随着深水抗风浪网箱的大型化发展及产业化进程的加快^[1-2]，作为网箱养殖业的相关配套设备——吸鱼泵，有着极大的市场潜力和发展空间。目前国内外学者已研制出不同样式的吸鱼泵，如离心式吸鱼泵、气力式吸鱼泵、真空式吸鱼泵、射流式吸鱼泵^[3]。其中，离心式吸鱼泵对鱼的损伤率较大; 气力式吸鱼泵一般不能抽吸活鱼只做“海上过鲜”用; 而真空式吸鱼泵的单罐体设计和间歇式吸排动作导致无用功耗较大、效率偏低。

射流式吸鱼泵较前面几种有较多优点，其结构简单、制造方便、成本低、与真空式吸鱼泵相比，不需要复杂的电气控制系统就可以连续不间断输送渔获。自从美国ETI公司在1988年研究成功并拥有专利权后，至今世界范围内已有200多台射流式吸鱼泵在使用，遍及挪威、苏格兰、爱尔兰、希腊、加拿大、智利、美国、菲律宾和我国台湾等世界各地的养殖场。该泵可用来输送活虾及活的鲶鱼、海鲈、海鲷、罗非鱼、鳗鱼、鲑鱼等鱼类^[4]。但该公司研制出的射流式吸鱼泵功率大、价格昂贵、体积笨重。

射流泵在我国工业领域早已被广泛使用，但在渔业方面至今仍是空白。为加快我国渔业现代化和机械化进程，通过研制出轻便的符合我国养殖条件的射流式吸鱼泵，作为深水网箱养殖产业的重要配套设施，对于促进我国深水网箱养殖业的发展和技术进步具有重要的意义。

1.   射流式吸鱼泵的工作原理

射流式吸鱼泵是利用高速工作流体的能量来完成鱼类输送的机械装置，其核心部件是射流器，它由喷嘴、吸入室、喉管(混合管)以及扩散管等部件组成。射流器与供它工作的动力泵及其管路系统组成了射流吸鱼泵装置，如图 1所示。射流式吸鱼泵的工作原理为高压水流以流量Q₀由喷嘴高速射出时，连续带走吸入室内的空气，此时在吸入室内便形成了一定程度的真空，被抽升的鱼类在大气压力作用下，以流量Q_s经吸鱼管进入吸入室内，2股流体(Q_s+Q₀)在喉管(混合管)中进行能量传递和交换，使流速、压力渐趋一致，然后再经扩散管使部分动能转化为压能后，经排鱼管排出^[5]。

2.   射流式吸鱼泵的基本性能

射流泵的基本性能是以一组无因次参数(压力比h, 面积比m, 流量比q和容重比 ρ_s)来表示的，其定义如下^[6-7]:

上述各式中: p表示压力，ρ表示密度，g表示重力加速度，z表示位置水头，v表示断面平均流速，s表示面积; 脚标0、s、c分别表示工作流体、被吸流体、混合后的流体。为方便起见，在下述计算过程中，近似地取ρ_s= ρ₀，则压力比公式可简化为:

射流泵效率表达式可通过以下方法导出:

射流泵输入功率为$ p_入=\rho g Q_0\left[\left(\frac{p_0}{\gamma}+z_0+\frac{v_0^2}{2 g}\right)-\left(\frac{p_c}{\gamma}+z_c+\frac{v_c^2}{2 g}\right)\right]=Q_0\left(\Delta p_0-\Delta p_c\right) ;$

输出功率为$p_{\text {出 }}=\rho g Q_s\left[\left(\frac{p_c}{\gamma}+z_c+\frac{v_c^2}{2 g}\right)-\left(\frac{p_s}{\gamma}+z_s+\frac{v_s^2}{2 g}\right)\right]=Q_s \triangle p_c ; $

则射流泵效率表达式可表示为$ \eta=\frac{p_{\text {出 }}}{p_{\text {入 }}}=\frac{Q_s}{Q_0} \cdot \frac{\Delta p_c}{\Delta p_0-\Delta p_c}=\frac{q h}{1-h} 。$

3.   射流式吸鱼泵的设计

3.1   计算条件

以体重为1 kg的卵形鲳鲹横截面平均体高160 mm为参考依据，设定吸鱼管直径为200 mm，吸鱼管道中设计流速取为2 m · s^-1，安装高度取为z_c=2 m，如图 1所示。另根据管道内的流速越大，则能量损失越大这一现象，选取工作管直径为250 mm，排鱼管直径为300 mm，其旨在流量不变的情况下将流速适当减小，以便将流体的部分动能转化为压能，从而使能量损失进一步减小。

图  1  射流式吸鱼泵结构及工作原理示意图

1. 吸鱼管; 2. 工作管; 3. 工作水泵; 4. 吸入室; 5. 喉管; 6. 扩散管; 7. 排鱼管; 8. 喇叭口

Figure  1.  Schematic drawing of working principle for jet fish pump

1. suction pipe; 2. working pipe; 3. working pump; 4. suction chamber; 5. throat pipe; 6. diffuse pipe; 7. discharge pipe; 8. bell mouth

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3.2   选配工作泵

参考相关文献，最优面积比值m取为3.57^[8-10]，据

则h=0.242，根据m=S_喉管/S_喷嘴=200²/d_喷² =3.57，可得出d_喷=105.85 mm。如采用12个喷嘴，则单个喷嘴的直径为$ \sqrt{105.85^2 / 12}=30.56 \mathrm{~mm}$(取30 mm)，对断面a-a与断面s-s建立能量方程^[11]:

上式中: z=z_c=2 m。后续部分如无特殊说明，z都取为2 m。p_a为当地大气压强，h_ws为吸鱼管的水头损失。因v_s=2 m · s^-1，则吸鱼管的流量Q_s=π · 0.2² · 2/4=0.0628 m³ · s^-1=226.08 m³ · s^-1，考虑吸鱼管的长度为10 m，则根据

可得到h_ws= 0.3 m，代入(2)式可得到: p_s/γ=7.5 m(其物理意义为当吸入室的压强为0.75个大气压时，鱼水可被吸入管内，并且可使管内的流速达到2 m · s^-1)，对断面a-a与断面o-o建立能量方程:

上式中: H为工作泵扬程，h_w0为工作管水头损失。将式(4)与式(2)相减得到:

则上式即为工作水泵的压力计算表达式。对断面c-c与断面d-d建立能量方程，需满足的关系式为:

上式中，h_wc为排鱼管水头损失，将式(2)与式(6)相加得到:

假设△p_c /γ=3.5, 可推算出△p₀ /γ=3.5/0.242=14.46, 取工作泵扬程H=15 m，并对断面a-a与喷嘴断面p-p建立如下的能量方程

可计算出v_p=17.6 m · s^-1(取v_喷 = 18 m ·s^-1)，则$Q_0=12 \cdot \frac{\pi}{4} \cdot 0.03^2 \cdot 18 \cdot 3600=549 \mathrm{~m}^3 \cdot \mathrm{s}^{-1} ; Q_c=Q_s+Q_0=775.08 \mathrm{~m}^3 \cdot \mathrm{~s}^{-1} ; v_c=\frac{Q_c}{\pi \cdot 0.3^2 / 4}=3.05 \mathrm{~m} \cdot \mathrm{~s}^{-1} ; h_{w c}=0.03 \cdot \frac{10}{0.3} \cdot \frac{3.05^2}{20}=0.465 \mathrm{~m} \text { 。 }$

由式(7)可得$z+\frac{v_c^2}{2 g}+h_{w c}+h_{w s}=2+\frac{3.05^2}{20}+0.465+0.3=3.23＜\frac{\Delta p_c}{\gamma}=3.5 $(满足要求)则:

射流泵的效率$ \eta=\frac{Q_s}{Q_0} \cdot \frac{h}{1-h}=13.15 \% \text {; }$

选用的工作泵的参数为: 扬程H=15 m，流量Q₀=549 m³ · s^-1;

工作泵的输出功率$ P_t=\frac{\rho g Q_0 H}{1000}=\frac{9800 \cdot \frac{549}{3600} \cdot 15}{1000}=22.42 \mathrm{~kW}$，如取总效率60%，则输入功率P= 22.42/0.6=37.37 kW。

3.3   射流器尺寸计算

射流器主要由喷嘴、吸入室、喉管(混合管)以及扩散管等部件组成，其结构示意图见图 2。(1)喷嘴。喷嘴的截面尺寸通常是根据流体的能量方程来进行设计的，本文的前部分已经给出了详细的计算过程。经计算，本文共选取了12个直径为30 mm的喷嘴，其沿圆周的分布形式如图 3所示。(2)喉嘴距。它对射流式吸鱼泵的性能有较大影响，本文选取L₁=1.5d₁=300 mm(d₁为喉管直径)。(3)喉管。喉管是射流式吸鱼泵中最重要的部件。工作水流与被吸鱼类的能量传递与混合过程主要是在喉管内进行的，它的尺寸直接影响到射流泵效率的高低。当喉管长度L₂过短，工作水流与被吸鱼类就不能均匀混合，导致喉管出口处的流速分布很不均匀，使扩散损失加大。相反喉管过长，则由于喉管内的流速较高会形成较大的流动损失。在参照工业射流泵喉管的经验取值L₂ = (5~7)d₁的基础上，本文选取喉管长度L₂=6d₁=1 200 mm。

图  2  射流器结构示意图

1. 法兰; 2. 吸入室; 3. 喉管; 4. 扩散管

Figure  2.  Sketch of jet apparatus

1. flange; 2. suction chamber; 3. throat pipe; 4. diffuse pipe

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图  3  1-1剖面图

Figure  3.  1-1 section plane drawing

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(4) 扩散管。经过喉管的流体在扩散管内随着截面增大，速度就会逐渐减小，压力逐渐提高，使速度能转换为压力能，以减少能量损失。据大量实验表明，扩散角超过14°时，在扩散段内流体的流动已不能使流体在全部断面均匀分布，沿扩张壁面会形成更强的旋涡，出现回流区使压力恢复急剧下降^[12]。基于以上考虑，本文选取均匀扩散角为4°，则导出扩散管的长度为:

4.   小结

4.1   设计值

通过对射流式吸鱼泵的设计计算，推算出了所需工作水泵参数。并在考虑吸鱼泵综合性能的基础上对射流器进行了尺寸计算。其计算结果经汇总后列于表 1。

表  1  射流式吸鱼泵的主要设计参数

Table  1.  Values of main design parameter for jet fish pump

工作水泵  working pump		射流器  jet apparatus
流量/m3·s-1 capacity	扬程/m head	喷嘴直径/mm diameter of nozzle	喉嘴距/mm distance of throat pipe	喉管长/mm length of throat pipe	扩散管长/mm length of diffuse pipe
549	15	12Φ30	300	1 200	715

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4.2   适用性

(1) 本文设计的吸鱼泵适于具有一定规模的深水网箱养殖企业或养殖场，在单箱水体容积≥500 m³、养殖产量达15 t以上时，其经济适用性更好。

(2) 吸鱼泵是以体重为1 kg、平均体高160 mm的卵形鲳鲹为参考值进行设计的，选定的喉管直径为200 mm，因此它只适用于抽取体高低于200 mm的鱼类。

(3) 操作时为使吸鱼泵能顺利地从网箱中起捕鱼类，需对鱼群进行适当密集，且网箱中鱼水混合比例以接近1 : 1为好。

(4) 吸鱼泵应安装在不少于12 m²的工作平台上，并且所需配套动力系统的功率应不低于40 kW。

4.3   喉管尺寸的取值

本设计吸鱼泵的核心部件——喉管的尺寸取值是一关键问题。长度过短，工作水流与被吸鱼类就不能均匀混合，导致喉管出口处的流速分布很不均匀，使扩散损失加大。相反喉管过长，则由于喉管内的流速较高会形成较大的流动损失，并且不便于安装在工作平台上。本文只是在参照工业射流泵喉管的经验取值的基础上，选取了喉管长度为1.2 m，但对此尚未开展深水网箱渔获的现场实用性测试，有待在综合考虑其实用性和经济性的基础上，进行反复试验确定其最优参数值，但目前射流式吸鱼泵喉管长度的设计已能满足大部分深水网箱养殖渔获的要求。