数据分析

  • 2.   结果与分析

  • 2.1   壳色选育系间形态性状比较

  • 2.2   壳色选育系间质量和闭壳肌拉力性状比较

  • 2.3   壳色选育系间抗才女虫寄生病性状比较

  • 3.   讨论

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