滿曉東，宋協(xié)法，黃志濤，董登攀

(中國海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，山東 青島 266003)

深水網(wǎng)箱以其抗風(fēng)浪能力強、集約化程度高、養(yǎng)殖容量大等優(yōu)點，成為近三十年發(fā)展的全新養(yǎng)殖設(shè)施[1- 2]。但是，由于網(wǎng)箱長期浸沒在深水中，大量絲狀藻類等附著物迅速繁衍致使網(wǎng)眼堵塞[3- 4]，降低了網(wǎng)箱的濾水性能[5]，網(wǎng)箱內(nèi)部水流不暢導(dǎo)致溶氧量降低，使養(yǎng)殖魚類無法攝食而影響正常發(fā)育，進而影響?zhàn)B殖的飼料效率和存活率，水產(chǎn)品質(zhì)量也逐漸下降[6- 7]。另外，網(wǎng)箱網(wǎng)衣附著的加劇也會增加其整體重量，增加網(wǎng)箱的阻力，嚴重影響到網(wǎng)箱的安全性及使用壽命。目前，網(wǎng)箱清洗的方法有很多，其中機械清洗法以其無污染、清洗效率高且清洗方便等優(yōu)點成為主流[7]。國外的網(wǎng)箱清洗裝置相對比較成熟，多采用噴射式高壓水沖洗[8]。劉杰[9]首次提出將洗網(wǎng)機配備清洗盤，使其產(chǎn)生高壓水射流圈對網(wǎng)衣附著物進行沖洗。宋協(xié)法等[10]通過水動力性能及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計出依靠水流驅(qū)動帶有毛刷的圓盤清洗；胡昱等[11]根據(jù)水射流理論設(shè)計出具有圓柱型噴嘴的網(wǎng)箱清洗裝置，利用噴射水流對網(wǎng)衣的打擊力實現(xiàn)了高效率清洗；張小明等[12]設(shè)計的歧管式高壓射流水下洗網(wǎng)機，依靠高壓水流噴射的反作用力帶動擋板旋轉(zhuǎn)，同時擋板上的多個噴嘴清洗網(wǎng)衣。

采用高壓水射流技術(shù)，設(shè)計了一種由噴射水流帶動清洗盤轉(zhuǎn)動，形成交變水流對網(wǎng)箱進行清洗的裝置，并通過理論計算和試驗設(shè)計，確定清洗盤的噴嘴直徑，最后通過計算流體動力學(xué)(CFD)軟件分析射流在水下的速度變化，得出該裝置發(fā)揮最佳清洗效率的工作靶距。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 網(wǎng)箱清洗裝置結(jié)構(gòu)

網(wǎng)箱清洗裝置主要由水泵(驅(qū)動單元)、高壓水管和清洗單元組成。其中，水泵為CP20- 200汽油型三陶瓷柱塞泵，其出水口與清洗單元的總?cè)胨谟筛邏核苓B接。清洗單元為網(wǎng)箱清洗裝置的主要部分，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該裝置具有3個相同規(guī)格的清洗盤(轉(zhuǎn)盤)，其圓心處固定有軸套，每個軸套內(nèi)部側(cè)壁開有3個孔，每個孔與清洗盤入水口銜接。軸套外部接有分流管，與總管道相連。來自水泵的高壓水流進入總?cè)胨诤蟠蟛糠至魅肭逑幢P中用于清洗，少量的水從金屬管道延伸處的溢流口(圖中未標注)排出。

圖1 網(wǎng)箱清洗裝置清洗單元結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of cleaning units of cage cleaning device

清洗盤內(nèi)部有盤內(nèi)管道(圖2)，背面(圖為底面)為入水面(有3個入水口)，正面為出水面(有和入水口相對應(yīng)的出水口)，清洗盤的入水口與入水面垂直，而出水口(噴嘴)與出水面之間有夾角。

圖2 清洗盤及盤內(nèi)管道結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of cleaning disc and internal pipe

1.2 工作原理

水泵抽出的高壓水通過高壓水管流入清洗單元總?cè)胨?，然后在清洗單元的管路中分流進入每個清洗盤的軸套處，在該處再次均分流入清洗盤的每個入水口，最后通過盤內(nèi)管道于噴嘴處高速噴出。通過水流清洗盤對轉(zhuǎn)盤的反作用力將水流的一部分機械能轉(zhuǎn)化為盤的轉(zhuǎn)動動能，使高壓水循環(huán)噴射在網(wǎng)衣附著物的各個點上，在足夠大的交變壓力下，使其剝離達到清洗的目的。

2 清洗盤的設(shè)計及參數(shù)確定

在整個網(wǎng)箱清洗裝置中，水泵是網(wǎng)箱清洗裝置的動力來源。選取通過汽油機帶動的高壓柱塞泵，其額定流量Q額=30 L/min，額定壓力p額=20 Mpa。清洗盤是整個裝置的核心，通過清洗盤將來自于水泵的高壓水流進行合理分配，同時在高壓水的反作用力下高速旋轉(zhuǎn)，高壓水經(jīng)噴嘴高速噴出對網(wǎng)衣進行沖洗。在以往學(xué)者研究[9,11- 14]的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種由聚丙烯(PP)制成的清洗盤，其直徑300 mm。盤內(nèi)管道互相獨立，其入水口直徑和管徑均為5 mm。出水口處裝有噴嘴，噴嘴與清洗盤之間的夾角為45°。

噴嘴是清洗盤的重要元件[15- 16]，其作用是通過噴嘴內(nèi)孔橫截面的收縮，將高壓水的壓力能加以聚集，使其轉(zhuǎn)化成動能，最終以高速水射流的形式向外噴出，對網(wǎng)衣進行清洗[17- 19]，因此噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定了水射流的動力特性以及分布規(guī)律[20]。噴嘴有3種類型：圓柱型、圓錐型和錐直型。由于盤內(nèi)管道的管徑(即噴嘴入水口直徑)過小，錐直型噴嘴相比于圓錐型噴嘴更容易被堵塞，同時，錐直型和圓柱型噴嘴的圓柱段不但加工困難，其表面積的增加也會增大射流的能量損失[21]，故本網(wǎng)箱清洗裝置選用圓錐型噴嘴，如圖3所示。噴嘴直徑的大小對整個裝置的清洗效率具有重要影響。本研究根據(jù)水泵的工作參數(shù)，對噴嘴進行了理論設(shè)計和水力學(xué)性能測試，得出最優(yōu)噴嘴直徑。

圖3 噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of nozzle

3 清洗盤噴嘴直徑的理論設(shè)計

在對清洗盤及盤內(nèi)管道進行水動力學(xué)計算前，需作以下假設(shè)：海水為理想流體，不可壓縮且密度恒定(ρ=1.03×103kg/m3，t=15℃)；管內(nèi)流動為定常流動，即管內(nèi)每點的速度大小和方向不會隨時間而改變；質(zhì)量力是有勢力，存在力的勢函數(shù)；沿流線積分；水泵在恒定的壓力和流量下工作。網(wǎng)箱清洗裝置工作過程中，水流從水泵出水口進入清洗盤的流量損失忽略不計，故對水泵出水口與清洗盤的入水口兩個斷面之間應(yīng)用連續(xù)性方程[22]，得出管道的流量Q：

(1)

式中：v1—水泵出水口水流速，m/s；v2—清洗盤入水口水流速，m/s；d1—水泵出水口直徑，mm；d2—清洗盤入水口直徑，mm；n—清洗盤噴嘴總數(shù)量。其中，d1=12.7 mm、d2=5 mm、n=9。

對清洗盤入口與清洗盤出口兩個斷面之間應(yīng)用伯努利方程[22]：

(2)

式中：z2—清洗盤入水口處水頭，m；z3—清洗盤噴嘴處水頭，m；p2—清洗盤入水口壓力，Pa；p3—清洗盤噴嘴處壓力，Pa；v3—清洗盤噴嘴處水流速，m/s。

根據(jù)式(1)得：

(3)

式中：由于兩處的高度差過低，取z2=z3。同時式(2)、(3)聯(lián)立，得v3：

(4)

(5)

代入式(3)可得噴嘴直徑d=d3與流量Q、壓強p的關(guān)系：

(6)

同時，高壓水在管內(nèi)和噴嘴流動過程中，水流會有所損失，因此必須考慮其流量系數(shù)μ和噴嘴的效率系數(shù)η[23]，確定噴嘴直徑[11- 13,24- 27]：

(7)

本研究中，Q取水泵的額定流量(Q=Q額=30 L/min)，p2為額定壓力(p2=p額= 20 Mpa)，μ取0.92，η取1.05[28]，代入式(7)，求得該網(wǎng)箱清洗裝置清洗盤的噴嘴直徑d=d3=0.656 mm。

4 網(wǎng)箱清洗裝置水力學(xué)性能測試

4.1 試驗?zāi)康?/h3>

通過前述的設(shè)計結(jié)果，制作網(wǎng)箱清洗裝置樣機，并根據(jù)理論值選取3種直徑為0.5 mm、0.6 mm和0.7 mm規(guī)格的噴嘴(錐角α=90°)，將其安裝在清洗盤出水口處進行水力學(xué)性能測試，比較安裝不同直徑噴嘴的網(wǎng)箱清洗裝置水流量、水利用率、噴嘴水射流速度及射流壓力，選取最優(yōu)噴嘴直徑。

4.2 試驗材料

網(wǎng)箱清洗裝置樣機1臺，3種直徑(0.5 mm、0.6 mm、0.7 mm)的噴嘴各9個，圓柱形水箱(直徑0.71 m，高1.07 m)、長方形水槽(長3.39 m，寬1.88 m，高1.09 m)、圓柱形水桶(直徑0.57 m，高0.58 m)各1個，9 mm內(nèi)徑的橡膠軟管1條，秒表1只。水箱和水槽內(nèi)壁均貼有刻度尺，用于試驗過程中的水位測量，試驗用水為海水。

4.3 試驗方法

最后根據(jù)測量每個工況下水箱和水槽的水位差，分別得出水泵抽水總流量(Q總)和噴嘴出水口處水流量(Q洗)：

Q總=(l2-l′2)×S1÷60

(8)

Q洗=(l′2-l2)×S2÷60

(9)

由此可以得出網(wǎng)箱清洗裝置對水箱中水的利用率(U)：

(10)

由于噴嘴直徑d3和噴嘴數(shù)量n已知，則根據(jù)式(3)和式(5)可分別求出每個工況下的噴嘴射速(v3)和射流壓力(p)，最終將試驗結(jié)果進行單因素方差分析。

(11)

(12)

4.4 試驗結(jié)果及分析

網(wǎng)箱清洗裝置在同一泵壓(20 Mpa)下正常工作時，裝備不同直徑噴嘴的工作參數(shù)見表1。根據(jù)表1，隨著噴嘴直徑的增加，網(wǎng)箱清洗裝置在單位時間內(nèi)消耗的水量也會增大，而水利用率也隨之上升；其次，據(jù)張小明[12]的網(wǎng)箱清洗裝置設(shè)計結(jié)果，當射流速度達到104.1 m/s時，其綜合性能達到設(shè)計要求。因此，裝備3種噴嘴時該洗網(wǎng)機不但滿足清洗要求，且具有更高的清洗效率。最后，經(jīng)過對洗網(wǎng)機裝備3種噴嘴時工作參數(shù)的比較可知，噴嘴直徑0.5 mm和0.6 mm具有更高的射速和射流壓力。但當射流動壓力在足以清洗網(wǎng)衣上附著物的情況下，壓力對提高清洗效率的影響減弱，只能提升清洗流量[29]。而噴嘴直徑0.6 mm時清洗流量顯著增大，故此時射流速度和壓力最高(分別為196.41 m/s和19.3 Mpa)。因此配備該水泵(Q額=30 L/min，p額=20 Mpa)并將清洗性能和水利用率考慮在內(nèi)，網(wǎng)箱清洗裝置噴嘴的直徑選取0.6 mm。

表1 工作參數(shù)比較Tab.1 Comparison of operating parameters

注: 同列數(shù)據(jù)上標不同字母表示各組間存在顯著差異(P<0.05)

5 基于計算流體力學(xué)的高壓水射流場數(shù)值模擬

5.1 研究背景

在網(wǎng)箱清洗裝置工作過程中，來自噴嘴處的高壓水射流屬于淹沒射流。王東等[30]通過數(shù)值模擬研究指出，射流在淹沒條件下能耗最大，軸向速度隨著射流距離的增加而迅速衰減，需對噴嘴附近的流場進行分析以減少網(wǎng)箱清洗裝置工作時的能量損失。淹沒情況下的高壓水射流機理十分復(fù)雜，簡單的一維理論無法對其真實的流動情況進行描述，同時噴嘴處射流速度變化梯度大，也導(dǎo)致試驗方法難以實現(xiàn)[31]。而計算流體力學(xué)(CFD)方法[32- 33]克服了這一缺點。本研究采用基于有限體積法的計算流體力學(xué)軟件ANSYS- FLUENT，對網(wǎng)箱清洗裝置工作過程中噴嘴附近的內(nèi)外部流場進行數(shù)值模擬，得出射流在水下的流態(tài)變化以及噴嘴射速與射程之間的變化規(guī)律，確定清洗盤與網(wǎng)衣的最大清洗距離。

5.2 CFD幾何建模和網(wǎng)格劃分

本次模擬采用SolidWorks軟件構(gòu)建3種噴嘴以及外部流域的2D幾何模型(圖4)。

圖4 噴嘴射流計算模型圖(二維) Fig.4 Diagram of nozzle jet calculation model (2D)

模型由左側(cè)的噴嘴(AB、BC、CH、HI、IJ、JA)及右側(cè)的流域(CD、DE、EF、FG、GH、HC)組成。噴嘴為圓錐收斂型噴嘴，其入水口直徑AJ=d2=5 mm，出水口直徑CH=d3分別為0.5 mm、0.6 mm、0.7 mm，兩者之間的距離為7.2 mm。其中，入水口AJ設(shè)置為進口邊界；CD、DE、EF、FG、GH設(shè)置為出口邊界；其余部分AB、BC、HI、IJ設(shè)置為壁面。

模型的網(wǎng)格劃分采用Meshing軟件，由于模擬對象為流體，且計算區(qū)域的形狀以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相對簡單[33]，故采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。其劃分結(jié)果如圖5所示，3個模型的最小網(wǎng)格尺寸均為0.1 mm。

圖5 網(wǎng)格局部放大圖(d3=0.6 mm)Fig.5 Locally magnified diagram of grid (d3=0.6 mm)

具體網(wǎng)格參數(shù)見表2。其中，本次網(wǎng)格質(zhì)量檢查指標為偏斜率，其值位于0和1之間，值越高，解的精確性以及收斂性越低。一般來講，網(wǎng)格的最大偏斜率不超過0.95[34]。根據(jù)表2，3個模型最大偏斜率均不超過0.6，滿足本次模擬的要求。

表2 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格參數(shù)Tab.2 Parameters of structured grid

5.3 邊界條件設(shè)置

從表3可以得出，裝備3種噴嘴時管內(nèi)水流的雷諾數(shù)均大于4 000，流動形式為湍流。此外，本次模擬的工況包括管內(nèi)流動以及射流，故選擇Realizablek- ε湍流模型[35]。具體邊界條件設(shè)置為：進口邊界為壓力進口，出口邊界為壓力出口，水力直徑為5 mm，出口壓力0 Pa；進口壓力(p2)和湍流強度(I)值見表3。

表3 管內(nèi)流動的水力學(xué)參數(shù)Tab.3 Hydraulic parameters of flow in pipe

5.4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

模擬得出的噴嘴出口速度以及對應(yīng)實際測量值見表4。3個模型的模擬值與試驗值間相對誤差均不超過5%，故本次仿真結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合，進一步證實基于計算流體力學(xué)的數(shù)值模擬軟件可以精確地分析和計算管內(nèi)流體的動力學(xué)參數(shù)，并驗證了Realizablek- ε湍流模型對管內(nèi)流體和高壓水射流的數(shù)值模擬具有極高的適用性。

表4 試驗和模擬出水口速度對比Tab.4 Comparison of tested and simulated outlet velocity

當噴嘴直徑d3=0.6 mm時，噴嘴處速度大小分布云圖如圖6所示。由于管內(nèi)橫截面積在噴嘴處急劇收縮，水流速度開始激增。當水流從噴嘴射入水中以后，射流在前進過程中呈錐形擴散，且速度不斷降低，這是由于周圍靜止介質(zhì)的阻力導(dǎo)致能量損耗和速度梯度，故射流攜帶部分靜止液體使其不斷擴大。從圖中可以看出，射流中心的流速并非在離開噴嘴處發(fā)生驟降，而是保持一定的初始速度(噴嘴射速)后逐漸變小。把射流中保持初始速度不變的部分稱為射流等速核[36]，即圖中噴嘴軸線處的深色區(qū)域。

圖6 噴嘴(d3=0.6 mm)射流速度分布云圖Fig.6 Cloud chart of nozzle (d3=0.6 mm) jet velocity distribution

圖7為噴嘴軸線處水射流速度變化曲線，可以看出射流速度先急劇增大，在噴嘴出口處達到最大值(x1= 7.2 mm，y1= 200.17 m/s)，該速度保持一段距離直到x2=12 mm處，速度開始下降，故等速核的長度為x2-x1= 4.8 mm。根據(jù)前述討論，為滿足洗網(wǎng)機正常清洗需求，被清洗網(wǎng)衣需位于射速大于104.1 m/s的范圍內(nèi)，根據(jù)曲線圖得出x1≤x≤ 21.8 mm，求得網(wǎng)衣與噴嘴出口的距離為21.8 mm-x1= 14.6 mm。由于安裝于清洗盤的噴嘴有45°傾角，故實際清洗過程中，清洗盤與網(wǎng)衣的最大清洗距離為10.3 mm。

圖7 噴嘴(d3=0.6 mm)中心軸線速度曲線圖Fig.7 Curve of nozzle (d3=0.6 mm) center axis velocity

6 結(jié)論

轉(zhuǎn)盤式網(wǎng)箱清洗裝置采用高壓水射流技術(shù)，配備了內(nèi)部開設(shè)管道的清洗盤，且管口處安裝具有一定傾斜角度的圓錐型噴嘴，在實現(xiàn)水射流反沖力帶動清洗盤高速運轉(zhuǎn)的同時，對網(wǎng)衣進行清洗，增大了清洗面積。根據(jù)水泵的工作參數(shù)(額定流量Q額=30 L/min，壓力p額=20 MPa)，對網(wǎng)箱清洗裝置工作時的內(nèi)部流場進行理論計算分析，得出噴嘴直徑的理論最優(yōu)值為0.656 mm。制作了網(wǎng)箱清洗裝置樣機，并采用流量法進行單因素實驗。以噴嘴直徑大小作為試驗因素，對比相應(yīng)的總流量、水利用率、噴嘴射速和射流壓力等工作參數(shù)，選取最佳噴嘴直徑為0.6 mm?；谟邢摅w積法，利用ANSYS- FLUENT軟件，對網(wǎng)箱清洗裝置的噴射水流在水中的流場效應(yīng)進行數(shù)值模擬，確定清洗盤與網(wǎng)衣的最大工作靶距為10.3 mm。