宋祖超 李振華 羅爾霖 倪洋 王健

【摘要】目前國內(nèi)市場對(duì)于貝類產(chǎn)品脫肉仍主要采取人工刀具脫肉的方式，但是該方法一直存在著脫肉效率低、加工難度較大、貝肉品質(zhì)得不到保證等諸多問題，而綠色環(huán)保、高效精確高壓水射流加工技術(shù)，卻可以完美的解決這些難題，但目前尚未運(yùn)用到貝類產(chǎn)品的脫肉加工中?；诟邏核淞骷夹g(shù)，結(jié)合厚殼貽貝的相關(guān)生理參數(shù)，提出一種厚殼貽貝半殼脫肉裝置的設(shè)計(jì)，并使用Ansys軟件對(duì)設(shè)計(jì)的裝置進(jìn)行流體分析，得出噴嘴收縮角為60°時(shí)性能最佳，搭配腔體的使用能最大程度的保留肉質(zhì)的完整度。該裝置的設(shè)計(jì)可以提高貝類脫肉的加工效率、降低生產(chǎn)成本，進(jìn)而推動(dòng)貝類加工行業(yè)的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】貝類脫肉;水射流;ANSYS;流體分析

【中圖分類號(hào)】S986.1

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

目前為了滿足國內(nèi)外的飲食新鮮貽貝的習(xí)慣，貽貝加工通常是人工使用刀具進(jìn)行脫肉的方法來實(shí)現(xiàn)的。此方法生產(chǎn)效率低、肉質(zhì)不完整、加工成本高，因此，貽貝半殼脫肉裝置的研發(fā)勢在必行。水射流在切割和清洗方面具有高效性，在很多領(lǐng)域已普及應(yīng)用，如機(jī)械制造業(yè)、電子電刀、石油化工、輕工、船舶航運(yùn)、食品、醫(yī)療、環(huán)保、建筑建材、市政工程等，水射流裝置的關(guān)鍵零部件有噴嘴和腔體，噴嘴和腔體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定了水射流的加工效果，從實(shí)驗(yàn)中可以得知，實(shí)心錐形噴嘴射出的水射流具有直線性、集中性、范圍精準(zhǔn)、不易堵塞等優(yōu)點(diǎn)，但在食品加工和水產(chǎn)品加工中應(yīng)用較少。腔體能夠?qū)⑺魍瑫r(shí)流進(jìn)三個(gè)噴嘴的進(jìn)水口，起到連通器的作用，并保證了噴嘴進(jìn)水口的壓力和速度。國外He.H和Cipsy.Tabilo等人對(duì)貽貝超高壓開殼脫肉方法進(jìn)行研究，因采用高壓來進(jìn)行脫肉，所以不需要考慮貽貝復(fù)雜結(jié)構(gòu)的影響。國內(nèi)解秋陽、王家忠等人和胡靜艷等人利用水射流分別對(duì)扇貝和貽貝進(jìn)行脫肉的研究，在反復(fù)分析貽貝內(nèi)殼面的構(gòu)造后，已取得顯著的試驗(yàn)成果。本研究將水射流技術(shù)應(yīng)用于貽貝半殼脫肉，利用Fluent仿真軟件，對(duì)貽貝水射流半殼脫肉裝置所用實(shí)心錐形噴嘴和腔體的內(nèi)流場水流動(dòng)情況進(jìn)行模擬分析。設(shè)計(jì)研發(fā)裝置能夠有效解決貽貝半殼脫肉的技術(shù)難點(diǎn)，克服目前市場上采用刀具進(jìn)行的手工貽貝半殼脫肉過程中生產(chǎn)效率低的問題，為各國貽貝半殼脫肉的研究設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)意見。同時(shí)，該裝置的研發(fā)有利于提高貽貝的生產(chǎn)效率，推動(dòng)貽貝的加工生產(chǎn)，擴(kuò)大貽貝對(duì)國外的出口量，加快貽貝現(xiàn)代化加工生產(chǎn)智能化的流水生產(chǎn)線的產(chǎn)生。

1 流場基本理論

本研究中噴嘴和腔體內(nèi)水的流動(dòng)為不可壓縮連續(xù)流動(dòng)，所以流場的連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程都能夠得到滿足：

連續(xù)性方程為：

由于噴嘴和腔體中的水射流是粘性流體，其在噴嘴和腔體內(nèi)的流動(dòng)具有不可壓縮性，并且與外界沒有熱量交換，因此，它遵循連續(xù)性方程和動(dòng)量方程這兩個(gè)控制方程。對(duì)流場基本理論進(jìn)行研究，進(jìn)而為噴嘴和腔體內(nèi)流場的數(shù)值模擬奠定基礎(chǔ)。

2 模型與方法

2.1 貽貝的內(nèi)部曲線的擬合

水射流噴嘴的主要功能是將高壓的水射流噴射出去，再通過貽貝的內(nèi)部曲線的擬合，確定三個(gè)噴嘴在腔體上的定位，確保水射流始終沿著內(nèi)壁曲線的切線方向噴射，使貽貝肉以最大完整度從貽貝內(nèi)殼脫落，保證貽貝肉的品質(zhì)。

由于貽貝肉的貼附離邊緣還有一部分沒有完全貼附，取外套膜邊緣線寬度Smm區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)通過選擇5個(gè)點(diǎn)的位置并在GetData Graph Digitizer軟件中確定該5個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，如圖1所示，5個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)位置如表1所示：

通過Matlab軟件對(duì)該區(qū)域5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行二次函數(shù)擬合，求解擬合函數(shù)程序?yàn)椋?/p>

PX=[28.9 32.4 34.1 32.4 28.9];

PY=[37.3 33.5 26.3 20.4 14.1];

k=polyfit（PX，PY，2）;

x=[25： 0.1： 38];

fx=polyval（k，x）;

plot（PX， PY.r*，x，fx，b-）

求解出：

k= -0.1422 9.0747 -117.7819

.

即函數(shù)關(guān)系表達(dá)式為：

y= -0.1422x2 +9.0747x-117.7819

因?yàn)樵贛ATLAB中坐標(biāo)系與厚殼貽貝建立的坐標(biāo)系不一致，因此得出的圖像并不是全部通過5個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，而是在它們之間得到一條擬合函數(shù)，只要經(jīng)過坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)置可得到實(shí)際的擬合函數(shù)圖像，因此得到的函數(shù)表達(dá)式可作為水射流噴嘴在腔體上的定位。

2.2 噴嘴、腔體結(jié)構(gòu)模型

基于自己的前期對(duì)于厚殼貽貝內(nèi)部曲線擬合來得到噴嘴的具體參數(shù)，本研究所用噴嘴結(jié)構(gòu)模型為實(shí)心錐形噴嘴，其結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

其結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：噴嘴進(jìn)水口直徑D=6mm、噴嘴出水口直徑d=1mm、出水口的圓柱段長度s=3mm、噴嘴收縮角φ=60°入水口直徑D的值被噴嘴出水口的圓柱段長度s、出水口直徑d、及內(nèi)部收縮角φ的值所決定，射流的壓力和角度被保持在恒值時(shí)，射流對(duì)貽貝的沖擊性能被噴嘴的射流截面積和速度所決定。

基于自己的前期對(duì)于厚殼貽貝內(nèi)部曲線擬合來得到噴嘴的具體參數(shù)，其腔體的靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

其結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：腔體長為50mm、寬為40mm、高為40mm、入口直徑Di =20.376mm、腔體的三個(gè)相同的出口直徑d1、d2、d3 =8.376mm。在射流壓力一定的情況下，噴嘴進(jìn)口的水的流量和壓力取決于腔體的進(jìn)口和腔體內(nèi)部的管壁的大小。

2.3 網(wǎng)格模型與網(wǎng)格質(zhì)量驗(yàn)證

2.3.1 網(wǎng)格模型。本研究所用實(shí)心錐形噴嘴屬于軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，腔體為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，各自選取內(nèi)部整體三維模型作為計(jì)算域，并進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。本研究利用Ansys Workbench14.0軟件中的Fluent里的Mesh對(duì)噴嘴、腔體典型模型的內(nèi)流場進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分如圖4、5所示。

噴嘴、腔體的網(wǎng)格單元均選擇3D單元模型，網(wǎng)格類型選擇Tetrahedrons（四面體網(wǎng)格），Transition-Slow（緩慢產(chǎn)生網(wǎng)格過渡），并在噴嘴、腔體的進(jìn)、出水口的表面設(shè)置Inflation（膨脹層）來進(jìn)一步提高表面的網(wǎng)格精度，網(wǎng)格劃分尺寸均為0.003，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)被生成的總數(shù)分別為7943、27445，網(wǎng)格被生成的總數(shù)分別為22295、86782。

2.3.2 網(wǎng)格質(zhì)量驗(yàn)證。網(wǎng)格質(zhì)量決定了CFD-Fluent數(shù)值計(jì)算高效性和準(zhǔn)確性。網(wǎng)格劃分質(zhì)量將直接影響求解的精度和求解的穩(wěn)定性。網(wǎng)格數(shù)量較少，節(jié)點(diǎn)也隨之減少，數(shù)值計(jì)算精度降低網(wǎng)格數(shù)量較多，節(jié)點(diǎn)也隨之增加，產(chǎn)生負(fù)體積，使數(shù)值計(jì)算速度降低，效率降低且影響正常計(jì)算結(jié)果，因此，網(wǎng)格質(zhì)量性驗(yàn)證是數(shù)值模擬中關(guān)鍵性的環(huán)節(jié)。影響網(wǎng)格質(zhì)量的重要因素有單元質(zhì)量和傾斜度。

根據(jù)單元質(zhì)量和傾斜度的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，噴嘴的單元質(zhì)量約為0.998，傾斜度約為0.763。經(jīng)檢驗(yàn)，噴嘴單元質(zhì)量為優(yōu)秀，傾斜度為好。腔體單元質(zhì)量約為0.999，傾斜度約為0.909。經(jīng)檢驗(yàn)，腔體單元質(zhì)量為優(yōu)秀，傾斜度為接受。綜上所述，噴嘴和腔體的網(wǎng)格質(zhì)量均符合標(biāo)準(zhǔn)，可進(jìn)行下一步操作。

2.4 Fluent仿真模型

2.4.1數(shù)值模擬方法及參數(shù)設(shè)置。當(dāng)模型被Fluent求解時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的k一ε湍流模型被用在湍流模型上，忽略模型的相變和傳熱。單相流是噴嘴內(nèi)部的流場，主相是液態(tài)純水。標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)被用在近壁處理上，基于壓力的求解器被使用在里面，SIMPLEC壓力一速度耦合算法被當(dāng)做求解方法，壓力插值使用二階格式。

在常溫（ 200C）下，水的密度為1000kg/ ma，運(yùn)動(dòng)粘度為1.003×10^-6nt2/s，質(zhì)量和動(dòng)量選項(xiàng)被設(shè)置為不打滑，并且粗糙度選項(xiàng)被設(shè)置為平滑。在初始條件設(shè)置中，靜壓選項(xiàng)的自動(dòng)值被選為3MPa。模擬類型為穩(wěn)態(tài)模擬，模型被設(shè)置為湍流，將最大迭代步驟數(shù)設(shè)置為100個(gè)步驟。默認(rèn)設(shè)置被用于模型的其他選項(xiàng)。

2.4.2邊界條件的設(shè)定。噴嘴的進(jìn)水口被設(shè)置為人口邊界，出水口為出口邊界，底部橫向截面被設(shè)為對(duì)稱面，其余的一個(gè)圓錐面和兩個(gè)圓柱面均被設(shè)定為壁面邊界。速度人口被設(shè)定為入口邊界，人口處速度值可由公式V=Q/A計(jì)算得出，其中Q=6Umm。設(shè)定腔體進(jìn)水口為入口邊界，出水口為出口邊界，底部縱向截面被設(shè)定為對(duì)稱面，其余管道的圓柱面和頂部端面均被設(shè)置為壁面邊界。速度入口被設(shè)定為入口邊界，入口處速度值可由公式V=Q/A計(jì)算得出，其中Q=12Umin。壓力出口邊界都被選用并設(shè)定P=101325Pa。設(shè)置壁面邊界時(shí)，設(shè)置質(zhì)量和動(dòng)量為無滑移狀態(tài)，粗糙度被設(shè)置為平滑狀態(tài)。在初始條件設(shè)置中，靜壓的自動(dòng)值被設(shè)置3Mpa。模擬類型被設(shè)置為穩(wěn)態(tài)模擬，模型設(shè)置為湍流，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε計(jì)算模型，并且沒有浮力和熱擴(kuò)散。在求解控制設(shè)置中，選擇了高階求解模式，并且最大迭代步驟數(shù)設(shè)置為100個(gè)步驟。對(duì)于模型的其他選項(xiàng)均被設(shè)置為默認(rèn)。

3 流場仿真結(jié)果分析

3.1 噴嘴速度云圖、壓力云圖仿真

噴嘴仿真所得的速度云圖如圖6、7、8所示。

從圖6可以看出噴嘴的進(jìn)水口的水流速度為13.09m/s，從圖7可以看出噴嘴的出水口的水流速度為1 17.8m/s，噴嘴的水射流速度達(dá)到殼肉分離的標(biāo)準(zhǔn)，滿足噴嘴的設(shè)計(jì)要求，從圖8可以看出噴嘴內(nèi)流場水流速度在出水口區(qū)域變化明顯，其他地方?jīng)]有明顯的變化。噴嘴出口處速度分布以噴嘴對(duì)稱軸均勻分布兩側(cè)，離對(duì)稱軸越近速度越大。內(nèi)流場中心速度分布幾乎呈直線，說明對(duì)稱軸心處速度分布均勻，射流打擊力分布均勻，有利于殼肉分離。

噴嘴仿真所得的壓力云圖如圖9、10、1 1所示。

從圖9可以看出噴嘴的進(jìn)水口的水流壓力為1176Pa，從圖10可以看出噴嘴的出水口的水流壓力為495.2Pa，噴嘴的水射流壓力達(dá)到殼肉分離的標(biāo)準(zhǔn)，滿足噴嘴的設(shè)計(jì)要求，從圖11可以看出噴嘴內(nèi)部壓力在收斂段以及出口段變化明顯，在同一出口直徑的噴嘴內(nèi)流場壓力由人口至出口呈遞減趨勢，其他地方變化不大。內(nèi)流場壓力分布很均勻，最大值出現(xiàn)在收縮角處，有利于增大出口處射流速度和射流打擊力，切割能力強(qiáng)，更好的實(shí)現(xiàn)貽貝的半殼脫肉。

3.2 噴嘴速度云圖、壓力云圖仿真

腔體仿真所得的速度云圖如圖12、13、14所示。

從圖12可以看出腔體的進(jìn)水口的水流速度為12.65m/s，從圖13可以看出腔體的三個(gè)出水口的水流速度從左到右依次為25.3m/s、101.2m/s、25.3m/s，腔體的流出水射流速度均大于噴嘴流入水射流速度，達(dá)到殼肉分離的標(biāo)準(zhǔn)，滿足腔體的設(shè)計(jì)要求，從圖14可以看出腔體內(nèi)流場水流速度在出口段和管道內(nèi)部變化明顯，其他地方變化不大。與腔體進(jìn)水口相對(duì)的出水口，速度分布明顯高于其他兩個(gè)出口段，說明該出水口的速度將大于其他兩個(gè)出水口，由貽貝的內(nèi)部曲線的擬合可知，C點(diǎn)處是貽貝殼與肉貼附最多、最緊密的部位，為C點(diǎn)提供最大的沖擊水流速度，更有利于貽貝殼與肉的分離。腔體的三個(gè)出口處速度以三個(gè)管道的對(duì)稱軸均勻分布兩側(cè)，離對(duì)稱軸越近速度越大。腔體三個(gè)出口處的管道內(nèi)流場速度分布幾乎呈直線，說明對(duì)稱軸心處速度分布均勻，射流打擊力分布均勻，有利于殼肉分離。

腔體仿真所得的壓力云圖如圖15、16、17所示。

從圖15可以看出腔體的進(jìn)水口的水流壓力為6051000Pa，從圖16可以看出腔體的三個(gè)出水口的水流壓力約為377350Pa，腔體的流出水射流壓力均大于噴嘴流入水射流壓力，達(dá)到殼肉分離的標(biāo)準(zhǔn)，滿足腔體的設(shè)計(jì)要求，從圖17可以看出腔體內(nèi)流場壓力在進(jìn)口段變化明顯，在同一出口直徑的噴嘴內(nèi)流場壓力由入口至出口呈遞減趨勢，其他地方變化不大。與腔體進(jìn)水口相對(duì)的出水口，壓力分布明顯高于其他兩個(gè)出口段，說明該出水口的壓力將大于其他兩個(gè)出水口，由貽貝的內(nèi)部曲線的擬合可知，C點(diǎn)處是貽貝殼與肉貼附最多、最緊密的部位，為C點(diǎn)提供最大的沖擊水流壓力，更有利于貽貝殼與肉的分離。腔體三個(gè)出口處的管道內(nèi)流場壓力分布均勻，有利于增大出口處射流速度和射流打擊力，切割能力強(qiáng)，更好的實(shí)現(xiàn)貽貝的半殼脫肉。

4 結(jié)論

（1）通過對(duì)厚殼貽貝結(jié)構(gòu)和生理特點(diǎn)，確定了噴嘴在腔體上的定位。結(jié)合水射流的特點(diǎn)及其在食品、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用，論證了水射流用于閉殼肌剝離的可行性，從而確定了水射流的類型和噴嘴的類型。

（2）通過對(duì)水流在噴嘴和腔體內(nèi)流動(dòng)特征的探究，構(gòu)建了水流流動(dòng)的湍流模型，即k一ε模型以及制約內(nèi)部流動(dòng)的質(zhì)量及動(dòng)量方程，給出了對(duì)于噴嘴和腔體近壁處流動(dòng)問題的解決辦法，即應(yīng)用低Re數(shù)k一ε模型，對(duì)壁面區(qū)劃分致密網(wǎng)格。確定了對(duì)求解域應(yīng)用有限體積法以及以非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格為基礎(chǔ)的SIMPLE算法，為內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)的模擬研究做了理論鋪墊。

（3）進(jìn)一步優(yōu)化噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)，改善噴嘴內(nèi)部流動(dòng)狀況。并在原先單個(gè)噴嘴的基礎(chǔ)上，增加到三個(gè)噴嘴，并設(shè)計(jì)出了與噴嘴相匹配的腔體，使噴嘴與腔體做到最佳匹配，增加噴嘴和腔體的使用壽命并進(jìn)一步提高厚殼貽貝半殼脫肉的質(zhì)量，分別對(duì)噴嘴和腔體的進(jìn)水口、出水口、內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行理論分析和仿真分析，最終確定了殼貽貝半殼脫肉裝置中的噴嘴的參數(shù)，即收縮角為60度、出口直徑為1mm、出口段長度為3mm;腔體的參數(shù)，即出水口直徑與噴嘴的入水口直徑相同，并由螺紋連接;射流壓力為3MPa;并與步進(jìn)電機(jī)搭配使用，用于實(shí)時(shí)調(diào)整噴嘴的射流入射角度始終為23度，確保水射流始終沿著殼體切線方向噴射，最大程度的使貽貝肉質(zhì)完整。

[參考文獻(xiàn)]

[1]朱蓓薇，薛長湖.海洋水產(chǎn)品加工與食品安全[M]，北京：科學(xué)出版社，2016： 6-8.

[2]李乃勝，薛長湖.中國海洋水產(chǎn)品現(xiàn)代加工技術(shù)與質(zhì)量安全[Ml.北京：海洋出版社.2010： 138-145.

[3]汪之和，陳述平，于斌，等，我國水產(chǎn)品加工科技現(xiàn)存的問題與發(fā)展方向[J].漁業(yè)現(xiàn)代化，2005（4）： 8-9.

[4]雷玉勇，水射流技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2017：1-43.

[5]H R EHA P，HLOCH S，MACU R OVA D，etal. Water jettechnology used in medicine[J]. Tec. Gazette. 2010， 17（2）： 237-240.

[6]TATSUMI K，UEDO N，ISHIHA R A R，et al. A water-jetvideoendoscope may reduce operation time of endoscopicsubmucosaldissection for early gastric cancer [J]. Diges-tive Diseases andSciences， 2012， 57（8）：2122-2129.

[7]LV Hua， LEI Yu-yong， YANG Zhen，et al.Simulation of dy-namicperformance of impulsive water jet nozzle based on SIM-ULINK[J].

CoalMine Machinery， 2011， 32（6）： 92-95.

[8] CHEN Ke， ZHAO Kai， YOU Yun-xiang.

Numerical study on flowstructure of a shallow laminar round jet[J].Joumal of Shang-hai JiaotongUniversity： Science， 2017， 22（3）：257-264.

[9] He H， Aams R M， FarkasD F，et al.Use of high-pressure processingfor oyster shucking and shelf-life extension[J].Joumal of Food Science，2010，67（2）： 640-645.

[10] Gipsy TM， Santiago A， Mario P W. Pressure effects on seafoods [J].High Pressure Processing of Food， 2016（01）： 625-669.

[11]解秋陽，王家忠，弋景剛，等.利用水射流剝離海灣扇貝貝柱的方法及裝置[J]，食品與機(jī)械，2014（3）： 90-93.

[12]胡靜艷，李振華，顧平燦，等.關(guān)于貽貝脫殼方法的研究進(jìn)展（下）[J].科學(xué)養(yǎng)魚，2017（6）： 73-74.

[13]沙毅，流體力學(xué)[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2016.

[14]周正貴.計(jì)算流體力學(xué)基礎(chǔ)理論與實(shí)際應(yīng)用[M].南京：南大學(xué)出版社，2008：4-8.

[15]馮靜安，王衛(wèi)兵.基于網(wǎng)格無關(guān)性與時(shí)間獨(dú)立性的數(shù)值模擬可靠性的驗(yàn)證方法[J]，石河予大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2017，35（1）：52-56.

[16]任小增，高壓水射流清洗用扇形噴嘴的結(jié)構(gòu)及磨損研究[D].長沙：中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2009.

[17]張洋凱，苗思思，李長鵬，等，前混合磨料水射流噴嘴外流場磨料加速過程研究[J].流體機(jī)械，2017（8）：29-32.

[18]朱紅鈞.Fluent 15.O流場分析分析實(shí)戰(zhàn)指南[M].北京：人民郵 電出版社，2015.

[作者簡介]宋祖超（1994-），男，安徽滁州人，碩士研究生，研究方向：水產(chǎn)機(jī)械設(shè)計(jì)

[通信作者]李振華（1976-），女，教授，博士，研究方向：水產(chǎn)品加工。