2018,
Vol. 27
池塘养殖控制成本的主要方式之一是饲料投喂量的控制[1-2]。投喂量不足，会导致养殖对象个头瘦小、生长缓慢，影响产量、降低经济效益；而饲料的过量投喂，不仅浪费资源，而且多余的残料会污染水体，严重的情况下会导致养殖对象的大面积死亡，造成巨大的经济损失[3-4]。鱼虾生长所需的饲料量是随着水质的温度、溶氧量、pH等水质参数以及生长阶段不断变化的，因此需要投饵机能够精准地投喂养殖所需的饲料量。精准化是解决这一问题的有效途径，国内学者对精准化投喂进行了研究，如池塘养殖远程精准化自动投饲系统和新型自动投饲系统的研发，计重投喂称重平台和转盘计量系统装置的研制等[5-8]，但这些研究大多针对的是投饵系统的精准化，在投饵执行机构方面的精准性还有待深入研究。为了满足水产养殖固定岸基式精准投喂的需要，上海海洋大学设计了一种在传统抛料投饲机上加装称重压力传感器的精准投饲机[9]，通过安装在测量板下的称重传感器，将饲料在测量板上产生的压力信号转换成饲料质量。压力传感器的动态测量精度是一个关键因素，颗粒饲料在送料管筒内的气固两相流的运动情况会直接影响饲料作用在测量板上的压力大小，进而影响投饵精度，目前还没有国内外学者对此类精准投饲机进行相关研究。本文以上海海洋大学研制的精准送料投饲机的送料管筒及传感器的测量板为研究对象，研究投饲机送料过程中，管筒内气固两相流流场流动特性，应用流固耦合理论，建立气固两相流模型，运用ANSYS CFX流体仿真模块进行数值模拟[10-13]，分析在不同送料管筒倾角和长度以及饲料在管筒入口处的速度下，饲料作用在称重压力传感器测量板上的压力和饲料在管筒出口处的质量流量的变化情况。
1 精准投饲机精准投喂的方案 1.1 精准称重投喂方法上海海洋大学设计的精准送料投饲机整体结构如图 1(a)所示，由料箱、机架、送料装置、称重装置、抛料装置和控制盒组成，送料装置是传统的螺旋输送方式，抛料装置采用离心式抛料盘。称重装置位于送料装置和抛料装置之间，包含送料管筒、称重压力传感器和测量板，称重压力传感器安装在测量板下方，结构如图 1(b)所示。颗粒饲料经过送料装置以一定速度从入口进入送料管筒，并在管筒内部形成空气和固体颗粒的气固两相流，当饲料经过测量板时，饲料在测量板上产生压力，称重压力传感器将压力信号转换成电压信号[14]，送至控制盒内的PLC进行累计，待投喂量达到设定值时停止投喂。假设从送料管筒流出的饲料全部由抛料盘抛洒出去，所以称重装置测得的重量就是投饵量。
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图 1 精准投饲机结构图
Fig. 1 The structure diagramof precision feeding machine
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称重压力传感器通过感知饲料经过测量板时产生的压力来进行工作，为了了解影响饲料通过测量板产生压力的因素，对称重装置内饲料的运动情况进行分析。图 2所示为称重装置内饲料颗粒运动分析模型，该模型中L和α为送料管筒的长度和管筒与水平方向的安装倾角。
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图 2 称重装置内运动分析模型
Fig. 2 The motion analysis model of weighing device
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饲料颗粒以初始速度v0进入送料管筒，到达管筒底部的速度为v，该速度在水平和垂直方向上的分量为vx和vy。
根据能量守恒定律，可得：
(1)
则
(2)
式中：M 为进入管筒称重的饲料质量；g为重力加速度，当管筒材料确定时，管壁对颗粒的摩擦力为定值，在分析影响测量板压力的因素时可以忽略过程损失以简化计算。
假设在t时刻，进入送料管筒的颗粒饲料的质量为M(t)，称重压力传感器瞬时测量值为N(t)，N(t)由两部分组成，一部分为颗粒饲料垂直方向引起的冲力F(t)，另一部分为进入送料管筒的颗粒饲料M(t)中作用在测量板上的饲料自身的质量M1(t)，则有以下方程::
(3)
当质量为M(t)的饲料由送料管筒进入测量板时，在垂直向下方向具有的动量为M(t) vy(t)，此动量在物料进入测量板后变为0。设饲料完全进入测量板的时间为Δt，饲料对测量板的平均冲量为F，由动量定理得[15]：
(4)
则平均冲力为:
(5)
Δt→0时便得到瞬时冲力F(t)为:
(6)
式中：q(t)表示质量流量。
则q(t)可近似表达为:
(7)
将式(2)、式(3)代入式(7)，得
(8)
在0~t时间内，被测饲料的总质量又可表示为:
(9)
由式(8)、式(9)可知，送料管筒长度L、送料管筒和水平面的倾角以及管筒入口处的饲料速度v0对被测颗粒饲料的总质量M(t)产生直接影响。称重压力传感器感知到的质量与实际颗粒饲料质量是否一致，是实现精准的关键。为了得到送料管筒长度L、倾角α以及管筒入口处的饲料速度v0对测得的饲料质量的影响规律，使用ANSYS Workbench有限元分析软件中的ANSYS CFX模块进行仿真分析[16]。
2 仿真模型建立用三维建模软件Solidworks建立了送料管筒和测量板的三维实体模型，如图 3所示。运用ANSYS Workbench建立分析项目，对模型进行有限元分析。
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图 3 送料管筒数值模型图
Fig. 3 The numerical model diagram of feeding tube
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网格设置为Tetrahedrons，即采用4节点四面体单元对管道与流体划分网格，得到的有限元网格模型如图 4所示。每个模型的网格划分依据一样，由于管筒长度以及倾斜角度的不同，网格总数略有差别，总数为40 000左右。
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图 4 网格模型
Fig. 4 Grid model
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仿真条件设置：气相为25 ℃空气，连续流体，气相密度1.185 kg/m3，动力黏度2.28×10-5 (Pa·s)。壁面条件采用无滑移边界条件，壁面类型选择为粗糙壁面，粗糙度0.02 mm。固相颗粒平均直径1.5 mm，密度610 kg/m3，送料管筒入口质量流量0.105 kg/s，颗粒间碰撞系数0.95，颗粒与管壁碰撞系数0.5。为了简化流场计算，做以下假设：
(1) 滑道内气体为均匀空气，且处于常温常压状态下；(2)饲料颗粒之间不存在碰撞、挤压等作用；(3)流动过程为绝热过程，不考虑密闭空间(包括壁面)的热交换，考虑能量守恒方程；(4)管内为定常流动不可压缩流体；(5)分别设定两种颗粒模型，一种主要用来模拟颗粒对流场的影响，采用完全耦合，另一种主要用来模拟颗粒对管内壁的影响，采用单相耦合。
3 正交仿真实验方案精准投饲机在工作时通过传感器将饲料作用在测量板上的压力转换成电压信号送到PLC进行累计，然后通过传感器的标定公式计算得到投喂量。由于在仿真中只能获得饲料作用在测量板上的压力，无法直接获得饲料质量，但能获得送料管筒出口处的饲料质量流量，在投饵的过程中我们希望投饵机拥有较高的投饵效率，即出料是顺畅的，料不会堆积在料筒中。那么出料口流量等于进料口流量时就说明出料是顺畅的，料不会堆积；另一方面，出料口流量等于进料口流量时，通过压力传感器检测的压力转换成的饵料质量等于实际的投饵量，此时的压力值对于今后的实验有一定的参考作用。因此利用CFX计算时，选取饲料作用在测量板上的压力p和管筒出口饲料质量流量q为对象进行仿真。
由前面称重装置测量精度的因素分析结果可知，送料管筒的倾角、筒长L和入口处饲料的速度v0均会影响投饲机的测量精度，且相互影响，因此采用正交试验的方法设计试验方案，在不影响试验质量的前提下减少试验次数[17-18]。
3.1 单因素试验仿真为合理选取结构参数水平范围，正交试验前需要先进行单因素试验。本文研究的精准投饲机是在普通螺旋输送、离心抛料投饲机的基础上改进而来，受现有结构的限制，送料管筒的筒长L在300~500 mm范围、倾角α在15°~75°范围之内变化，而入口处饲料的速度可由送料装置的转速大小进行调节，处在0.1~0.5 m/s之间。为了得到优化的精准投饲机管筒结构尺寸，利用CFX分别计算在送料管筒不同筒长、倾角以及在入口处不同饲料速度下的饲料作用在测量板上的压力p和管筒出口饲料质量流量q，计算结果如图 5~7所示。
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图 5 饲料作用在测量板上的压力和管筒出口饲料质量流量随倾角的变化
Fig. 5 The pressure on the measuring plate and outlet feed mass flow ratevaries with the dip angle
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图 6 饲料作用在测量板上的压力和管筒出口饲料质量流量随筒长的变化
Fig. 6 The pressure on the measuring plate and outlet feed mass flow ratevaries with the tube length
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图 7 饲料作用在测量板上的压力和管筒出口饲料质量流量随管筒入口速度的变化
Fig. 7 The pressure on the measuring plate and outlet feed mass flow ratevaries with the tube inlet velocity
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由图 5~图 7可知，在单因素试验下，该精准投饲机送料管筒的相关参数分别在下述范围时，管筒出口处的质量流量接近于入口处的饲料质量流量0.105 kg/s：倾角α=38°~42°，筒长L=390~410 mm，管筒入口速度v0=0.28~0.32 m/s，这为正交仿真试验因素水平的设定提供了依据。
3.2 正交试验方案设计根据单因素仿真试验结果，设计三因素三水平(倾α角、筒长L、管筒入口处的饲料速度v0)正交试验。水平因素和正交试验表分别如表 1和表 2所示。
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表 1 送料管筒相关参数正交试验水平因素 Tab.1 Orthogonal experiment level factor of the related parameters of feeding tube |
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表 2 正交试验表 Tab.2 The orthogonal experiment table |
由CFX计算各试验组的管筒出口处的饲料质量流量以及相对误差如表 3所示，表中的相对误差指的是出口与入口处的饲料质量流量之差与入口质量流量的比值。
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表 3 正交试验结果 Tab.3 Orthogonal experiment results |
相对误差越小，说明测量结果越精准。由表 3可知，第3方案的相对误差最小，即送料管筒倾角为38°、筒长为410 mm和管筒入口处饲料的速度0.32 m/s为最佳值。
为得到各结构参数对测量精准度影响的主次顺序，需对表 3中的数据进行极差分析，表 4即为极差分析方案。kjm表示第j列因数m水平所对应的试验指标之和。Kjm为kjm的平均值。极差Rj反映因素水平变化对指标影响范围的大小，极差越大，说明在该因素下所选的水平数对指标的影响越大，反映该因素的水平变化对试验指标的影响越大，该因素越重要[18-19]。出入口饲料质量流量差值的极差分析结果如表 5所示。
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表 4 极差分析方案 Tab.4 Range analysis plan |
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表 5 出入口饲料质量流量差值的极差分析 Tab.5 Poor analysis of the difference of inlet and outlet feed mass flow rate |
由表 5可知：管筒入口处饲料的速度v0所对应的极差RC最大，其次是管筒倾角所对应的极差RA，最小的是筒长L所对应的极差RB。因此管筒入口处的饲料速度是影响测量精度的最主要因素，其次为管筒倾角。综上可知影响测量精度的主次顺序分别是:管筒入口处的饲料速度＞倾角＞筒长。
5 结论本文以上海海洋大学研制的精准投饲机为对象，研究投饲机投喂精度的影响因素，通过理论分析与ANSYS CFX流体仿真，得到如下结论：
(1) 称重装置测得的饲料质量流量受送料管筒的倾角α、筒长L以及在送料管筒入口处的饲料速度v0影响；
(2) 精准投饲机送料管筒的最佳参数应为：送料管筒倾角为38°，筒长为410 mm，这两项参数可以在投饵机制造加工时可以确定；管筒入口处的饲料速度为0.32 m/s，由于管筒入口处的速度就等于送料装置出口处的速度，因此可以在控制系统方案中通过控制送料装置的转速进行调节；
(3) 送料管筒入口处的饲料速度是影响测量精度的最主要因素，送料管筒安装倾角对精度的影响次之，送料管筒筒长对精度的影响最小。
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