鼓泡式魚類清洗機(jī)管路湍流數(shù)值模擬與優(yōu)化

李 路 張志明 吳文錦 汪 蘭 熊光權(quán) 石 柳

(1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖北 武漢 430070；2. 湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工與核農(nóng)技術(shù)研究所，湖北 武漢 430064)

魚類加工一般包括分級(jí)、除磷、去內(nèi)臟、清洗、配料及包裝，其中清洗是關(guān)鍵環(huán)節(jié)?，F(xiàn)有的清洗設(shè)備主要針對(duì)蔬菜、水果或硬殼海鮮等[1-3]，專門針對(duì)魚類的清洗設(shè)備較少。目前魚類的清洗機(jī)有滾筒式、高壓水射流式、毛刷式、鼓泡式。滾筒式清洗機(jī)主要通過(guò)清洗滾筒在電機(jī)和傳動(dòng)齒輪的作用下進(jìn)行繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，筒內(nèi)壁均勻分布毛刷，但清洗量小，對(duì)魚體損傷大；高壓水射流式清洗機(jī)通過(guò)撐開裝置將魚體撐開，去除內(nèi)臟及黑膜后，加壓后的水通過(guò)噴嘴噴頭轉(zhuǎn)換成水射流對(duì)魚體進(jìn)行沖刷，但耗水量大，而且對(duì)內(nèi)臟軟組織殘?jiān)逑葱Ч?；毛刷式清洗機(jī)采用的是“在夾具作用下清洗”，通過(guò)光感傳感器檢測(cè)到魚體，毛刷下降清洗魚體，在夾具的作用下魚體不會(huì)下滑，但無(wú)法有效清洗內(nèi)臟軟組織殘?jiān)?。鼓泡式清洗機(jī)(圖1)具有清洗量大、清洗范圍廣、節(jié)水、對(duì)產(chǎn)品損傷小等優(yōu)點(diǎn)，鼓泡管路作為清洗機(jī)的關(guān)鍵部件，對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化有利于提高魚類清洗機(jī)的清洗效果。

1. 齒輪 2. 軸承座 3. 電機(jī) 4. 鏈條式傳送帶 5. 機(jī)殼 6. 污濁度檢測(cè)裝置 7. 分流管 8. 主流管 9. 側(cè)網(wǎng)格 10. 橫支架 11. 斜坡板 12. 水位檢測(cè)裝置 13. 導(dǎo)軌 14. 支撐座 15. 旋渦風(fēng)機(jī) 16. 機(jī)架圖1 鼓泡式清洗機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic diagram of bubbling cleaning machine

目前，清洗設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要有流體流場(chǎng)數(shù)值模擬[4-5]和試驗(yàn)分析[6-7]兩大方法。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) CFD(computational fluid dynamics)技術(shù)因能較全面地獲得流場(chǎng)數(shù)據(jù)，且具有流場(chǎng)數(shù)據(jù)可視化的優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛應(yīng)用。而試驗(yàn)分析主要通過(guò)逐一調(diào)整樣機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行清洗，以清洗效果為指標(biāo)選出最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，該方法結(jié)果直觀，但成本較高。Mixture多相流模型可用于兩相流或多相流(流體或顆粒)，求解混合物的動(dòng)量方程，并通過(guò)相對(duì)速度來(lái)描述離散相。Mixture多相流模型也可用于沒(méi)有離散相相對(duì)速度的均勻多相流，當(dāng)求解變量的個(gè)數(shù)小于完善的多相流模型時(shí)，該模型可與完善的多相流模型相媲美。

試驗(yàn)擬采用Fluent提供的Mixture多相流模型對(duì)魚類清洗機(jī)的核心部件——鼓泡管路進(jìn)行數(shù)值模擬，優(yōu)化鼓泡管路結(jié)構(gòu)參數(shù)，并使用優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)搭建試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證，旨在提高魚類清洗機(jī)的清洗效率與清洗質(zhì)量。

1 鼓泡管路流場(chǎng)數(shù)值模擬

1.1 鼓泡管路結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖2所示，鼓泡管路包括風(fēng)機(jī)、主流管和分流管。旋渦風(fēng)機(jī)將空氣以一定的速度鼓入主流管，經(jīng)過(guò)分流管上若干個(gè)噴氣孔形成大量具有一定壓力、大小不一的氣泡，利用氣泡氣蝕機(jī)理對(duì)魚類進(jìn)行清洗[8-10]。

氣泡氣蝕作用：在含有許多氣泡的液體中，當(dāng)氣泡爆炸性生長(zhǎng)或塌陷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生巨大的瞬時(shí)壓強(qiáng)。在爆炸性生長(zhǎng)的氣泡周圍會(huì)產(chǎn)生除剪切力外的強(qiáng)吸力，強(qiáng)吸力將顆粒從表面提起并吸向氣泡以達(dá)到清潔效果；當(dāng)氣泡從噴氣孔生成后，隨著氣泡的上升、變形，氣泡的體積不斷膨脹直至破碎(塌陷)，在氣泡破碎(塌陷)的同時(shí)產(chǎn)生巨大的瞬時(shí)壓強(qiáng)，從而破壞固體表面，產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。有學(xué)者[11]通過(guò)實(shí)測(cè)得出，游移型氣泡潰滅時(shí)，靠近固體壁面處的微射流速度可達(dá)70～180 m/s，在固體表面的沖擊壓力可達(dá)140～180 MPa，該沖擊力完全可以清洗掉固體表面的污染物。當(dāng)液體中的氣泡不斷產(chǎn)生、膨脹、破碎(塌陷)時(shí)，在氣泡塌陷期間產(chǎn)生巨大的脈沖壓力連續(xù)不斷地作用于魚體表面，可有效清除魚體表面的污物。

1. 旋渦風(fēng)機(jī) 2. 分流閥 3. 流量計(jì) 4. 主流管 5. 噴氣孔6. 分流管

鼓泡管路的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)包括噴氣孔徑R、噴氣孔徑間距L和管長(zhǎng)Lr，同時(shí)還包括氣流流量[12-14]。噴氣孔徑R、噴氣孔徑間距L、管長(zhǎng)Lr以及氣流流量對(duì)氣泡大小、多少和均勻性都有重要影響，但這些參數(shù)無(wú)法直接確定，通常是經(jīng)過(guò)試驗(yàn)或者基于流體力學(xué)的理論分析確定。采用Fluent 15.0軟件對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的鼓泡管路進(jìn)行相流數(shù)值模擬，依據(jù)結(jié)果對(duì)鼓泡管路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬在一定程度上彌補(bǔ)了理論分析和試驗(yàn)測(cè)試的不足，節(jié)約了設(shè)計(jì)時(shí)間，減少了試驗(yàn)費(fèi)用同時(shí)容易獲取流場(chǎng)中數(shù)據(jù)以及實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)可視化的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于流場(chǎng)分析[15]。

1.2 多相流模型的選擇

試驗(yàn)對(duì)鼓泡管路內(nèi)、外部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，涉及空氣和水兩種介質(zhì)。Fluent軟件包含3種多相流模型：Euler模型、VOF 模型、Mixture 模型[16]。

由于Mixture模型具有計(jì)算穩(wěn)定性好，計(jì)算時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)，故選用 Mixture 模型作為多相流模型，其連續(xù)性方程為：

(1)

Fluent數(shù)據(jù)庫(kù)中提供了多種湍流模型[17-18]，如標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型和Realizablek-ε模型等。試驗(yàn)適宜用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，該模型可清晰地模擬鼓泡管道內(nèi)、外部的流場(chǎng)情況。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型為雙方程模型，是在單方程模型基礎(chǔ)上，引入一個(gè)湍流耗散率ε，由湍流動(dòng)能k輸運(yùn)方程和湍動(dòng)耗散率ε方程組成。湍流動(dòng)能k是一個(gè)關(guān)于湍動(dòng)黏度μt的函數(shù)；該模型包含launder和spalding。模型中的ε定義為：

(2)

湍流動(dòng)能k定義為：

(3)

因此，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的輸運(yùn)方程為：

(4)

(5)

其中

(6)

式中：

Gk——由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能；

Gb——由浮力影響引起的湍動(dòng)能；

Ym——可壓縮湍動(dòng)能膨脹對(duì)總耗散率的影響；

C1ε、C2ε、C3ε——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09；

σk、σε——湍動(dòng)能和湍動(dòng)耗散率對(duì)應(yīng)的普朗數(shù)，取σk=1.0、σε=1.3；

Prt——湍動(dòng)普朗特?cái)?shù)，取Prt=0.85；

gi——重力加速度在i方向上的分量，m/s2；

β——熱膨脹系數(shù)；

Mt——湍動(dòng)馬赫數(shù)；

a——聲速，m/s。

1.3 數(shù)值模擬方案

根據(jù)ANSYS Fluent流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬要求，將鼓泡管路和清洗水槽等結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化。數(shù)值模擬分為兩部分：① 對(duì)分流管長(zhǎng)度進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使分流管上每個(gè)噴氣口氣體的流速盡可能相同或存在的差值在可接受范圍內(nèi)。② 在上述研究的基礎(chǔ)上，對(duì)分流管上的噴氣孔徑、孔距等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬。使用Mixture多相流模型、擴(kuò)展的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行模擬不同氣流速度對(duì)氣體體積分?jǐn)?shù)、湍流動(dòng)能、湍流耗散率的影響規(guī)律。結(jié)合實(shí)際情況，選出最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

企業(yè)與開發(fā)商作為城市的基本經(jīng)濟(jì)細(xì)胞，是城市更新不可或缺的重要參與主體。開發(fā)商與企業(yè)的參與雖然本質(zhì)上是逐利，但是其作用卻是不可否認(rèn)的。一方面，私人資本的投資是對(duì)公共部門投資的有力補(bǔ)充與幫助；另一方面，開發(fā)商的參與對(duì)于解決城市更新過(guò)程中的公共服務(wù)設(shè)施建設(shè)、社會(huì)住房供應(yīng)等一系列市場(chǎng)化問(wèn)題都具有重要的意義。

用三維軟件SolidWorks 2017構(gòu)造模型，使用ANSYS ICEM CFD進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，對(duì)于細(xì)長(zhǎng)管道適合于劃分成四邊形網(wǎng)格，由于四邊形網(wǎng)格具有單元較少，計(jì)算劃分時(shí)間較少等優(yōu)勢(shì)。將生成的網(wǎng)格導(dǎo)入到CFD中施加邊界條件進(jìn)行求解計(jì)算。采用有限體積積分法，應(yīng)用Simple算法進(jìn)行求解。

計(jì)算域進(jìn)氣口采用穩(wěn)定、均速的速度入口(VelocityInlet)，氣相體積分?jǐn)?shù)為1；采用壓力出口(Pressure Outlet)；固體壁面，不考慮壁面對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的影響。

1.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

若忽視溫度變化的影響，在噴氣孔徑R=3 mm，噴氣孔徑間距L=7 cm，管長(zhǎng)度Lr=100 cm時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型計(jì)算氣液兩相流產(chǎn)生的湍流動(dòng)能。為了更好、更詳細(xì)地對(duì)比模擬流場(chǎng)區(qū)域，選取某根分流管路軸向切面為分析對(duì)象。如圖3所示，分流管在水下30 cm，噴氣出口處的大氣壓強(qiáng)為2 943 Pa，由于管內(nèi)氣體壓力分布不均勻，導(dǎo)致氣體在每個(gè)噴氣孔出口的壓力不一致，進(jìn)而影響每個(gè)噴氣孔出口處氣流速度。因噴氣孔出口處氣流速度的不同，會(huì)直接影響氣泡的大小、多少以及均勻性，使氣泡的產(chǎn)生狀態(tài)具有不可控性，對(duì)清洗效率有較大的影響，故各個(gè)噴氣孔出口處氣流速度盡量保持一致，才能使產(chǎn)生的氣泡具有均勻性，清洗效果更好。因此，對(duì)鼓泡管路中的分流管進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計(jì)改進(jìn)，通過(guò)數(shù)值模擬不同長(zhǎng)度管道，將分流管管道長(zhǎng)度縮短為40 cm。由圖4可知，改進(jìn)后的分流管上的噴氣孔出口處氣流流速趨于一致。

圖3 分流管速度數(shù)值模擬和速度坐標(biāo)圖Figure 3 Shunt tube speed simulation and speed graph

圖4 改進(jìn)后的分流管速度數(shù)值模擬和速度坐標(biāo)圖Figure 4 Improved shunt tube speed simulation and velocity graph

為了更直觀、可視化地分析氣流速度對(duì)氣液流場(chǎng)中氣體體積分?jǐn)?shù)的影響規(guī)律，將模擬結(jié)果所得的數(shù)據(jù)通過(guò)Origin 9.1進(jìn)行描點(diǎn)作圖，研究垂直高度為30 cm，間距為7 cm，噴氣孔出口氣流流度分別為2，4，6，8，10 m/s時(shí)，不同垂直高度水平面處氣體體積分?jǐn)?shù)的分布圖如圖5所示。由圖5可知，清洗水槽中氣體體積分?jǐn)?shù)隨氣流速度的增加逐漸上升。當(dāng)垂直高度為10～30 cm時(shí)，氣體體積分?jǐn)?shù)與氣流流速呈正相關(guān)。當(dāng)接近液面附近時(shí)，氣體體積分?jǐn)?shù)增加率急劇上升，由于當(dāng)氣泡從噴氣孔生成后，隨著氣泡的上升、變形，氣泡體積不斷膨脹直至破碎(塌陷)，導(dǎo)致清洗槽液面附近的水發(fā)生劇烈的晃動(dòng)，大氣中的空氣會(huì)立即補(bǔ)充氣相的不足，氣體體積分?jǐn)?shù)急劇上升。

圖5 不同氣流流速在軸向切面處氣體體積分?jǐn)?shù)分布Figure 5 Distribution of gas volume fraction at different axial flow rates at axial section

在設(shè)計(jì)鼓泡管路時(shí)首要考慮的是如何提高氣、液兩相的湍流動(dòng)能。湍流動(dòng)能的大小可側(cè)面反映不斷潰滅的氣泡所產(chǎn)生的坍塌能量[12]。氣體在液體中的體積分?jǐn)?shù)和氣泡坍塌產(chǎn)生的能量具有一定的相關(guān)性。

由圖6可知，隨著氣流流速的增加，氣流流速和湍流動(dòng)能呈正相關(guān)，在噴氣孔上方的液面，由于氣流和氣泡破裂爆炸的共同作用，湍流動(dòng)能和湍流耗散率均達(dá)到峰值，二者具有一定的相關(guān)性[19]。湍流耗散率越大，表示單位質(zhì)量?jī)上嗔黧w混合越劇烈，傳質(zhì)越充分。

圖6 不同氣流速度在液面的湍流動(dòng)能和湍流耗散率Figure 6 The turbulent flow energy and turbulent dissipation rate of different gas flow rates at the liquid level

湍流動(dòng)能表達(dá)式為：

(7)

通過(guò)分析不同氣流流速下的垂直高度氣體體積分?jǐn)?shù)、液面處湍流動(dòng)能和湍流耗散率分布情況可知，氣流流速為2 m/s時(shí)，氣體體積分?jǐn)?shù)、湍流動(dòng)能和湍流耗散率較低，水面波動(dòng)低，氣液兩相混合不劇烈。氣流流速為10 m/s 時(shí)，氣體體積分?jǐn)?shù)、湍流動(dòng)能和湍流耗散率較高，氣流分布不均勻，氣液兩相混合劇烈，因此，清洗槽內(nèi)氣流速度應(yīng)控制在2～10 m/s。

由圖7可知，選定氣流速度8 m/s作為參考，在40 cm 的分流管中，當(dāng)噴氣孔徑間隔為6 cm時(shí)，湍流動(dòng)能有明顯的上升趨勢(shì)，出現(xiàn)峰值，此時(shí)噴氣孔在分流管上的分布均勻性最好，為湍流動(dòng)能的形成提供了有利條件。當(dāng)孔徑R=12 mm，噴氣孔徑間隔L=3，4，5 cm時(shí)，湍流動(dòng)能明顯低于正常情況下的水平。因噴氣孔數(shù)量和氣流流量的增加，噴氣孔噴出的氣體在液體中形成了氣流柱，帶走了大部分動(dòng)能，因此液面處的湍流動(dòng)能明顯低于正常水平。

圖7 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下液面處的湍流動(dòng)能分布Figure 7 Distribution of turbulent flow energy at the liquid surface under different structural parameters

由圖8可知，在噴氣孔氣流速度不變的情況下，隨著噴氣孔間隔的增加，孔徑數(shù)量和分流管進(jìn)氣口氣體的氣流流量呈遞減趨勢(shì)。由圖9可知，當(dāng)孔徑間隔為7 cm時(shí)，湍流動(dòng)能的轉(zhuǎn)化率出現(xiàn)峰值。不同的結(jié)構(gòu)中，孔徑為6 mm，孔徑間隔為7 cm的湍流動(dòng)能轉(zhuǎn)化率最高。結(jié)合圖7可知，孔徑為6 mm，孔徑間隔為7 cm的湍流動(dòng)能處于峰值之下，但下降緩慢。圖6表明氣流流量在一定范圍內(nèi)增加，湍流動(dòng)能與其呈正相關(guān)。綜上，噴氣口徑R=6 mm、噴氣孔徑間距L=7 cm、管長(zhǎng)Lr=40 cm為最優(yōu)鼓泡管路結(jié)構(gòu)。

圖8 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下分流管的氣流流量Figure 8 Diverter airflow under different structural parameters

圖9 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下湍流動(dòng)能與流量的比值Figure 9 Ratio of turbulent flow energy to flow under different structural parameters

2 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

2.1 試驗(yàn)裝置

根據(jù)鼓泡管路的數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合實(shí)際情況確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，搭建如圖10所示的試驗(yàn)平臺(tái)，包括風(fēng)機(jī)、分流口和氣體流量計(jì)等結(jié)構(gòu)。因分流管浸沒(méi)在清洗水槽中，無(wú)法使用現(xiàn)有測(cè)量工具在水下進(jìn)行測(cè)量噴氣口附近的氣流速度。通過(guò)對(duì)氣體流量計(jì)數(shù)值的控制，可以得到流道內(nèi)部速度分布數(shù)據(jù)[20]。

1. 分流管 2. 噴氣孔 3. 氣體流量計(jì) 4. 主流管 5. 分流閥6. 風(fēng)機(jī)

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

試驗(yàn)以鯽魚為驗(yàn)證魚類，每條魚重量在0.25～0.30 kg。根據(jù)魚類加工工藝流程，將鮮活鯽魚除磷、去內(nèi)臟以及去魚鰓等處理，再進(jìn)行清洗試驗(yàn)。

目前魚類清洗行業(yè)沒(méi)有統(tǒng)一的清洗效果判斷標(biāo)準(zhǔn)，多是通過(guò)肉眼觀察清洗后魚體是否殘留魚鱗、血水、內(nèi)臟殘留物等雜質(zhì)來(lái)定性評(píng)判清洗效果。因此，制定如表1所示的魚類清洗效果評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)表，評(píng)分越高說(shuō)明清洗效果越好。

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

以清洗時(shí)間、氣流流量、清洗量為影響因素，設(shè)計(jì)L9(34)的正交試驗(yàn)[21]。試驗(yàn)因素與水平表見表2，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表1 評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

由表4可知，A、B、C對(duì)綜合指標(biāo)的影響顯著(P<0.05)，其影響順序?yàn)锳>C>B，與直觀分析結(jié)果一致。因此，最優(yōu)清洗組合參數(shù)為A3B2C2，即清洗時(shí)間170 s、氣流流量142 L/min，清洗量1.5 kg，該條件下的清洗效果評(píng)分為92分，清洗后的鯽魚可滿足包裝要求。

3 結(jié)論

從仿真結(jié)果可見，鼓泡管路中氣流速度與氣液兩相流的氣體體積分?jǐn)?shù)、湍流動(dòng)能、湍流耗散率呈正相關(guān)性。鼓泡管路的孔距、孔徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)氣泡大小、均勻性及能量轉(zhuǎn)換具有較大影響。試驗(yàn)表明，清洗時(shí)間、氣流流量、清洗量對(duì)魚類的洗凈率影響顯著。試驗(yàn)只對(duì)單個(gè)鼓泡管路進(jìn)行了數(shù)值模擬與試驗(yàn)，沒(méi)有對(duì)多管路進(jìn)行數(shù)值模擬，其適用范圍有局限性。由于試驗(yàn)清洗裝置結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，傳感器種類和數(shù)量較少，難以對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行定量驗(yàn)證。后續(xù)可對(duì)多管路清洗流場(chǎng)或單鼓泡管路氣液固三相流場(chǎng)的特性進(jìn)行研究。

表2 試驗(yàn)因素與水平Table 2 Factors and levels of orthogonal test

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of orthogonal test

表4 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析Table 4 Analysis of orthogonal test data