徐從曉,張 華,羅夢偉,桂福坤

(1 浙江海洋大學(xué)海洋工程裝備學(xué)院，浙江舟山 316000;2 浙江海洋大學(xué)船舶與海運學(xué)院，浙江舟山 316000;3 浙江海洋大學(xué)國家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心，浙江舟山 316000)

近年來，由于傳統(tǒng)近岸小網(wǎng)箱抗風(fēng)浪能力差，過密的生產(chǎn)布局容易造成環(huán)境污染和水質(zhì)惡化，導(dǎo)致養(yǎng)殖生物病害時有發(fā)生，品質(zhì)和養(yǎng)殖效益下降，近海漁業(yè)資源出現(xiàn)持續(xù)衰退現(xiàn)象[1-3]。在國家及沿海地方政府的倡導(dǎo)和支持下，網(wǎng)箱養(yǎng)殖技術(shù)與設(shè)施裝備取得了長足進步，近岸小型網(wǎng)箱逐漸被深水網(wǎng)箱和圍網(wǎng)養(yǎng)殖所取代[4-6]。徐君卓等[7]研究表明圍網(wǎng)養(yǎng)殖可有效利用天然餌料生物、實現(xiàn)魚-貝-藻多營養(yǎng)層次綜合養(yǎng)殖，具有抗風(fēng)浪能力強、成魚品質(zhì)高和養(yǎng)殖環(huán)境友好等優(yōu)勢。

網(wǎng)衣材料本身無毒，長期泡在深海中會滋生大量絲狀藻類等附著物，容易迅速繁殖堵塞網(wǎng)眼，造成網(wǎng)箱的濾水性能降低，使網(wǎng)箱內(nèi)水流不暢，導(dǎo)致水溶氧量降低，從而造成養(yǎng)殖魚品質(zhì)下降[8-10]，甚至?xí)蛉毖踉斐绅B(yǎng)殖魚大面積死亡，因此網(wǎng)衣的清洗成為深海圍網(wǎng)內(nèi)水環(huán)境物理修復(fù)的關(guān)鍵因素之一[4]。

國外對網(wǎng)衣清洗裝備研制起步較早，從總體上看，網(wǎng)衣清洗裝備已經(jīng)形成了智能化和產(chǎn)業(yè)化，其配套設(shè)施齊全，可以對網(wǎng)衣進行有效清洗[11-12]。如挪威Jensen[13]設(shè)計的控制多個推進器帶動清洗機器人運行到網(wǎng)衣的任何位置，配有多種噴射方式對網(wǎng)衣進行清洗。國內(nèi)網(wǎng)衣清洗方式有定期換網(wǎng)法、人工清洗法、上提下沉法、生物清除法和機械清洗法等[11]，存在清洗周期長、清潔度低、清洗成本高、效率低等缺點[7-12]。

雖然國內(nèi)網(wǎng)衣清洗裝備研究起步較晚，但也研制出了能夠進行有效清洗的裝置，如王志勇[9]采用高壓泵提供動力，利用分歧管清洗盤產(chǎn)生射流，在射流反作用力下帶動清洗盤進行旋轉(zhuǎn)噴射清洗。莊集超等[14]通過高壓水泵驅(qū)動的歧管噴盤進行清洗，采用螺旋槳和浮筒改變機器人清洗軌跡和清洗姿態(tài)，以達到最佳清洗效果。

本研究根據(jù)圍網(wǎng)軌道設(shè)計運動小車吊裝配有10孔的高壓水射流清洗單元進行上下左右橫移清洗，設(shè)計樣機進行水射流打擊力對比試驗分析來確定該裝備最佳的噴嘴直徑與形狀，該設(shè)計與試驗可為同類設(shè)備研究提供參考。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 圍網(wǎng)網(wǎng)衣清洗裝備的設(shè)計

該圍網(wǎng)網(wǎng)衣清洗裝備由動力單元、運動單元、輸送單元和清洗單元組成。根據(jù)最初試驗測試效果，動力單元選用額定壓力20 MPa，額定流量50 L/min的三缸柱塞泵，運動單元采用自主設(shè)計的運動小車；輸送單元的高壓水管選用的是高壓軟管，最大可承受30 MPa壓力，用來連接動力單元和清洗單元，輸送高壓水。

1.2 圍網(wǎng)網(wǎng)衣清洗裝備工作原理

圍網(wǎng)網(wǎng)衣清洗裝備由2臺伺服電機通過鏈傳動使運動小車在圍網(wǎng)軌道上進行移動，清洗單元由吊繩連接小車吊臂通過小車的移動和起吊電機的牽引作用下帶動清洗單元對網(wǎng)衣附著物進行橫向和豎向的清洗，圍網(wǎng)網(wǎng)衣清洗裝備如圖1所示。

圖1 圍網(wǎng)網(wǎng)衣清洗裝備示意圖

清洗單元是本設(shè)備最重要的部分，其工作原理是由高壓泵提供高壓水經(jīng)高壓水管輸送分流到2根射流發(fā)生管，再經(jīng)過小孔徑的噴嘴產(chǎn)生低壓高速的水射流作用在網(wǎng)衣上，從而實現(xiàn)網(wǎng)衣的清洗。

網(wǎng)衣清洗單元如圖2所示。

圖2 網(wǎng)衣清洗單元示意圖

其中清洗單元共配有2根射流發(fā)生管，并各裝有5個高壓噴嘴，且2根高壓射流管上的高壓噴嘴交錯分布，以此來增加射流清洗的面積，提高清洗效率。同時在清洗過程中射流打擊力會對清洗單元產(chǎn)生向后的推力，可利用推力螺旋槳來平衡水射流產(chǎn)生反作用力，實現(xiàn)對網(wǎng)衣的近距離貼網(wǎng)清洗，提高對頑固附著物的清洗率。清洗單元樣機如圖3所示。

圖3 清洗單元樣機

2 水動力計算

2.1 高壓噴嘴內(nèi)徑的計算

高壓噴嘴是清洗單元中最關(guān)鍵的部位，高壓噴嘴對于清洗裝備的清洗效果和效率有很大的影響。高壓噴嘴是將高壓泵的壓力能轉(zhuǎn)換為速度能，高壓水進入噴嘴再經(jīng)噴嘴出水口孔徑低壓高噴出，其中噴嘴的出水口孔徑是整個噴嘴的重中之重，噴嘴的孔徑應(yīng)與高壓泵的額定壓力和額定流量相匹配，如果高壓噴嘴孔徑過大則會把高壓泵的壓力卸掉一部分，達不到其額定壓力值。相反，噴嘴的孔徑過小則會使泵外在過壓工作狀態(tài)中，高壓噴嘴射流出的流量將減小，高壓泵會通過過載保護的溢流閥溢流掉一部分流量。因此選擇合適的高壓噴嘴類型和計算高壓噴嘴的內(nèi)徑是清洗裝備研究中的核心問題[15-17]。

在進行噴嘴出水口水動力計算過程中，為了方便計算，假設(shè)該圍網(wǎng)養(yǎng)殖海域的海水為理想流體，流體不可壓縮且密度為常量(ρ=1.03 g/cm3)。網(wǎng)衣清洗裝備在運行過程中，忽略水泵出水口經(jīng)過高壓水管到清洗單元的流量損失，即流入清洗單元的水與清洗單元通過高壓噴嘴噴出的水是等量的[19-23]。因此對高壓噴嘴入水口到高壓噴嘴出水口之間應(yīng)用連續(xù)性方程[24]可知：

(1)

式中：q為高壓泵出水流量，L/min；d1為高壓噴嘴入水口內(nèi)徑，mm；v1為高壓噴嘴進水口流速，m/s；d2高壓噴嘴出水口內(nèi)徑，mm；v2高壓噴嘴出水口流速，m/s；n為清洗單元高壓噴嘴個數(shù)。

在高壓噴嘴入水口與高壓噴嘴的出水口截取兩個斷面，應(yīng)用伯努利方程[24]可知：

(2)

式中：p1為高壓噴嘴進水口壓力，MPa；p2為高壓噴嘴出水口壓力，MPa，z1為高壓噴嘴入水口高度，m；z2為高壓噴嘴出水口高度，m。

兩端面忽略高度差，公式兩邊同時除以g可得：

(3)

聯(lián)立式(1)和式(3)可得

(4)

(5)

將式(5)代入式(1)，考慮到高壓水在經(jīng)過高壓管和噴嘴的流動中，會出現(xiàn)流量損失，查閱文獻得知，需考慮噴嘴的結(jié)構(gòu)系數(shù)u和效率系數(shù)η[25],簡化可得到高壓噴嘴出水口內(nèi)徑理論計算公式：

(6)

式中：η為 高壓噴嘴效率系數(shù)1.05～1.3；q為 動力單元高壓泵的額定流量，L/min；u為 高壓噴嘴的結(jié)構(gòu)系數(shù)0.90～0.98[25]；n為 高壓噴嘴個數(shù)；P為動力單元高壓泵的額定壓力，MPa。

本研究設(shè)計的網(wǎng)衣清洗裝備選用的是額定流量為50 L/min,額定壓力為20 MPa的高壓泵，高壓噴嘴個數(shù)為10個，η取1.05，u取0.95，將各參數(shù)代入式(6)計算得高壓噴嘴出水口內(nèi)徑為0.749 mm。

2.2 水下射流反作用力平衡

平衡水射流打擊力產(chǎn)生的反作用力是網(wǎng)衣清洗裝備在水下實現(xiàn)平穩(wěn)有效清洗的關(guān)鍵問題，水射流打擊力產(chǎn)生的反作用力會使網(wǎng)衣清洗裝備背離網(wǎng)衣，從而使網(wǎng)衣清洗裝置噴嘴到網(wǎng)衣的間隔距離過大，損失清洗力度。因此，想要對網(wǎng)衣進行有效清洗，除了網(wǎng)衣清洗裝備的壓力、流量、高壓噴嘴孔徑合適外，高壓噴嘴到所要清洗網(wǎng)衣的靶距也要在合適范圍內(nèi)，這樣才能最大程度利用水射流打擊力。為此，在網(wǎng)衣清洗裝備的清洗單元上安裝螺旋槳反推器，以此來平衡水射流產(chǎn)生的反作用力，進而控制高壓噴嘴到網(wǎng)衣之間的距離，從而實現(xiàn)貼網(wǎng)清洗，提高網(wǎng)衣清洗裝備的洗凈率。

3 網(wǎng)衣清洗裝備水射流打擊力測試

3.1 主要試驗設(shè)備

試驗設(shè)備主要有：高壓泵(圖4)、高壓水管、清洗單元樣機、2個長方形水箱(長0.8 m、寬0.5 m、高0.5 m)，打擊力測試傳感器(圖5)。根據(jù)公式(6)計算得到理論噴嘴孔徑為0.749 mm，試驗時選取孔徑為0.7 mm、0.8 mm、0.9 mm的三組出水口為圓柱形的噴嘴(圖7)，每組各10個。另外再準(zhǔn)備10個出水口為15°的扇形噴嘴(此出水口孔徑根據(jù)上述試驗結(jié)果決定)，刻度尺一把。

圖4 高壓泵圖

圖5 傳感器顯示器

圖6 圓柱形噴嘴

3.2 試驗方法及過程

將網(wǎng)衣清洗單元與高壓泵連接好，將高壓水泵進水口放入圓柱形水桶中，再將孔徑為0.7 mm的圓柱形高壓噴嘴安裝在清洗單元上，把打擊力測試裝置通電(220 V)，放在清洗單元前方，然后將高壓水泵和打擊力測試裝置通電、運行，通過高壓水泵上的壓力表和測試裝置顯示儀記錄系統(tǒng)壓力和射流打擊力，再依次將0.8 mm、0.9 mm的圓柱形高壓噴嘴依次安裝上并記錄其測試數(shù)據(jù)，最終將3組數(shù)據(jù)進行對比試驗，為高壓噴嘴選出合適的孔徑。其試驗配置如圖7所示，同時考慮到清洗面積的問題，再將試驗選出來的這個噴嘴與同樣孔徑的15°扇形噴嘴分別進行空氣中和淹沒狀態(tài)下的對比試驗，為該網(wǎng)衣清洗裝備選定合適的噴嘴形狀和噴嘴直徑。

圖7 打擊力測試試驗配置圖

為驗證試驗可靠性，本研究設(shè)計了一組理論打擊力與試驗打擊力的對比試驗。根據(jù)動量定理，經(jīng)整理后可得到理論最大水射流打擊力[26-30]

(7)

式中：F為 理論最大水射流打擊力，N；q1為 射流流量，L/min；P為 水射流壓力，MPa；φ為 射流入射角，(°)。

其中q1射流流量通過體積法來測量，具體方法為：用一個長a=0.8 m、寬b=0.5 m、高0.5 m長方體箱作為高壓泵供水箱，將水灌至水箱高度的0.4 m處，將裝有0.8 mm圓柱形噴嘴的清洗單元運行1 min，測量其供水箱水面高度，計算其1 min使用流量值，其計算公式為:

q1=a×b×(h1-h2)

(8)

式中：a為供水箱長度，m；b為供水箱寬度，m；h1為供水前供水箱水面高度，cm；h2為供水1 min后供水箱水面高度，cm。

為反映從空氣到淹沒狀態(tài)下水射流打擊力衰減的程度，本研究定義了水射流打擊力在空氣到淹沒狀態(tài)下的衰減率公式：

(9)

式中：t為水射流打擊力從空氣到淹沒狀態(tài)下的衰減率，a1為空氣中額定壓力狀態(tài)下最大打擊力，N;a2為淹沒中額定壓力狀態(tài)下最大打擊力，N。

本研究所設(shè)計的網(wǎng)衣清洗裝備最終的工作狀態(tài)是在水下(清洗單元淹沒狀態(tài))進行清洗，此時介質(zhì)由空氣變成了密度更大的水，其對高壓水射流的阻力增大以及卷積效應(yīng)的影響，打擊力將會嚴(yán)重?fù)p失，本文將通過現(xiàn)場試驗探索本裝置在淹沒狀態(tài)下隨著靶距的增大，對應(yīng)水射流打擊力的衰減趨勢。將清洗單元與打擊力測試裝置的壓力傳感器放入準(zhǔn)備好的長方形水池中，使其處于淹沒狀態(tài)，調(diào)整兩者之間的靶距，運行高壓水泵，進行對比實驗，測試并記錄其數(shù)據(jù)。

4 結(jié)果分析

4.1 打擊力理論公式計算與實測對比及流量測量試驗

本組試驗是通過水射流打擊力理論計算公式計算結(jié)果與本設(shè)備打擊力實測進行對比，看其差值，以此來驗證本研究所進行試驗的可靠性。首先根據(jù)試驗方法章節(jié)的體積法測流量，將試驗參數(shù)代入公式(8)中，計算得到表1。

表1 體積法測試流量數(shù)據(jù)

經(jīng)3次測量計算取其3次結(jié)果的平均值，即高壓泵壓力20 MPa、噴嘴孔徑為0.8 mm時，實際射流流量為48.13 L/min。由于被清洗物網(wǎng)衣水射流可以穿透，且由公式(7)可知，當(dāng)φ為90°時，打擊力可以達到最大值，所以本試驗采用水射流與網(wǎng)衣垂直清洗。將上述參數(shù)代入公式(7)計算得到設(shè)備0.8 mm的理論打擊力，與試驗實測打擊力做折線圖對比如圖8所示，可以看出本試驗所測打擊力與理論打擊力相差很小，考慮到試驗存在誤差性，所以本試驗所測數(shù)據(jù)可靠。

圖8 0.8 mm圓柱形噴嘴理論打擊力與試驗打擊力折線圖

4.2 圓柱形高壓噴嘴不同孔徑打擊力的對比試驗

對0.7 mm、0.8 mm、0.9 mm孔徑的圓柱形噴嘴進行水射流打擊力測試，其試驗靶距為20 mm，其實測打擊力曲線圖如圖8所示，由曲線圖可以明顯的看出，當(dāng)圓柱形高壓噴嘴的孔徑為0.8 mm時，系統(tǒng)高壓泵到達額定壓力20 MPa，在3個噴嘴中產(chǎn)生的打擊力最大，當(dāng)裝有0.7 mm孔徑的圓柱形噴嘴時，高壓泵存在過載狀態(tài)，溢流閥處于工作狀態(tài)中，系統(tǒng)流量有較大損失，造成打擊力過小。當(dāng)裝有0.9 mm孔徑的圓柱形噴嘴時，由于噴嘴孔徑過大，將系統(tǒng)壓力卸掉一部分，使系統(tǒng)壓力最大只能達到16 MPa，使高壓泵無法在額定壓力下工作，也使得其最大打擊力小于0.8 mm孔徑的噴嘴，綜上由試驗結(jié)果表明，當(dāng)本裝置裝配出水口直徑為0.8 mm的噴嘴時，可以使該裝置產(chǎn)生最大的水射流打擊力，不同孔徑的圓柱形噴嘴打擊力折線如圖9所示。

圖9 不同孔徑的圓柱形噴嘴打擊力折線圖

4.3 空氣和淹沒狀態(tài)下圓柱形噴嘴與扇形噴嘴打擊力的對比試驗

上組試驗已經(jīng)確定了本裝置噴嘴出水口的最佳直徑，但考慮到扇形噴嘴的清洗面積大，會提高整個裝置的清洗效率。故設(shè)置本組試驗來對比同為0.8 mm的圓柱形噴嘴和扇形噴嘴的打擊力。本組試驗將分別在空氣中和淹沒狀態(tài)下進行，靶距同樣保持20 mm，其試驗現(xiàn)場如圖10、圖11所示。

圖10 空氣中打擊力試驗圖

圖11 淹沒狀態(tài)下打擊力試驗圖

分析數(shù)據(jù)得到圖12折線圖，從折線圖可以看出在高壓泵額定壓力下，0.8 mm圓柱形噴嘴的打擊力高于0.8 mm 15°扇形噴嘴的打擊力，在實驗過程中，觀察到空氣中扇形噴嘴的打擊力雖然小一點，清洗面積明顯大于圓柱形噴嘴。分析數(shù)據(jù)得到圖13折線圖，可以看出在淹沒狀態(tài)下的扇形噴嘴的打擊力遠小于圓柱形噴嘴水，且淹沒狀態(tài)下的扇形噴嘴由于水阻力和卷積效應(yīng)影響將無法增大清洗面積。

圖12 空氣中打擊力折線圖

圖13 淹沒狀態(tài)下打擊力折線圖

根據(jù)水射流打擊力在空氣到淹沒狀態(tài)下的衰減率公式(9)并將試驗數(shù)據(jù)代入得到：靶距為20 mm的0.8 mm圓柱形噴嘴的打擊力衰減率為62.5%，0.8 mm 15°扇形噴嘴的打擊力衰減率為78.6%。綜合通過試驗結(jié)果和打擊力衰減率分析可知，扇形噴嘴水射流打擊力從空氣到淹沒狀態(tài)下的衰減率明顯高于圓柱形噴嘴，由于在淹沒狀態(tài)下扇形噴嘴射流束發(fā)散性好、清洗面積大的特點反而加大了其射流束在水中的衰減，而射流束集中的圓柱形噴嘴則表現(xiàn)得更好一點。表明水下清洗不能優(yōu)先考慮扇形清噴嘴清洗面積大的優(yōu)點，應(yīng)首選射流束集中且能保持較長射流核心區(qū)域的圓柱形噴嘴。

4.4 淹沒狀態(tài)下靶距對打擊力的影響試驗

為探索清洗單元在淹沒狀態(tài)下隨著靶距的增大，對應(yīng)水射流打擊力的衰減趨勢，通過試驗得到打擊力隨靶距變化的衰減折線如圖14所示。

圖14 淹沒狀態(tài)下水射流打擊力與靶距的折線圖

可以清晰看出，在淹沒狀態(tài)下靶距對水射流清洗的影響尤為重要，在較小的靶距變化下會對打擊力產(chǎn)生很大的削弱，在試驗中當(dāng)靶距達到50 mm時，傳感器已經(jīng)檢測不到清洗單元的打擊力。經(jīng)試驗測試，本裝置靶距控制在10 mm以內(nèi)才能保證清洗效果，本裝備在清洗時可利用推進螺旋槳進行貼網(wǎng)清，以此來減小水阻力對水射流打擊力的削弱[31]。

5 結(jié)論

本研究綜合考慮了圍網(wǎng)清洗的工況條件，以提高自動化、清洗能力和效率質(zhì)量降低操作難度為設(shè)計目標(biāo)，整個裝置在圍欄行走、起吊、清洗都由PLC控制，裝備是基于水射流技術(shù)對所用海域沒有污染，清洗單元采用多噴嘴，上下交錯分布的布置提高其清洗面積與清洗效率，設(shè)計采用反推螺旋槳來平衡清洗單元帶來的反作用力，根據(jù)高壓泵參數(shù)、水動力經(jīng)驗公式計算該裝備的噴嘴直徑為0.749 mm，加工樣機，采用對比試驗的方法來分析不同孔徑在不同介質(zhì)、不同靶距下的水射流打擊力，結(jié)合試驗結(jié)果最終確定該裝備在配有該高壓泵(額定壓力20 MPa，額定流量50 L/min)的條件下選配孔徑為0.8 mm的圓柱形噴嘴最為合適，本研究為高壓水射流選配噴嘴和網(wǎng)衣清洗等提供了參考。

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