气力输送投饵机发展现状

汤彬 张瀚予 崔信哲 张迪

摘 要：列举国内外的气力输送投饵机研究成果，介绍了气力输送的影响因素，并列举了CFD-DEM仿真对气力输送投饵机设计的辅助作用，发现CFD-DEM仿真中将颗粒视为离散的实体，采用离散元法（DEM）对颗粒间的相互作用进行描述，采用计算流体力学的方法（CFD）对颗粒-流体的相互作用进行描述。该耦合方法的优点是能够将颗粒的形状、尺寸和密度等因素纳入其中，使其对多相流的数值模拟更为精确。

随着改革开放的不断深入，我国经济已由高速增长阶段转向高质量发展阶段，在渔业上我国也走上了一个快速发展的阶段。随着水产养殖的加速发展，投饵机在养殖中大大减少人力和物力的投入，使得投饵机的应用得到了极大的提高。气力输送投饵机用风能作为运输饵料的介质，相比传统投饵机具有投射范围广、精度准等优点。其在国内外都被广泛的应用于养殖行业中，本文列举国内外的气力输送投饵机研究成果，介绍了影响气力输送的影响因素，并列举了CFD-DEM仿真对气力输送投饵机设计的辅助作用。

1 国内外气力投饵机发展现状

1.1 国外气力投饵机发展现状

在国外，例如美国、挪威、加拿大、丹麦、日本、意大利，开发和应用自动化投饵设备都十分普遍，并且具有一些程序化的功能，可以对饲料的存储、运输、投放进行控制，来提高投饲精度和饲料利用率，降低劳动强度，减少劳动力成本，提高养殖生产效率[1-2]。

挪威早在1980年代就开始使用自动投饵系统来喂养鳕鱼幼鱼。AKVA公司研制了CCS自动投饵系统，利用风机产生高速气流，具有输送距离远、投饵范围大等特点，将投饵机落下的饲料吹送到主输管上，经管道分配器将饵料投至相应的目标养殖池中[3-5]，图1为挪威智能自动投饲系统。美国ETI公司开发的高精度、高可靠性和大容量的Fedmaster饲料系统，基于PLC控制技术，采用气力输送方式，投喂饵料破损率低，可以同时向多个养殖池进行投喂，是当前国际上应用最广泛的一种深海网箱自动化投喂方式[6]。

Pneu-Con是美国专业从事气流运输及物料搬运装备生产的企业。他们提供多种气力输送投饵机，适用于不同的物料和应用，图2为其公司的投饵产品。AZO是德国一家知名的气力输送系统制造商，提供多种气力输送投饵机，适用于粉末、颗粒等不同形态的物料。AZO开发了自己的系统来控制密相塞流，几乎可以完成任何输送任务。

1.2 国内气力投饵机发展现状

中国是世界上最大的水产养殖大国，根据国家统计局的数据，2020年全国水产养殖业的产量达到了5 224.20万吨，2021年养殖产量5 394.41万吨，同比增長3.26%，2022年养殖产量5 565.46万吨，同比增长3.17%，水产养殖规模在逐步提高[7-10]。我国地域辽阔，渔业资源十分丰富，渔业资源仍有很大的发展空间，但是水产生产区域分布不均衡，养殖方式多种多样，其规模也不同。人工投饵不均匀、投饵量不精确，频繁投饵，劳动强度大，难以实现“少食多餐”的投饵理念[11]。投饵机的引入就能有效解决上述问题，不仅能解放人们的双手，实现定点有效率的投喂，还能降低饵料消耗，减少对水体的污染。

气力输送投饵机利用气体压力作为饵料输送动力，通过管道将饲料或其他物料运送到需要的位置。它通常由压缩空气系统和输送管道组成，可以在各种工业生产和制造过程中使用，相比于传统的电机更安全。优点是输送距离较长， 对空气的除尘要求不高[12]。在养殖业中，气力输送投饵机可以大大提高饲料投放的效率和自动化程度，减少人工成本和劳动强度。

宋协法等[13]设计了一种深水网箱投饵机，该投饵机充分利用海水资源，使用水力环流供饵、水力抽负吸饵、水动力投饵、汽油机水泵提供动力，利用管道向多个距离不同的网箱供饵，如图3所示。

陈晓龙等[14]提出一种基于气体输送原理的自动投饲机，以解决投饲机承载量小、投饲不均匀、投饲范围小、饲料利用率低等问题。基于气力输送原理，以PLC作为集中式核心控制器，王志勇等[15]采用压送式气力输送原理，压气装置产生的空气流经过加速之后形成高速气流，并在下料装置的下料口附近产生一个负压区，在负压区和加速气流的联合作用下，饲料顺沿管道输送到养殖池中。徐志强等[16]通过采用变频电机螺旋输送机及定速、定时控制等技术，驱动控制采用USS protocol协议，该系统投饵半径大于7 m，实现了池塘养殖自动投饲系统远程精准化升级的设计要求；郁蔚文等[17]采用气力输送和水体增氧一元化工艺技术，解决池塘养殖生产中智能化集中投饲需求，实现集中供料、饲料预处理、多池塘同步投饲、投饲区域增氧、远程管理控制等目的；楼建勇等[18]阐述了目前气力输送系统的研究状况和发展方向，对其类型、特点以及存在的问题进行了详细的说明。

综上所述，近几年国内外对投饵机都进行了更深的研究，取得了各自的成果。根据他们的研究成果和自身对投饵机的了解，认为压缩气体作为运输饵料的介质是一种更有效率的方式。它不仅能减少饵料的损失，还能实现在喷洒中均匀地分配，更能实现定时的投喂。

2 气力输送的影响因素

气力输送是一种将固体颗粒或粉末通过气流传送到指定位置的方法，因此影响气力输送的因素有很多，以下是一些常见的影响因素：

2.1 气流速度

气流的速度是影响气力输送效果的关键因素之一。适当的气流速度可以保持颗粒悬浮在气流中，并保证其稳定输送。过高或过低的气流速度都会影响颗粒的输送效果。

一般输送气流速度取物料悬浮速度的1.5～3倍，可以先得到颗粒速度再去实现最优气流速度。为了得到颗粒速度的最优解， Halstensen等[19]研究了一种基于无创被动声测量和多元回归建模（声化学计量学）的在线监测技术的应用。校准了偏最小二乘回归（PLS-R）模型，以优化气力输送系统中颗粒速度。

2.2 固气比

固气比是指在气力输送系统中，固体颗粒与气体之间的质量比。适当的固气比可实现最佳的输送效果。过低的固气比会导致颗粒沉降或分离，造成堵塞；而过高的固气比会增加系统的能耗和气流阻力，降低输送效率。其对气力输送的影响主要体现在以下几个方面：

一是压降：固气比增大会使气流中固体颗粒浓度增加，从而导致气流阻力增加，产生较大的压降。

二是固体沉降：固气比较高时，固体颗粒容易在气流中沉降下来，造成堵塞和堆积。这会导致管道堵塞、设备损坏等问题，降低系统的可靠性和稳定性。

三是固体磨损：固气比增大会使气体中携带的固体颗粒数量增加，颗粒之间的碰撞和摩擦也会增加，导致固体颗粒的磨损加剧。

原田幸夫等[20]针对固气比进行了实验，结果表明，当固气比较大时，颗粒群体的悬浮速率随固气比的增大呈线性地下降，但压降与群体质量成正比。国内扶廷正[21]也在输送系统中，证明输送管道压降与固气比成正比关系。为实现煤粉在管道气力输送中的最佳效果，张岚冰等[22]基于CFD-DEM对煤炭颗粒进行输送模拟，证明了固气比的增大不仅减小颗粒速度，同时可能会因动力不足造成堵塞。

综上所述，固气比在气力输送中對压降、固体沉降和固体磨损等方面都有一定的影响。在实际应用中，需要选择适当的固气比，以确保系统的正常运行和高效性能。

2.3 管道设计

在气力输送中，管道设计是至关重要的因素之一。合理的管道设计可以提高输送效率，减小阻力，降低系统能耗，并减少系统故障的发生。以下是管道设计中需要考虑的一些因素：

一是管道直径和长度：管道直径和长度的选择直接影响到气体流速和压降，对气力输送系统的输送能力和能耗有很大的影响。

二是弯头和阀门：弯头和阀门会产生较大的阻力，影响气体的流动和输送能力。

三是材料和壁厚：管道材料和壁厚的选择直接影响到管道的耐磨性和寿命。

综上所述，管道设计是气力输送系统中非常重要的因素之一，需要考虑很多因素来确保系统的正常运行和高效性能。

为了减少颗粒在管道中引碰撞而造成的能量的损失，以下几人对这方面进行研究。祝先胜[23]针对气力输送中常见的堵塞问题，模拟水平弯管内的密相料栓式气力输送过程，分析了颗粒对壁面产生的磨损的影响。赵永勤等[24]对正压浓相气力输送系统中关键部件的磨损机理进行了分析，阐述了输送条件、物料物性、输送管道结构及材质等主要磨损影响因素， 提出降低磨损的有效措施。Gundogdu[25]针对常规风送式回转下料阀下料品质不稳的难题，在饵料储料斗顶部和气力式输料管道之间添加一个柔性压力平衡管，解决饲料在回转下料阀中容易发生黏附、堵塞等难题。Tan等[26]提出了一种新型低速密相气力输送系统，旁通系统可以在较低的风速下运行，段塞流系统也可以控制在较低的速度区运行。

减少颗粒在管道中的能量是提高整个气力输送系统的运输效率之一的手段，然而也可以增大压力差来让气力输送系统达到更好的效果。气力输送投饵机的压力差往往通过改变横截面的大小来实现，文丘里管的工作原理是气流流经收缩段，流速增大，压力降低，形成负压环境卷吸物料，气料经过混合段充分混合后，进入扩张段减速增压，随后沿输送管道送入指定场所。其结构由气力入口段、收缩段、气料混合段、扩展段、出口段组成。图4为文丘里管各段的分布：

文丘里供料器的密封作用是靠空气的动压来实现的，供料点的压力总是低于大气压，从而产生负压，使物料吸入输送管道中进行输送，使粉粒料在重量下落或被吸入供料器内，管径缩小，流速增大的同时压力减小，压力能转为动能，而在扩散管内则变为输送所需的压力[27-28]。侯冬尽[29]开展空载实验和带负荷实验，分别测定喷嘴入口压力、接收室压力及输粉管道背压等参数的变化规律，获得喷嘴尺寸、节流比、喷嘴到接受室的距离及输送管路速度等因素对煤粉输送稳定性的影响规律。关玉慧[30]通过改变文丘里管喉部的直径（喉径比）来降低压力的损耗。当喉径比减小同样幅度时，喉径比越小，对压力的变化影响越显著。王文琪等[31]指出文丘里管喉部的加长，可使颗粒得到充分加速，但是对于非常细小的粉体颗粒，由于它的跟随性较好，可以缩短喉口的长度，以减少压力损失。

3 管道优化研究方法

为了进一步优化管道以及模拟颗粒在复杂环境下的运动、变形和相互作用，运用CFD-DEM仿真，CFD-DEM数值模拟方法是一种较为先进的流固耦合模拟方法，具有精度高、准确性好、计算效率高等优点。

离散元法（Discrete Element Method，简化为 DEM）是对颗粒的真实运动状态进行展示，主要运用在纯颗粒的研究中。目前DEM的软件有EDEM等软件，能够很好地分析颗粒运动情况。张三丰等[32]对气力输送理论计算以及仿真计算结果为气力输送系统的优化设计提供了参考，通过用EDEM软件进行仿真，对气力输送系统中的自动投饵装备选型提供了必要条件。DEM是Cundall等在20世纪70年代为处理离散物料中的复杂问题提出的一种数值模拟方法[33]，它能够为解决颗粒、流体、结构等问题提供一个分析平台[34]。

计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD） 是在流动基本方程控制下对流动的数值模拟，目前CFD的软件有FLUENT等软件，能够很好地分析流体流场。何成[35]利用FLUENT软件进行仿真计算，对建立的竖直管道气固两相流流动物理模型采用欧拉方法，研究浓相气固两相流的动力学特性。通过这种数值模拟，我们可以得到极其复杂的流场内各个位置上的基本物理量（如速度、温度、压力、浓度等）的分布，以及这些物理量随时间的变化情况[36-37]。

直到1993年Tsuji等[38]首先将DEM和CFD耦合，用来解决流固两相流动的数值仿真。CFD-DEM方法是一种将CFD和DEM相结合的模拟方法，两种方法的结合可以用于模拟多相流动中颗粒物和流体之间的相互作用。高观保[39]运用气固两相流流体力学理论，确定其主要设计参数，采用DEM-CFD耦合的方法对气力输送系统进行数值模拟。在此基础上，研究了肥料颗粒在不同工况下的运动规律，并在此基础上进行了参数化设计，得出不同入口速度边界条件下，气流速度分布形态基本相同，气流最大速度出现在气料混合腔部位。

CFD选用FLUENT来仿真流体流场，DEM选用EDEM仿真颗粒运动情况。FLUENT-EDEM耦合可实现三维气固两相流动的模拟，在进行耦合时EDEM中的离散相求解是作为FLUENT的用户自定义函数（UDF）内置于FLUENT当中，可以增强软件在模拟气固两相流时的能力[40-41]。刘德柱[42]对混肥装置进行了耦合仿真，采用FLUENT后处理模块对混肥装置压力云图和速度矢量分布图进行分析，得出入口气流速度的变化对静压分布影响较小。采用EDEM后处理模块对颗粒肥料在混肥装置中的位置和轨迹线分布图进行了分析，得出随入口风速增加，肥料颗粒在管道内的间距也增大，肥料与扩张室管壁的撞击减少，肥料颗粒输送更稳定。张学强[43]也使用FLUENT-EDEM，得到气体与颗粒相互作用后的压力、速度、轨迹分布等情况，为优化气力输送装置提供了很好的依据。

综上所述，该耦合方法的优点是能够将颗粒的形状、尺寸和密度等因素纳入其中，使其对多相流的数值模拟更为精确。

4 结论与展望

气力输送投饵机广泛应用于养殖领域中，利用气流将饵料从一个地方传送到另一个地方。在气力输送系统中，饵料被装载到气流中并通过管道输送，而无需使用传统的机械输送方式。气力输送具有许多优点，首先是高效性。由于物料被推送而不是拉动，因此可以实现快速而连续的传输，大大提高了生产效率。其次，气力输送是灵活且适应性强的，可以满足不同物料、不同距离的输送需求。此外，气力输送能减少劳动力的需求和时间。

然而，气力输送也存在一些问题，首先是物料易堵塞的问题。此外，由于气力输送过程中产生的气流速度较高，容易导致饵料的破碎。虽然国内外研究人员用各种方法对气力输送系统不断地优化改进，但还有值得去优化的地方。总之，气力输送是一种可靠、高效且灵活的物料输送技术，在养殖行业中具有重要的应用价值。

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