《Fishes》：Based on the DEM-SPH Coupled Method for Analyzing the Dynamic Characteristics of a Spiral Sorting Device for Fish Grading
Dai Zhang,
Huang Liu,
Andong Liu,
Chongwu Guan,
Chenglin Zhang,
Yujie Chen,
Yiqi Wu and
Yue Zhang
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针对传统机械分选设备在鱼类分级过程中易造成鱼类堆叠、碰撞和应激反应加剧，影响鱼类健康和商品价值的问题，研究人员设计了一种基于螺旋溜槽结构的无动力鱼类预分选装置，并利用创新的DEM-SPH耦合数值模拟技术，揭示了鱼类在装置内的自组织分选机制。研究表明，该装置可有效实现鱼类的自动间距分离，降低碰撞和应激，为鱼类温和高效分级技术提供了理论支持。
在水产养殖和加工领域，如何高效、温和地将不同规格的鱼体自动分选出来，一直是个棘手的难题。传统的机械筛选或水流引导装置，往往“简单粗暴”，容易造成鱼体之间的堆叠、碰撞，这不仅降低了分选效率，更会引发鱼类的应激反应，损害其健康，最终导致商品价值下降。面对这些技术瓶颈，亟需一种能够模拟真实流体环境、精细刻画鱼与水复杂相互作用的新方法，来探索一种更为“温柔”且高效的分选之道。
本研究发表于《Fishes》期刊，论文标题为“基于DEM-SPH耦合方法分析螺旋分选装置动态特性”，作者为 Dai Zhang, Huang Liu, Andong Liu, Chongwu Guan, Chenglin Zhang, Yujie Chen, Yiqi Wu 和 Yue Zhang。研究者们巧妙地将鱼类行为学与离心分离原理相结合，提出了一种创新的解决方案。他们设计了一种无动力的螺旋式鱼类预分选装置，其核心在于利用鱼体自身重力、水流作用以及螺旋溜槽产生的离心效应，来实现鱼类的自动、温和分离。这项研究不仅关注设备的结构优化，更深入到理论层面，旨在揭示鱼类在被动螺旋溜槽中“自发”分选的深层物理机制。
为了完成这项研究，作者们主要运用了三种关键技术方法。首先，他们采用了创新的DEM（离散元法）-SPH（光滑粒子流体动力学）耦合数值模拟技术。这种方法能够无网格、高精度地模拟自由表面流动和流固耦合动力学，有效克服了传统CFD（计算流体力学）方法难以处理鱼与水双向耦合、自由液面变形及鱼体间相互作用的局限。其次，研究团队在MATLAB 2024环境中构建了鱼类在螺旋槽内滑动的多阶段动力学模型，以定量分析不同建模假设对滑动结果的影响。最后，利用SolidWorks 2024进行三维建模，并借助Ansys Rocky软件进行分析，以验证分选效果。
2. 螺旋鱼类分选装置的结构与动力学模型
2.1. 装置结构和工作原理
现有研究多聚焦于结构优化和效率提升，但缺乏对鱼类在被动螺旋溜槽中自发分选机理的理论洞见。本研究提出的无动力螺旋分选装置主要由进鱼口、螺旋溜槽、水膜润滑系统、支撑结构和出鱼通道构成。其中，螺旋溜槽的宽度和螺旋倾角是关键参数，共同决定了作用于鱼体的重力、摩擦力和流体力的平衡。该装置依靠鱼体自重和水流驱动，无需外部动力。鱼类通过水膜输送管间隔进入进料口，在重力和水流作用下沿螺旋溜槽滑下，在滑动过程中受到重力分力、水阻力和摩擦力的综合影响，逐渐实现间距分离。装置的整体示意图直观展示了其工作原理。
2.2. 螺旋槽内鱼体的动力学模型
为定量分析装置内部的分流现象及其对性能的影响，研究引入了分流比的概念。其中，底流分流比定义为底流流量与进口流量之比，旁路分流比定义为旁路流量与进口流量之比。总分流比则是这两者之和，并通过数学模型推导，与溢流空气体积流量相关联。此外，还定义了旁路分流比在总分流比中所占的比例参数。在评估螺旋溜槽的鱼体分离效率时，研究采用了传统的总分离效率公式，该效率可通过进入底流和旁路的鱼体质量总和与进口鱼体质量之比来计算，也等同于1减去溢出鱼体与进口鱼体的浓度流量之比。
结果与讨论
通过设定不同的鱼类长度和水层厚度等条件，系统验证了该无动力螺旋分选装置的分选效果和稳定性。结果表明：
- 1.
有效分离与低应激：该螺旋无动力分选装置能够有效实现鱼类的自动间距分离，显著减少了鱼体间的碰撞和应激反应。
- 2.
最佳操作参数：对于长度为130毫米的鱼，在水层厚度为3至5厘米的条件下具有更好的分选稳定性。
- 3.
最小初始间距：确定了该装置有效运行所需的最小初始投放间距为0.11米。
- 4.
方法优势：研究所采用的DEM-SPH耦合方法，因其无网格特性，能够有效捕捉自由表面流动和流固耦合动力学，真实再现了鱼类在螺旋溜槽中的运动，克服了传统CFD-DEM（计算流体力学-离散元法）模拟在捕捉流体夹带和涡流诱导分选方面的不足，清晰地揭示了鱼类在流动惯性和涡流作用下的自组织分层机制。
结论
本研究通过集成DEM-SPH耦合数值模拟技术与多阶段动力学建模，成功设计并分析了一种新型的无动力螺旋鱼类预分选装置。该装置利用鱼体自重和螺旋流道产生的力学环境，实现了鱼类的温和、高效自组织分选，克服了传统设备在分选效率和准确性方面的技术瓶颈。研究不仅提供了优化的结构参数（如130毫米鱼长在3-5厘米水层下稳定性最佳，最小初始间距0.11米），更重要的是，从理论上揭示了鱼类在复杂流场中基于惯性力和涡流的自发分选机理。这项工作为机械化鱼类加工提供了一种创新的、低应力的预分选解决方案，融合了流体力学和离心分离原理，对推动水产养殖业的精细化、自动化发展具有重要的理论意义和应用价值。
