張新建 ，畢 艷 ，魯艷旻 ，吳燕平 ，楊家軍 ，2，楊衛(wèi)紅 ，范 娟

（1.文華學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)部，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引言

當(dāng)前綠色生態(tài)環(huán)境的理念已經(jīng)深入人心，綠水青山就是金山銀山。然而現(xiàn)在很多景觀小區(qū)域水面上，總能夠看到一些漂浮物，如塑料袋、礦泉水瓶等白色垃圾。這些漂浮物體積小，容易受水面波動(dòng)影響，在水面上分布廣泛。這類漂浮物的整個(gè)打撈工作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，很難有專門人員進(jìn)行針對(duì)性清理，只有在水面漂浮物越積越多，到最后嚴(yán)重影響到周邊的環(huán)境，給附近居民帶來(lái)生活上的不適時(shí)，才會(huì)開展打撈[1-3]。

國(guó)內(nèi)外的研究者對(duì)水面漂浮物收集裝置的設(shè)計(jì)方案有很多，根據(jù)不同的水域、不同的漂浮物的收集裝置的研究也有對(duì)應(yīng)的成熟方案。劉廣濤、王繼榮等人研究為了更好地對(duì)陸地和水面的漂浮物進(jìn)行清理，采用現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法對(duì)水陸兩棲清潔車進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[4]。彎昭鋒等人以長(zhǎng)江首艘多功能溢油回收船“海特311”的結(jié)構(gòu)和性能分析，分析圍油欄的布設(shè)方法，提出了“線面式”溢油應(yīng)急技術(shù)[5]。趙壘等人依據(jù)城市內(nèi)水域的污染現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)提出了一種針對(duì)城市內(nèi)水域的自動(dòng)水面除污裝置[6]。湯偉、朱永強(qiáng)、張凱等也通過(guò)人工智能技術(shù)、子母船協(xié)同等對(duì)小區(qū)域及中大型區(qū)域水面設(shè)計(jì)了垃圾回收裝置的相關(guān)控制算法[7-9]。

但目前研究設(shè)計(jì)的這些裝置主要是針對(duì)大區(qū)域水面垃圾的回收，且都是以機(jī)械式為主，設(shè)計(jì)出的裝置體型都比較大，一般難以進(jìn)入像市內(nèi)公園等景觀小區(qū)域水面進(jìn)行漂浮物的清理，即使可以進(jìn)入也容易對(duì)水體內(nèi)生物產(chǎn)生二次傷害。因此，設(shè)計(jì)一種高效便捷、能夠收集小區(qū)域水面垃圾，同時(shí)減小對(duì)水體生物影響的水面漂浮物自動(dòng)收集裝置具有重大經(jīng)濟(jì)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 法拉第波原理

液體隨著容器垂直上下振動(dòng)，在液體表面會(huì)形成非線性表面駐波，該現(xiàn)象由法拉第（Faraday）在1831 年首先發(fā)現(xiàn)，因此被稱為法拉第波[10-11]。Faraday 波、Rayleigh-Benard 對(duì)流、Taylor-Couette 流一起構(gòu)成流體力學(xué)三大不穩(wěn)定性難題，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)Faraday 波開展了非常多的研究[12-15]。

特定頻率范圍的振動(dòng)源垂直的在水面震動(dòng)時(shí)，會(huì)使水面發(fā)生擾動(dòng)，在流體表面會(huì)形成非線性的表面駐波。如果以一個(gè)特定的頻率持續(xù)地打擊水面，便會(huì)在水面生成周期性的駐波，這些駐波在流動(dòng)過(guò)程忽略障礙物的影響，便會(huì)在水面形成很多振幅相同或相近的水平旋渦，而且這些旋渦在流動(dòng)過(guò)程中的方向是一致的。由于運(yùn)動(dòng)方向一致，這些水平旋渦在流動(dòng)過(guò)程中會(huì)形成一個(gè)向外噴射狀的穩(wěn)態(tài)大渦流，且使得在振動(dòng)源兩側(cè)回饋形成補(bǔ)償回流渦流。在穩(wěn)態(tài)渦流和回流渦流相互吸引作用下，旋渦波形變成了三維，使得中央噴射的渦流方向逆轉(zhuǎn)與波的方向相反傳播，這種流動(dòng)就可以帶動(dòng)水面上的漂浮物運(yùn)動(dòng)，讓漂浮物朝著振動(dòng)源的方向運(yùn)動(dòng)，最終聚集在振動(dòng)源附近，如圖1 所示[14]。如果改變頻率，便可以得到不同波長(zhǎng)和振幅的水波，聚攏漂浮物的距離也就能得到控制。這種現(xiàn)象體現(xiàn)了水波的傳播具備獲取遠(yuǎn)距離水面漂浮物的能力。

圖1 法拉第波聚攏漂浮物原理圖

當(dāng)振蕩器以圓柱形制波器以低振幅振蕩，制波器產(chǎn)生近似平面?zhèn)鞑サ牟ㄇ?，為了將流體運(yùn)動(dòng)可視化，可以將漂浮物均勻地分散在流體表面上，如圖2 所示。漂浮物沿波傳播的方向被推動(dòng)，形成向外的射流，隨著振幅不穩(wěn)定，一旦波幅增加到閾值以上，流速就會(huì)發(fā)生明顯變化；隨著調(diào)制增長(zhǎng)，交叉波不穩(wěn)定性將波前破壞成傳播脈沖串，波場(chǎng)變成三維。因此，可以簡(jiǎn)單地通過(guò)改變制波器的振幅來(lái)逆轉(zhuǎn)浮體的運(yùn)動(dòng)，使水面漂浮物匯集到一處。

圖2 水面漂浮物匯聚示意圖

隨著制波器垂直速度的增加，中心射流的速度逐漸變化。在低振幅下，流量向外，速度隨外力增加而增加。當(dāng)達(dá)到調(diào)制不穩(wěn)定閾值時(shí)，流量突然反轉(zhuǎn)，向內(nèi)的噴射速度在較高的強(qiáng)制水平下飽和，該現(xiàn)象可在10 Hz～200 Hz的激發(fā)頻率范圍內(nèi)觀察到。

假設(shè)液面無(wú)界和振子無(wú)限長(zhǎng)，由于圓柱形振子做周期運(yùn)動(dòng)，故可求出該水波的色散方程，如式（1）所示：

同樣也可以得到波速c 與周期T 之間的關(guān)系，如式（2）、式（3）所示：

其中，λ 為水波波長(zhǎng)，g 為加速度常數(shù)，h 為振動(dòng)源與水面的接觸距離，T 為振動(dòng)周期，k 為水波調(diào)制系數(shù)。

聯(lián)立式（1）～式（3）可得：

式中A 為波的振幅，t 為聚攏時(shí)間，x 為漂浮物相對(duì)距離，z 為水波距振源距離，ω 為渦流速度。通過(guò)式（4），可以得出產(chǎn)生水波的波長(zhǎng)、波速和周期，從而計(jì)算出相應(yīng)的頻率，并進(jìn)一步可以計(jì)算漂浮物的收集范圍和收集時(shí)間。

2 電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電路設(shè)計(jì)思路

根據(jù)第1 節(jié)中介紹的相關(guān)原理，本文設(shè)計(jì)的基于法拉第波小區(qū)域水面漂浮物自動(dòng)回收裝置主要由行進(jìn)系統(tǒng)、漂浮物聚攏系統(tǒng)、收集存儲(chǔ)系統(tǒng)、無(wú)線遙控系統(tǒng)以及電路控制系統(tǒng)等組成。行進(jìn)系統(tǒng)主要由電機(jī)控制馬達(dá)、螺旋槳的轉(zhuǎn)速和方向，從而控制裝置的行進(jìn)速度和方向，行進(jìn)系統(tǒng)和普通的船體在水面上的行進(jìn)系統(tǒng)類似。漂浮物聚攏系統(tǒng)則由法拉第波的聚攏模塊和機(jī)械的打撈模塊組成。收集存儲(chǔ)系統(tǒng)由收集傳送帶和鏤空式的垃圾存儲(chǔ)箱組成，漂浮物通過(guò)傳送帶從水面運(yùn)動(dòng)到垃圾存儲(chǔ)箱中，當(dāng)存儲(chǔ)箱滿載時(shí)，裝置返回，進(jìn)行人工清理。無(wú)線遙控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)紅外線自動(dòng)避障，同時(shí)通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制裝置的行進(jìn)速度和方向，以及實(shí)時(shí)反饋存儲(chǔ)箱中垃圾的收集量、電量等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。電路控制系統(tǒng)由蓄電池和太陽(yáng)能供電系統(tǒng)組成。

整個(gè)裝置采用太陽(yáng)能和蓄電池供電，以單片機(jī)為控制核心，通過(guò)單片機(jī)發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使裝置在水面上進(jìn)行行進(jìn)與加速以及方向的控制，同時(shí)通過(guò)紅外線避障模塊進(jìn)行接收與發(fā)送信號(hào)，避開水面上的障礙物并進(jìn)行水面漂浮物的尋找。當(dāng)發(fā)現(xiàn)水面漂浮物垃圾后，減速器開始工作，停止電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，回收裝置靜止在水面上，法拉第波聚攏系統(tǒng)開始工作，將四周的漂浮物聚攏到收集裝置下端，再通過(guò)收集裝置傳送帶從水面?zhèn)魉偷酱鎯?chǔ)箱中，完成整個(gè)漂浮物打撈的過(guò)程。顯示模塊實(shí)時(shí)的顯示裝置的速度、電量以及漂浮物的存儲(chǔ)容量等信息，以便工作人員更好地控制裝置。裝置整體設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 水面漂浮物自動(dòng)回收裝置整體設(shè)計(jì)框圖

2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路包含行進(jìn)模塊的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和法拉第波聚攏模塊的浮子振動(dòng)電路。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用的驅(qū)動(dòng)器WSDC2412D 是一款12 A/24 V 雙直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，是專門為低壓直流電機(jī)設(shè)計(jì)的。驅(qū)動(dòng)器的主要功能是根據(jù)單片機(jī)發(fā)出的控制指令，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器的控制協(xié)議，輸出對(duì)應(yīng)的PWM 波驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。浮子振動(dòng)電路的主要功能是根據(jù)式（4）的相關(guān)計(jì)算，通過(guò)單片機(jī)控制振動(dòng)源按一定頻率擊打水面，形成法拉第波，使回收裝置具備獲取遠(yuǎn)距離水面漂浮物的能力。本文中設(shè)計(jì)的振動(dòng)源采用推拉式直流電磁鐵，原理為：電磁鐵豎直固定在懸鏈上，且能夠豎直地打擊水面，通過(guò)單片機(jī)按照給定設(shè)置的頻率信號(hào)給推拉式直流電磁鐵供電，通電時(shí)鐵芯推動(dòng)負(fù)載，斷電靠彈簧復(fù)位，從而使電磁鐵以一定頻率打擊水面，產(chǎn)生相應(yīng)頻率和波長(zhǎng)的水波。驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)、單片機(jī)、電磁閥的電路圖如圖4 所示，考慮控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能多方面的因素，該電路的主控芯片采用STM32F103，該芯片是高可靠、低消耗、抗干擾的高性能單片機(jī)，完全符合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)浮子振動(dòng)電路

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)法拉第波具有獲取遠(yuǎn)距離水面漂浮物的原理及前文所講述的電路原理，筆者設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。采用控制變量法，通過(guò)設(shè)置振動(dòng)源的頻率、漂浮物的距離等參數(shù)在某小區(qū)小區(qū)域水面進(jìn)行了進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)，來(lái)測(cè)試該裝置收集水面漂浮物的能力。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，收集了大量的數(shù)據(jù)，部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1 所示。

表1 回收裝置實(shí)驗(yàn)測(cè)試部分?jǐn)?shù)據(jù)一覽表

由表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，裝置浮子振動(dòng)電路產(chǎn)生的法拉第波對(duì)小區(qū)域水面漂浮物收集能力非常顯著，收集有效率最高為90%，最低為55%。通過(guò)調(diào)整頻率、移動(dòng)樣機(jī)與漂浮物間的距離，可以將回收裝置的收集效率保持在80%以上。

在振動(dòng)頻率為20 Hz 條件下，通過(guò)式（1）可得：波長(zhǎng)=29 μm，通過(guò)MATLAB 數(shù)據(jù)處理可得法拉第波速度（v）和浮子振動(dòng)加速度（a）關(guān)系如圖5 所示。由圖5 分析可知，振動(dòng)頻率為20 Hz 條件下對(duì)于水波的流動(dòng)過(guò)程而言，由于存在相干波的存在，使得有一個(gè)臨界加速度。當(dāng)渦流加速度低于臨界加速度時(shí)，在相干波流的作用下，水波渦流會(huì)朝著遠(yuǎn)離振源方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)渦流加速度高于臨界加速度時(shí)，水波渦流會(huì)朝著靠近振源方向運(yùn)動(dòng)。如果此時(shí)漂浮物處在渦流返回運(yùn)動(dòng)的路勁上，便能在渦流的作用下聚攏到漂浮物中，聚攏時(shí)的速度會(huì)越來(lái)越快。

圖5 20 Hz 頻率下v-a 關(guān)系圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于法拉第波的水面漂浮物收集系統(tǒng)，通過(guò)單片機(jī)輸出特定的頻率到振動(dòng)源，使與振動(dòng)源相連的浮子在小區(qū)域水面上產(chǎn)生相應(yīng)的法拉第波，利用法拉第波的特性使水面的污染物按照相應(yīng)的軌跡運(yùn)動(dòng)到收集裝置上，從而便于水面垃圾的打撈收集。筆者設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并利用MATLAB 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，為利用法拉第波的物理特性的打撈系統(tǒng)的可行性提供了依據(jù)，對(duì)城市內(nèi)各類小區(qū)域水面清理漂浮物提供了一種全新的思路與實(shí)現(xiàn)方式。

樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，法拉第波可實(shí)現(xiàn)不同范圍的水面漂浮物收集，能夠最大程度地減少小顆粒污染物對(duì)水體的污染，從而對(duì)水體環(huán)境實(shí)現(xiàn)有效保護(hù)，對(duì)未來(lái)的小區(qū)域水面治理具有一定的價(jià)值。