袁躍峰，謝 飛，王佳勝

(浙江海洋大學(xué)海洋工程裝備學(xué)院，浙江 舟山 316022)

貽貝，是中國重要的養(yǎng)殖貝類之一，2020年中國貽貝養(yǎng)殖產(chǎn)量為88.6萬t，約占全國貝類養(yǎng)殖產(chǎn)量的6%[1]。貽貝生長在浮游生物較多的近海海域，表面凹凸不平且有不規(guī)則生長紋路，易附著淤泥、藤壺、足絲基盤、碳酸鈣沉積等污物，傳統(tǒng)的清洗方式是使用自來水進(jìn)行沖洗，貽貝表殼上附著的大量頑固異物無法得到去除，水產(chǎn)加工企業(yè)和消費者在加工食用前需使用硬質(zhì)刷具刷洗，刷洗過程費時耗力[2-4]。潔凈的貽貝表殼既能為后續(xù)精細(xì)加工提供衛(wèi)生條件，也可在一定程度上提高消費者的感官評價和購買意愿。

高壓水射流清洗技術(shù)具有清洗效率高、成本低、節(jié)水、節(jié)電等優(yōu)點，在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)成為主流清洗方式[5]。Kermanpur等[6]對噴嘴的入射角度、射流壓力、靶距和流量對射流打擊力的影響進(jìn)行了分析。Anirban Guha等[7]捕捉到了射流邊界的空氣夾帶過程，并建立了評估臨界和最佳靶距的理論模型。孫躍[8]研究了射流清洗參數(shù)與海參受力狀態(tài)的關(guān)系，為海參清洗工藝參數(shù)的設(shè)計提供了依據(jù)。但在貝類清洗領(lǐng)域，高壓水射流清洗參數(shù)對貝殼清洗效果影響的研究未見有文獻(xiàn)報道。

本研究使用高壓水射流清洗試驗平臺，以射流壓力、靶距、入射角為變量，射流打擊力和射流沖擊壓力為評價指標(biāo)，研究各變量對貽貝表殼清洗效果的影響。通過多因素組合試驗所得數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，使用Box-Behnken多因素響應(yīng)面優(yōu)化出各項清洗參數(shù)的最佳組合可為貽貝等相關(guān)貝類原料清洗設(shè)備的設(shè)計提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)參考，在水產(chǎn)貝類清洗領(lǐng)域具有一定的指導(dǎo)意義。

1 高壓水射流理論分析

1.1 扇形噴嘴射流結(jié)構(gòu)

扇形噴嘴可將柱形聚攏射流水分割成扇形射流束，射流終端為狹窄帶狀，覆蓋面積大，清洗效率高，廣泛應(yīng)用于工業(yè)清洗領(lǐng)域[9-10]。圖1為扇形噴嘴射流的流場分布圖，根據(jù)射流特性可分為自由射流區(qū)、沖擊區(qū)、壁面射流區(qū)、水霧區(qū)[11-13]。沖擊區(qū)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，壓力損失最小，該區(qū)域是進(jìn)行表面清洗的主要區(qū)域[14]。

圖1 高壓水射流流場分布示意圖

為保證清洗效果，提高清洗速度，射流中心線與目標(biāo)清洗壁面通常存在入射角α則射流中心線的打擊力可分解成垂直于壁面的法向力F正和平行于壁面的切向力F切。清洗過程中，F(xiàn)正起主要作用，主要負(fù)責(zé)滲透、破碎壁面的污物，F(xiàn)正小于污物剝離的臨界值時，射流只能掠過沖擊壁面，無法有效沖蝕污物[15-17]。F切對污垢起切削作用，當(dāng)噴嘴相對目標(biāo)靶面呈一定角度移動時，適當(dāng)?shù)腇切可使清洗更為徹底，也可使污物飛濺具有方向性。使用扇形噴嘴進(jìn)行大量清洗試驗，確定貽貝射流清洗的有效靶距均在300 mm以內(nèi)，由于清洗靶距小，帶有曲率的貽貝貝殼壁面對射流流動分布的影響可以忽略，貝殼表面清洗效果幾乎不會受到影響[18]。

1.2 高壓水射流清洗試驗平臺

整個試驗系統(tǒng)包括射流系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和測力系統(tǒng)三大部分。射流系統(tǒng)主要由高壓泵、調(diào)壓閥、扇形噴嘴、儲水箱等組成。機械系統(tǒng)主要由螺紋導(dǎo)軌、靶距調(diào)節(jié)桿、入射角調(diào)節(jié)裝置、貽貝夾持裝置、防護(hù)殼等組成。測力系統(tǒng)由自制測力平臺和PC端數(shù)據(jù)采集軟件組成。試驗系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 試驗系統(tǒng)

貽貝貝殼屬生物陶瓷材料，夾持時極易破碎，因此需制作貽貝專用的夾持工具。根據(jù)胡靜艷[19]和羅爾霖等[20]測繪擬合貽貝貝殼橫截面的結(jié)果進(jìn)行曲面建模，打印出貽貝專用夾具，以保證貽貝在清洗時的夾持穩(wěn)定性。試驗使用淡水作為清洗介質(zhì)，柱塞式壓力泵提供壓力范圍為0～50 MPa。噴嘴共有4個自由度，可實現(xiàn)在X、Y平面的前后、左右方向移動以及X、Z平面的上下方向移動；使用入射角調(diào)節(jié)裝置，噴嘴還可在X、Z平面繞調(diào)節(jié)裝置中軸進(jìn)行0～45°范圍內(nèi)的擺動。

2 試驗設(shè)計

2.1 多因素試驗各項參數(shù)范圍確定

2.1.1 射流打擊力和射流沖擊壓力范圍分析

貽貝貝殼由外套膜分泌鈣化物形成，天然的分子或納米聚合體結(jié)構(gòu)賦予了貝殼較強的韌性和強度[21]。但經(jīng)過驗證，在高壓水射流沖擊瞬間，驟升的沖擊壓力易使貝殼表層剝離，并產(chǎn)生破壞性裂紋。使用拉壓力試驗機從殼高方向?qū)O貝貝殼進(jìn)行承壓試驗，共進(jìn)行10組承壓試驗，記錄相同形變下的載荷數(shù)據(jù)，并將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理。貽貝貝殼承壓試驗如圖3所示。

圖3 貽貝貝殼承壓試驗

由圖3可知，貝殼平均極限承壓載荷在500～600 N之間，已知壓頭與貽貝接觸表面積約為1.76×10-4m2，計算得出貽貝貝殼抗壓性能約為2.84～3.4 MPa[22]?？紤]到貝殼材料特性，射流沖擊壓力應(yīng)小于貽貝整殼曲面的承壓強度，因此，貽貝貝殼整體曲面所受射流沖擊壓力應(yīng)小于2.84 MPa。

扇形噴嘴沖擊到靶面的射流面積為：

(1)

式中：H為噴嘴出口到目標(biāo)靶面的距離；φ為噴嘴的噴射角；δ為射流厚度方向的夾角，射流厚度方向的夾角較小，且不易測量，根據(jù)姜博文等人數(shù)值分析結(jié)果估算得出的角度在4～8°左右，不同扇形噴嘴δ的相差很小，在后續(xù)計算中均按照δ=5°計算[23-24]。

由動量守恒定理可得，噴嘴射流打擊力Fs計算公式為：

(2)

式中：Δp為噴嘴內(nèi)外兩點的壓力差，即射流壓力，Pa；k1為射流到目標(biāo)靶面的流速衰減，k1=0.55；k2為射流到目標(biāo)靶面的流量損失，k2=0.6；為流體密度，kg/m3；Q為噴嘴的射流流量，L/min[25]。根據(jù)伯努利方程可推出噴嘴的流速，則噴嘴的射流流量為：

(3)

已知扇形噴嘴射流覆蓋面積和射流打擊力，則貽貝貝殼承受的射流沖擊壓力為:

(4)

式中：α為射流入射角。

2.1.2 靶距范圍分析

根據(jù)貽貝貝殼受力形變的特點，射流沿殼寬方向進(jìn)行沖擊，為提高貽貝清洗效率，扇形噴嘴的有效噴射寬度需大于貽貝殼寬。以貽貝殼寬方向中點為噴射起點，則扇形噴嘴有效噴射寬度為：

(5)

經(jīng)過前期對貽貝外殼尺寸的測量，貽貝殼寬平均尺寸為42.3±0.2 mm，即扇形噴嘴的有效噴射寬度W應(yīng)大于或等于42.3±0.2 mm。市面上常見的扇形噴嘴噴射角度有25°、40°、50°、65°、80°。

各種噴嘴的射流寬度完全覆蓋貽貝時所對應(yīng)的最小靶距如表1所示。

表1 各種噴射角對應(yīng)的最小靶距

2.1.3 入射角范圍分析

入射角試驗范圍主要由貽貝表殼的清洗效果、貝殼夾持的穩(wěn)定性和后續(xù)清洗裝置設(shè)計要求決定。適當(dāng)大小的入射角可以使清洗更加徹底，也使得污物飛濺具有方向性，避免剝落的污物肆意飛濺，造成交叉污染。入射角過大，F(xiàn)s在沖擊靶面水平方向的分力F切較小，清洗效率將會降低；入射角過小，貝殼不易夾持，射流流場分布也會受到影響，F(xiàn)s在沖擊靶面法線方向的分力F正較小，清洗效果將會變差。

2.1.4 單因素高壓水射流清洗試驗

經(jīng)過以上分析，通過控制單一變量來表征影響貽貝清洗效果的射流參數(shù)，并對貽貝表殼的清洗效果進(jìn)行感官評價。

根據(jù)前面的理論推導(dǎo)，在下列參數(shù)下進(jìn)行單因素試驗：(1)P=1 MPa、6 MPa、11 MPa、16 MPa、21 MPa，H=90 mm，α=80°。(2)H=10 mm、50 mm、90 mm、130 mm、170 mm，P=9 MPa，α=80°。(3)P=9 MPa，H=90 mm，α=70°、75°、80°、85°、90°。單因素對清洗效果的影響如圖4所示，

圖4 單因素對清洗效果的影響

由圖4a可看出，射流壓力在11 MPa時，清洗效果評分基本達(dá)到峰值，射流壓力繼續(xù)增大，清洗效果改善不顯著，射流壓力選擇11 MPa為宜；由圖4b可以看出，靶距在90 mm時，清洗效果達(dá)到巔峰，故靶距選擇90 mm為宜；由圖4c可以看出，入射角在80°時，清洗效果最佳，入射角為90°時Fs=F正，水平方向的分力F切等于0，清洗效果不升反降，故入射角選擇80°為宜。

最終確定在P=6～16 MPa、H=50～130 mm、α=75°～85°范圍內(nèi)進(jìn)行多因素試驗，優(yōu)化射流清洗參數(shù)組合。

2.2 多因素組合試驗設(shè)計及結(jié)果

多因素組合試驗設(shè)計了射流壓力、靶距、射流入射角3個因素，z1為射流壓力P/MPa，z2為靶距H/mm，z3為入射角α/°。射流壓力設(shè)計了3個水平，分別為16 MPa、11 MPa、6 MPa；靶距設(shè)計了3個水平，分別為130 mm、90 mm、50 mm；入射角設(shè)計了3個水平，分別為85°、80°、75°。根據(jù)Box-Behnken試驗設(shè)計原理，對每個因素下的水平進(jìn)行編碼，因素水平編碼如表2所示。

表2 因素水平編碼表

射流打擊力使用自制測力裝置測得，由于射流面積無法直接測量，故射流沖擊壓力使用推導(dǎo)公式(4)計算。

試驗及計算數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 Box-Behnken設(shè)計試驗及計算結(jié)果

3 試驗結(jié)果分析

3.1 回歸模型的建立

Box-Behnken設(shè)計試驗后，通過Design-Expert數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對17組不同射流清洗參數(shù)下所得到的射流打擊力和射流沖擊壓力進(jìn)行分析，得出射流打擊力和射流沖擊壓力的多項式回歸模型為：

(6)

(7)

經(jīng)過計算，F(xiàn)s回歸模型的回歸系數(shù)R2為0.996 8，失擬項P>0.05，不顯著，說明該回歸模型的擬合效果較好，F(xiàn)s回歸模型中各系數(shù)的方差分析如表4所示[28-29]。

表4 射流打擊力Fs回歸模型的方差分析

由于F的值是通過理論推導(dǎo)公式計算得出，故F的回歸模型不作討論。

3.2 單因素分析

對射流打擊力回歸模型作降維處理，得出射流壓力、靶距、入射角對射流打擊力的一元二次回歸方程為：

(8)

(9)

(10)

根據(jù)以上回歸方程，得出射流打擊力與各清洗參數(shù)之間的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 射流打擊力與單因素關(guān)系

由圖5可知，射流壓力對射流打擊力的影響最為顯著，隨著射流壓力的增大，射流打擊力呈近似拋物線式增大；靶距與射流打擊力呈負(fù)相關(guān)，射流打擊力隨著靶距的增大而減?。蝗肷浣桥c射流打擊力呈正相關(guān)，入射角減小時，打擊力在水平方向的F切增大，故垂直于貽貝表殼的F正減小[30]。

對射流沖擊壓力的回歸方程做降維處理，射流壓力、靶距、入射角對射流沖擊壓力的一元二次回歸方程為：

(11)

(12)

(13)

根據(jù)以上回歸方程繪制出各清洗參數(shù)對射流沖擊壓力的關(guān)系如圖6所示，可以看出靶距對射流沖擊壓力的影響最為顯著，隨著靶距的增大，噴嘴的射流面積增大，導(dǎo)致射流沖擊壓力迅速減??；射流壓力和入射角與射流沖擊壓力呈正相關(guān)，在靶距不變的情況下，隨著射流壓力和入射角的增大，射流打擊力增大，故射流沖擊壓力隨之增大。

3.3 Box-Behnken多因素響應(yīng)面優(yōu)化

為了進(jìn)一步提高貽貝的清洗效果，降低清洗過程中的碎殼率，使用高壓水射流清洗貽貝過程中，應(yīng)使射流打擊力盡可能大或者使射流沖擊壓力盡可能小，故使用Box-Behnken響應(yīng)面法對各項清洗參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化。射流打擊力響應(yīng)面如圖7所示。

圖7 射流打擊力響應(yīng)面

分析圖7射流打擊力響應(yīng)面，當(dāng)把射流壓力固定在某一水平時，隨著靶距的減小,射流打擊力逐漸增大；然后將靶距固定在某一水平上，隨著射流壓力的增大，射流打擊力急劇增大?？梢钥闯?，相較于靶距的影響，射流壓力對射流打擊力的影響更為顯著。根據(jù)同樣的方法得出，相較于入射角的影響，射流壓力和靶距的變化對射流打擊力影響更為顯著。射流沖擊壓力響應(yīng)面如圖8所示。分析圖8射流沖擊壓力響應(yīng)面，當(dāng)把射流壓力固定在某一水平時，隨著靶距的減小,射流沖擊壓力急劇增大；然后將靶距固定在某一水平上，隨著射流壓力的增大，射流沖擊壓力逐漸增大?？梢钥闯?，相較于射流壓力的影響，靶距對射流沖擊壓力的影響更為顯著。根據(jù)同樣的方法得出，相較于入射角的影響，射流壓力和靶距的變化對射流沖擊壓力影響更為顯著。

圖8 射流沖擊壓力響應(yīng)面

使用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)Optimization功能項，根據(jù)響應(yīng)面回歸模型進(jìn)行求解[30-31]。將Fs取值最大設(shè)為求解條件時，所得最優(yōu)參數(shù)組合為：x1=0.99、x2=-0.69、x3=0.56；將F取值最小設(shè)為求解條件時，所得最優(yōu)參數(shù)組合為：x1=-0.27、x2=0.25、x3=-0.92，將以上編碼值轉(zhuǎn)換成射流清洗參數(shù)，編碼轉(zhuǎn)換結(jié)果如表5所示。由表5可知，F(xiàn)取最小值時的射流壓力遠(yuǎn)小于Fs取最大值時的射流壓力。射流壓力越大，電機所需功率越大，耗水量也越大，從綠色、節(jié)能角度考慮，優(yōu)選F取最小值的尋優(yōu)結(jié)果。

表5 編碼轉(zhuǎn)換結(jié)果

4 貽貝射流清洗試驗

4.1 結(jié)果分析

取6 MPa、130 mm、75°，15.92 MPa、51.4 mm、83.4°，9.66 MPa、99.88 mm、75.38°，16 MPa、50 mm、85°四組射流參數(shù)對30只貽貝進(jìn)行高壓水射流清洗試驗，以去污效果、貽貝破損率、耗水量作為清洗的主要評價指標(biāo)，驗證尋優(yōu)結(jié)果的有效性。貽貝在不同射流參數(shù)下的清洗情況如表6所示。

表6 貽貝在不同射流參數(shù)下的清洗情況

不同射流參數(shù)清洗后貽貝表面的淤泥、黏膜、足絲基底、藤壺、各類頑固物均能得到一定程度的去除，在6 MPa、130 mm、75°參數(shù)下進(jìn)行清洗時，雖然貽貝清洗的破損率和耗水量最低，但是貽貝殼腹、殼背處的除污效果較差；在15.92 MPa、51.4 mm、83.4°和16 MPa、50 mm、85°參數(shù)下進(jìn)行清洗時，雖然除污能力強，可徹底地去除藤壺、足絲基盤等頑固附著物，但是大的射流壓力同時導(dǎo)致貽貝破損率和耗水量增大；綜合考慮去污情況、貽貝破損情況和耗水量，響應(yīng)面尋優(yōu)得到的參數(shù)組合9.66 MPa、99.88 mm、75.38°效果更佳。

4.2 高壓水射流清洗與現(xiàn)行清洗方式的對比

現(xiàn)行的貽貝清洗方式有振動噴淋式和滾筒揉搓式，高壓水射流清洗與現(xiàn)行清洗方式的相關(guān)對比信息如表7所示[32-33]。去污效果方面，高壓水射流清洗與振動噴淋清洗相比，破損率基本一致的情況下，去污效果有了徹底改善；耗水量方面，高壓水射流清洗每千克貽貝的耗水量更低，更加節(jié)水環(huán)保；清洗速度方面，高壓水射流清洗試驗階段單噴嘴的清洗速度為2 kg/min，按一臺水泵布置10只噴嘴估算，清洗效率即可達(dá)20 kg/min，后續(xù)若合理地增加噴嘴數(shù)量，清洗速度仍然有較大提升空間；電機配套方面，高壓水射流清洗在具備穩(wěn)定水源的前提下僅配套一臺水泵電機即可，振動噴淋清洗和滾筒揉搓清洗除配套水泵電機外，還需要配套振動、滾筒電機，雖然高壓水射流水泵電機功率較大，但是綜合評估整個系統(tǒng)的用機成本、后期維修保養(yǎng)成本和設(shè)備可靠性，高壓水射流清洗方式仍具有較大優(yōu)勢和發(fā)展前景。

表7 3種清洗方式對比信息歸納

不同清洗方式的清洗效果對比如圖9所示。

圖9 不同清洗方式的清洗效果對比

高壓水射流清洗與振動噴淋清洗和滾筒揉搓清洗的效果對比，可以看出貽貝經(jīng)高壓水射流清洗后，表殼附著的藤壺、足絲、鈣沉積等頑固附著物得到較為徹底去除，而經(jīng)過振動噴淋清洗和滾筒揉搓清洗的貽貝，表殼的藤壺、足絲等異物沒有得到有效去除?；谀壳叭藗儗λa(chǎn)貝類衛(wèi)生要求的日益提高，工業(yè)化精細(xì)加工是未來的發(fā)展趨勢，清洗處理的徹底與否，將直接決定后續(xù)貝源的潔凈程度。在清洗參數(shù)的合理匹配下，高壓水射流清洗能滿足工業(yè)化精細(xì)加工的要求，符合未來水產(chǎn)貝類加工的發(fā)展趨勢。

5 結(jié)論

高壓水射流清洗技術(shù)應(yīng)用于水產(chǎn)貝類清洗領(lǐng)域，可為后續(xù)加工流水線提供更加潔凈的貝源，符合貝類精細(xì)加工的發(fā)展趨勢。本研究從貽貝貝殼的承壓性能出發(fā)，通過力學(xué)試驗、理論推導(dǎo)和射流清洗試驗確定了高壓射流清洗的單因素試驗范圍；使用Design-Expert軟件設(shè)計多因素組合試驗，建立射流打擊力和射流沖擊壓力的多項式回歸模型；通過響應(yīng)面法尋優(yōu)分析得到清洗參數(shù)的最優(yōu)組合：P=9.66 MPa，H=99.88 mm，α=75.38°。在該參數(shù)組合下對貽貝進(jìn)行高壓射流清洗，清洗后貝殼表面附著的頑固污物得到較好去除，保證碎殼率的前提下，清洗效果相較于振動清洗方式得到顯著改善。研究得出的貽貝高壓水射流清洗參數(shù)回歸模型及最優(yōu)參數(shù)組合，可為貽貝及相關(guān)貝類的高壓水射流清洗設(shè)備研發(fā)提供理論參考。

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