螺旋-引射器混合正压输送系统对挤压水产饲料的输送性能与参数优化

《Aquacultural Engineering》：Performance and parameter optimization of a screw-ejector hybrid positive-pressure conveying system for extruded aquafeed

　　

针对螺旋给料器因缺乏气锁而导致的气流泄漏、旋转气锁阀引起的压缩破碎以及传统文丘里管在水产饲料气力输送中输送效率低的问题，研究人员以海大品牌挤压鲈鱼饲料为试验物料，开发了一种螺旋-引射器混合正压输送系统。随后对输送性能和参数优化进行了评估，以实现高效、低损运行。通过螺距、转速和粒径的耦合试验，确定了螺旋给料的最佳操作窗口为螺距65.4 mm、转速60 r·min^-1。设计了两种引射器构型——传统文丘里管和开放式进气（大气型）引射器——试验表明后者具有更优的输送性能。气力输送破碎试验确定了6号饲料的低损操作阈值：当实测空管风速≤40 m·s^-1时，观察到的破碎与背景基线在统计上不可区分；当≥50 m·s^-1时，结构性破碎被系统性触发；因此建议操作风速≤40 m·s^-1。

【研究背景与意义】循环水养殖系统（RAS）和集约化高密度养殖的快速发展使饲料成本占总运营支出的30%–70%。残留和破碎颗粒是养殖水体中主要的固体废弃物来源，会损伤鱼鳃、抑制生物滤器中的硝化作用、促进有毒代谢物积累并引发疾病暴发。这对自动投饲系统中的精确计量和高效低损输送提出了迫切需求。现有螺旋给料装置缺乏对正压回流的有效气封：螺旋通道开放，直接连接正压输送管线会导致高速气流沿螺旋叶片逃逸至料斗，破坏给料稳定性。旋转气锁阀虽能提供气封功能防止回流，但饲料颗粒随转子旋转易发生压缩和磨损破碎。螺旋-文丘里气力喂料器通过文丘里管将螺旋与输送管线连接，避免了回流和压缩破碎，但传统文丘里管输送效率低且仅适用于较小颗粒尺寸。综上，现有喂料装置与正压管线之间的接口方案均无法同时满足防回流、低破损和高效率三项要求。为此，研究人员提出了基于"螺旋计量给料—引射器吸力混合—正压管道输送"的混合正压输送系统。其核心构思为：螺旋给料器输送低剪切、可标定的连续料栓流；引射器结构替代机械气锁部件，在正压管线与螺旋出口之间产生局部负压，在不引入新的压缩破碎的前提下防止回流；并为输送段标定安全风速阈值，使系统始终在低损区间运行。研究目标包括三个方面：（1）通过螺距-转速-粒径耦合试验优化螺旋给料机构的关键几何和操作参数，确定稳定给料窗口；（2）设计两种引射器构型并通过CFD模拟和防回流对比试验评估其进料口负压和吸入能力，选择适合本系统的构型；（3）对海大6号挤压饲料进行正压输送破碎试验，建立背景噪声与宏观破碎之间的统计边界，阐明风速和弯头数对破碎率的影响，提出安全风速和管道配置的工程推荐区间。该研究为水产饲料高效低损正压输送提供了一种候选方案。

【关键技术方法】研究人员采用螺旋给料机构（螺杆外径130 mm，三种螺距43.6、65.4、87.2 mm，转速40、60、80 r·min^-1）对海大品牌挤压鲈鱼饲料（0、2、4、6号四个粒径等级，特征粒径分别为1.6、3.4、7.1、10.9 mm）进行全因素试验，以转速、螺距和粒径为三因素开展方差分析（ANOVA）和非参数检验评估给料稳定性。设计传统文丘里管和开放式进气引射器两种构型，采用ANSYS Fluent 25.2进行三维CFD模拟（k–ω SST湍流模型，可压缩流处理），并通过空管风速测量进行防回流验证。搭建正压气力输送破碎试验台（管道内径72 mm，90°长半径弯头R=100 mm），以空管风速和弯头数为变量，采用10 mm标准细筛联合人工挑选准则（投影面积损失≥20%或明显结构破损）评估破碎率，并利用统计方法（Shapiro–Wilk检验、Welch ANOVA、Games–Howell事后检验、Mann–Whitney U检验、Fisher精确检验和ROC曲线）确定临界风速阈值。试验物料来源为海大品牌挤压鲈鱼饲料。

【研究结果】（1）螺旋给料机构设计与计量稳定窗口表征：通过三因素完全随机方差分析，稳定生产率的主效应均高度显著（P<0.001，偏η2>0.8），效应量排序为螺距（偏η2=0.997）>转速（0.995）>粒径（0.829），三因素共同解释生产率的99.8%方差。充填率方面，螺距效应量最大（偏η2=0.979），粒径次之（0.826），转速最小（0.062）且实际影响可忽略。非参数检验表明螺距和转速对变异系数（CV）无显著影响，粒径是计量稳定性的主导因素（P=0.008），2号与6号之间差异显著。大螺距在多数条件下CV较高，中螺距在各条件下均保持低CV和小离散度。确定最佳螺旋参数为螺距65.4 mm（S/D≈0.503）和转速60 r·min^-1，该组合CV≈1%，可维持稳定料栓流。（2）引射器结构设计、仿真、防回流验证与系统级可行性：CFD结果表明，在相同出口风速下，开放式进气引射器的进料口负压（?72.8至?279.0 Pa）约为传统文丘里管（?2.35至?6.90 Pa）的31至58倍，吸入风速（10.45–20.48 m·s^-1）为后者的4.3至6.8倍。但开放式进气引射器所需驱动压力（25.8–124.0 kPa）远高于传统文丘里管（1.32–5.29 kPa）。无料条件下实测进料口风速前者为9.0–17.0 m·s^-1，后者仅1.8–3.5 m·s^-1，约为5倍，与仿真趋势一致。传统文丘里管在连接螺旋给料器后出现物料积聚并最终完全堵塞，其进料口质量流量在19%–27%的迭代中为负值（间歇逆流）。开放式进气引射器在整个30–60 m·s^-1范围内保持进料口吸入风速≥9.0 m·s^-1，连接螺旋给料器后输送顺畅，无物料积聚、输送堵塞或气流回流。集成系统在空管风速40 m·s^-1、螺距65.4 mm、转速60 r·min^-1下连续运行超过5 min无操作干预，螺旋筒内无气流回流，出料均匀，运行稳定。（3）正压气力输送破碎阈值试验：在V≤40 m·s^-1时无法可靠检测到破碎颗粒，表明颗粒撞击动能低于挤压颗粒表层的宏观失效阈值。在V≥50 m·s^-1时破碎率系统性超过背景上限（B_lim=0.091%），在V≥60 m·s^-1时破碎率跃升至0.5%–0.8%范围，组内标准差从低风速的0.02%–0.04%扩大至0.04%–0.16%。Welch ANOVA表明风速主效应高度显著（P<0.001），Games–Howell事后检验显示20、30、40 m·s^-1三组间无显著差异，构成低破碎平台；60 m·s^-1组显著高于50和55 m·s^-1组。双因素方差分析表明弯头数主效应不显著（P=0.483，偏η2=0.052），风速×弯头数交互作用亦不显著（P=0.544）。Mann–Whitney U检验显示高速组破碎率显著高于低速组（P<0.001），Fisher精确检验表明速度分组与超限状态之间存在显著关联（P<0.001），所有低速运行均低于B_lim而所有高速运行均高于B_lim。ROC曲线AUC=1.000，最大Youden指数出现在50 m·s^-1（灵敏度和特异度均为100%）。因此50 m·s^-1被严格定义为宏观破碎显著上升的起始统计阈值，实际上升区间位于40–50 m·s^-1之间，推荐操作风速≤40 m·s^-1作为保守选择。与旋转气锁阀的对比试验表明，在相同气力条件下（50 m·s^-1，6号饲料，T=1），旋转气锁阀喂料的破碎率为2.34%±0.38%（范围1.64%–3.03%，15个条件），而螺旋-引射器系统的破碎率仅为0.235%±0.057%，前者均值约为后者的十倍，表明螺旋-引射器结构相对旋转气锁阀可将破碎率降低约一个数量级。

【讨论与结论】研究人员在讨论部分指出了本研究的局限性：阈值和推荐范围仅适用于海大6号饲料和本研究的实验管道配置；破碎试验采用人工连续喂料，与集成螺旋给料装置存在差异；样本量较小限制了统计功效。研究新颖性在于：以引射器结构替代旋转气锁阀的强制压缩气封，在机理层面同时消除了压缩破碎和螺旋侧气流回流，在喂料器-输送器连接处提供了低剪切气固界面；在此基础上确定了螺旋给料器的最佳稳定窗口（螺距65.4 mm、转速60 r·min^-1）和正压输送的安全风速包络（≤40 m·s^-1归于背景基线；40–50 m·s^-1为过渡带；≥50 m·s^-1结构性破碎被激活），从而开发了一种螺旋-引射器混合高精度、高效率、低损耗水产饲料输送系统。未来工作方向包括：引射器在含粉两相流下的长期冲蚀演变及混合室粉料积累对吸入性能的影响需长期验证；不同形状、硬度和含水率的挤压饲料具有不同的临界冲击速度，需建立饲料物理参数到安全风速的经验映射；实际RAS设施常采用管道分流器进行多池分支，弯头组合更复杂，阈值模型应纳入等效弯头数和局部加速段；≤40 m·s^-1的推荐操作线未在40–50 m·s^-1区间内通过密集风速水平直接验证，真实上升点的精确定位有待进一步细化风速水平；所用风速计额定范围为0–45 m·s^-1，50–63 m·s^-1的读数超出额定范围，虽读数稳定可重复且阈值结论依赖于速度组间分离而非绝对标定，但对仪器在45 m·s^-1以上进行专门标定可进一步提高绝对风速值的可靠性。研究结论部分翻译如下：1. 为提高计量精度和输送效率同时减少机械压缩破碎，采用螺旋给料器替代旋转气锁阀。螺旋给料过程影响因素试验确定了螺距65.4 mm、转速60 r·min^-1的可标定"高精度、高效率、低损耗"稳定操作窗口（CV≈1%）。2. 为实现螺旋给料器与正压气力管线之间的常开连接（即接口处接近大气条件），设计了两种引射器构型——传统文丘里管和开放式进气引射器。CFD模拟和对比验证试验表明，开放式进气引射器比传统文丘里管具有更优的吸入性能，解决了"螺旋-正压"气流回流问题并提高了输送效率， albeit at higher energy consumption。3. 为抑制气力破碎，实验评估了风速和弯头数对颗粒破碎的影响。结果表明破碎率对风速敏感而弯头数效应未达统计显著性；由此建立了6号饲料正压输送的速度阈值和安全操作包络：宏观破碎在≥50 m·s^-1时显著上升，建议操作风速≤40 m·s^-1。4. 阈值和推荐范围仅适用于海大品牌6号饲料和本研究使用的实验管道配置。破碎试验采用人工连续喂料，与集成螺旋给料装置不同；此外样本量较小限制了统计功效。