基于空化射流技術(shù)的養(yǎng)殖網(wǎng)箱水下清洗噴嘴數(shù)值模擬

林禮群，劉 平，王志勇

(1 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092； 2 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237)

養(yǎng)殖網(wǎng)箱長(zhǎng)時(shí)間浸泡在海水中常因藻類、貝類等附著物的繁衍滋生，容易堵塞網(wǎng)箱網(wǎng)眼造成網(wǎng)衣耐流能力減小、水體交換率降低，造成魚(yú)類圈養(yǎng)環(huán)境惡化，使養(yǎng)殖過(guò)程存在死亡率增加的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，附著物增加了養(yǎng)殖網(wǎng)箱重量與阻力，減少網(wǎng)衣使用壽命[1-3]。因此，網(wǎng)衣清洗是網(wǎng)箱養(yǎng)殖作業(yè)過(guò)程中的重要任務(wù)?，F(xiàn)階段，國(guó)外在網(wǎng)箱水下清洗多采用高壓水清洗方式，日本洋馬株式會(huì)社高壓射流網(wǎng)箱清洗機(jī)器人在多個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家大型養(yǎng)殖公司得到較好應(yīng)用，價(jià)格也較貴。中國(guó)網(wǎng)箱水下清洗設(shè)備一般使用人工攜帶電動(dòng)(或液動(dòng))旋轉(zhuǎn)刷或者高壓水沖洗網(wǎng)衣表面[4-7]。其中，旋轉(zhuǎn)刷不易去除堅(jiān)硬污物，容易磨損網(wǎng)衣，影響網(wǎng)衣使用壽命；人工攜帶高壓水清洗機(jī)沖洗由于反沖力作用易造成安全隱患，效率較低。隨著海水養(yǎng)殖由近海走向深遠(yuǎn)海發(fā)展趨勢(shì)[8-9]，安全、高效、節(jié)能的網(wǎng)箱水下清洗技術(shù)是深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖發(fā)展的裝備支撐條件之一。

空化射流清洗技術(shù)是近年來(lái)廣受關(guān)注的一種新型清洗方式。利用大量的空化泡在物體表面局部微小區(qū)域潰滅產(chǎn)生的強(qiáng)大微射流沖擊力而達(dá)到清洗堅(jiān)硬污垢和附著海生物的目的，具有高效、節(jié)能的特點(diǎn)[10]。目前該技術(shù)在油氣化工、金屬材料表面強(qiáng)化、清洗除銹和生化環(huán)保等領(lǐng)域都具有一定的應(yīng)用[11-14]?？栈瘒娮焓切纬煽栈淞鞯年P(guān)鍵元件，對(duì)其幾何形狀、物理參數(shù)分析研究對(duì)空化效果具有重要意義。關(guān)于空化射流清洗技術(shù)研究，數(shù)值模擬方法因利用成熟的數(shù)值仿真軟件借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力對(duì)控制方程進(jìn)行求解，節(jié)省了時(shí)間和精力，是目前空化技術(shù)的重要研究方法。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)水射流技術(shù)和空化技術(shù)進(jìn)行了大量的研究工作[15-18]，其研究成果主要針對(duì)上述石油化工、金屬表面強(qiáng)化、清洗除銹等領(lǐng)域,圍繞空化產(chǎn)生機(jī)理、模型算法、噴嘴幾何參數(shù)優(yōu)化等方面展開(kāi)，但在針對(duì)網(wǎng)箱養(yǎng)殖領(lǐng)域空化射流水下清洗方面鮮有報(bào)道。

基于流體計(jì)算仿真軟件Fluent，通過(guò)數(shù)值模擬得到了清洗噴嘴流場(chǎng)和氣相體積分?jǐn)?shù)的分布規(guī)律，并研究了噴嘴入口壓力和清洗深度對(duì)空化射流空化程度的影響，為空化射流技術(shù)在網(wǎng)箱養(yǎng)殖水下清洗研究提供一定參考。

1 網(wǎng)箱水下清洗機(jī)器人介紹

養(yǎng)殖網(wǎng)箱水下清洗機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1a，水下載體由輪式行走機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)清洗盤(pán)(清洗盤(pán)內(nèi)布置有3個(gè)空化噴嘴)、推力吸附螺旋槳、框架、浮力模塊、密封艙模塊等組件組成，通過(guò)臍帶纜連接水上電源、通信與高壓泵裝置組成的操控系統(tǒng)執(zhí)行對(duì)水下清洗作業(yè)操控。其中，網(wǎng)衣表面的吸附與清洗是通過(guò)推力吸附螺旋槳與空化水射流旋轉(zhuǎn)清洗盤(pán)共同作用實(shí)現(xiàn)，如圖1b所示，水上高壓水泵出口高壓水經(jīng)過(guò)軟管依次進(jìn)入導(dǎo)流軸、高壓水出水管，最后經(jīng)空化噴嘴高速射出打擊網(wǎng)衣，同時(shí)產(chǎn)生射流反作用力，該作用力一方面作用于清洗盤(pán)使其旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生更好的清洗效果，另一方面帶動(dòng)與導(dǎo)流軸為一體的推力吸附螺旋槳軸旋轉(zhuǎn)，螺旋槳產(chǎn)生垂直指向網(wǎng)衣清洗面的推力，對(duì)清洗表面產(chǎn)生吸附作用。其中清洗機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)高效清洗的關(guān)鍵在于與網(wǎng)箱清洗工況條件匹配的清洗系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)，具體涉及清洗系統(tǒng)泵壓參數(shù)、清洗深度、噴嘴的幾何參數(shù)與布置方式等，因此，合理設(shè)計(jì)清洗噴嘴物理參數(shù)是實(shí)現(xiàn)水下清洗與吸附功能的重要因素。

圖1 養(yǎng)殖網(wǎng)箱水下清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Diagram of the structure of cage underwater cleaning robot

2 數(shù)學(xué)模型

空化射流涉及多相流模型，采用混合模型，聯(lián)合水汽兩相Zwart-Gerber-Belamri空化模型求解，通過(guò)求解混合相的連續(xù)方程、動(dòng)量方程和第二相體積分?jǐn)?shù)方程和空化模型的數(shù)學(xué)方程，對(duì)空化射流角型噴嘴內(nèi)流進(jìn)行數(shù)值模擬。其連續(xù)方程為[14]：

(1)

式中：ρm—混合相密度，kg/m3；t—時(shí)間，s；vm—質(zhì)量平均速度，m/s；m—質(zhì)量傳遞，kg/(m3·s)。動(dòng)量方程為：

(2)

式中：p—壓力，Pa；μm—混合相黏度，Pa.s；g—重力加速度，m/s2；F—體積力，N；n—相數(shù)；ak—第k相的體積分?jǐn)?shù)；ρk—第k相密度，kg/m3；vdr,k—第k相漂移速度，m/s2。

第二相體積分?jǐn)?shù)方程為：

(3)

式中：ap氣相加速度，m/s2；ρp為氣相密度，kg/m3；vdr,p為氣相漂移速度，m/s2。

3 物理模型

3.1 噴嘴幾何模型

對(duì)噴嘴圓柱段直徑進(jìn)行理論計(jì)算，設(shè)高壓水泵輸出壓力為P=20 MPa，流量為90 L/min，即空化噴嘴入口壓力為20 MPa，由于清洗盤(pán)布置了兩個(gè)噴嘴，則噴嘴流量取Q=30 L/min，流量系數(shù)μ值取0.6，依據(jù)高壓水泵與流量最佳匹配，可以近似計(jì)算噴嘴圓柱段直徑d[19]：

(4)

考慮到高壓水泵出口至噴嘴入口管路沿程壓力損失，噴嘴圓柱段直徑要減小0.1～0.3 mm為好[20]，所以噴嘴圓柱段實(shí)際直徑為d=2.3-0.3=2 mm。清洗噴嘴擬采用空化效果較好的角型噴嘴，噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，收縮角取公認(rèn)的最佳值13.5 °，擴(kuò)散角取為60 °[21]，圓柱段直徑d=2 mm，圓柱段、收縮段、擴(kuò)散段長(zhǎng)度分別取為4 mm、5 mm、6 mm，噴嘴入口直徑6 mm、長(zhǎng)2 mm。

圖2 噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the inner nozzle

3.2 邊界條件與網(wǎng)格劃分

計(jì)算流場(chǎng)域如圖3所示，考慮到噴嘴具有軸對(duì)稱幾何特性，所以在模擬時(shí)取整個(gè)流場(chǎng)二維模型的一半?yún)^(qū)域進(jìn)行模擬計(jì)算。運(yùn)用Ansys Workbench軟件建立噴嘴和流場(chǎng)區(qū)域二維模型與網(wǎng)格劃分，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格質(zhì)量檢驗(yàn)，二維模型通過(guò)劃分有233 106個(gè)網(wǎng)格，檢查網(wǎng)格正交質(zhì)量為0.999，最小體積為正，表明網(wǎng)格質(zhì)量非常好，可以進(jìn)行模擬計(jì)算。邊界條件為兩個(gè)壓力入口和一個(gè)壓力出口。其中，噴嘴入口壓力、流場(chǎng)入口與出口壓力根據(jù)清洗系統(tǒng)壓力與清洗水深不同分別設(shè)置。由于流動(dòng)過(guò)程為圓口射流的湍流，選用Realizable k-ε湍流模型較適合，可以給出更好的射流擴(kuò)展角，近壁區(qū)域采用增強(qiáng)壁面函數(shù)法對(duì)其處理，該方法能較好地應(yīng)用于復(fù)雜流動(dòng)及低Re區(qū)的流動(dòng)。

圖3 流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域與邊界Fig.3 Calculation area and boundary of flow field

4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

4.1 噴嘴入口壓力對(duì)流場(chǎng)速度與空化的影響

圖4是在深度10 m條件下，不同噴嘴入口壓力條件下所得流場(chǎng)速度分布云圖，圖中可以看出不同壓力下的速度流場(chǎng)分布基本一致，流速在噴嘴圓柱段前后迅速增大，沿軸向形成一定范圍的等速勢(shì)流核，勢(shì)流核最大值隨壓力增大而明顯增大，且軸向流速隨著軸向距離的增加而不斷衰減。結(jié)合圖5知，隨著壓力的增大，噴嘴入口壓力從10 MPa到40 MPa變化時(shí)，軸線上最大速度由150 m/s增至303 m/s，且保持大流速的軸向范圍也有所增加，但是增加幅度不大，也就是說(shuō)對(duì)有效清洗靶距的影響不大。表面污物清洗是打擊力與清洗靶距的共同作用效果，根據(jù)能量守恒原理，較高壓力通過(guò)噴嘴能夠轉(zhuǎn)化獲得較高動(dòng)能，當(dāng)高速流體作用于清洗表面，把射流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為清洗打擊力，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的清洗。因此，提高噴嘴壓力是實(shí)現(xiàn)物體表面清洗的途徑之一。但噴嘴入口壓力的增大，表示清洗系統(tǒng)泵壓加大，影響系統(tǒng)成本、密封性能、水下潛器平穩(wěn)性等，需綜合考慮多方面因素條件選擇合適的泵壓。

圖4 不同壓力下流場(chǎng)速度分布云圖Fig.4 Contours of velocity under different pressure condition

圖5 軸線上速度變化Fig.5 Velocity variation on the axis

圖6是深度為10 m條件下，不同噴嘴入口壓力條件下氣相體積分布云圖，由圖6可知，噴嘴出口均產(chǎn)生了空化氣泡，且主要產(chǎn)生于噴嘴圓擴(kuò)張段壁面內(nèi)。隨著壓力的增加，氣相體積分?jǐn)?shù)也隨之增大，范圍逐步增大，當(dāng)噴嘴入口壓力為10 MPa時(shí)，最大氣相體積分?jǐn)?shù)為0.69，當(dāng)噴嘴入口壓力為40 MPa時(shí)，最大氣相體積分?jǐn)?shù)增至0.99，顯然，空化程度逐漸加強(qiáng)?？栈漠a(chǎn)生可以獲得更好的沖蝕性能，提高清洗能力，因此，增大噴嘴入口壓力也是空化產(chǎn)生的有效方法之一。

4.2 清洗深度對(duì)空化的影響

圖7是噴嘴入口壓力為20 MPa條件下，不同水深圍壓條件下氣相體積分布云圖。其中，圖7a是深度為0(剛好淹沒(méi))條件下所得氣相體積分?jǐn)?shù)，圖中可看出，相比其他深度的氣相分?jǐn)?shù)分布情況，此時(shí)空化效果最為明顯，氣相體積分?jǐn)?shù)及分布范圍都最大。結(jié)合圖8知，隨著水深的增加，氣相體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，空化范圍逐步減小，氣相體積分?jǐn)?shù)由0.97減至0.66，且減小速率逐漸變緩，直至趨于不變，即當(dāng)水深達(dá)到20 m后，深度對(duì)空化射流影響逐漸減弱。實(shí)際養(yǎng)殖網(wǎng)箱大多置于水深30 m內(nèi)，由于水深對(duì)空化影響，在其他參數(shù)條件不變情況下，深水處的網(wǎng)衣清洗效率和效果會(huì)明顯低于淺水處，由于水深環(huán)境不可改變，可通過(guò)改變系統(tǒng)泵壓、噴嘴幾何參數(shù)、噴嘴數(shù)量與布置方式、清洗靶距等清洗條件因素來(lái)提高清洗效率。

圖6 不同噴嘴入口壓力條件下氣相體積分布云圖Fig.6 Contours of vapor volume fraction under different nozzle inlet pressure

圖7 不同水深條件下氣相體積分布云圖Fig.7 Contours of vapor volume fraction under different water depth

圖8 氣相體積分布隨水深變化曲線Fig.8 Curve of vapor volume fraction with water depth

5 結(jié)論

空化射流速度以及空化程度隨壓力增大而明顯增大，軸向流速隨著軸向距離的增加而不斷衰減，但水深的增加會(huì)削弱空化程度，降低清洗效率。在實(shí)際工程應(yīng)用中，為了產(chǎn)生較好的空化效果，提高清洗效率，可通過(guò)改變系統(tǒng)泵壓、噴嘴幾何參數(shù)、噴嘴數(shù)量與布置方式、清洗靶距等因素來(lái)提高清洗效率。

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