基于法拉第波的水面漂浮物收集系統(tǒng)設(shè)計*

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

0 引言

當前綠色生態(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，容易受水面波動影響，在水面上分布廣泛。這類漂浮物的整個打撈工作費時費力，很難有專門人員進行針對性清理，只有在水面漂浮物越積越多，到最后嚴重影響到周邊的環(huán)境，給附近居民帶來生活上的不適時，才會開展打撈[1-3]。

國內(nèi)外的研究者對水面漂浮物收集裝置的設(shè)計方案有很多，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應(yīng)的成熟方案。劉廣濤、王繼榮等人研究為了更好地對陸地和水面的漂浮物進行清理，采用現(xiàn)代機械設(shè)計方法對水陸兩棲清潔車進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計[4]。彎昭鋒等人以長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)計提出了一種針對城市內(nèi)水域的自動水面除污裝置[6]。湯偉、朱永強、張凱等也通過人工智能技術(shù)、子母船協(xié)同等對小區(qū)域及中大型區(qū)域水面設(shè)計了垃圾回收裝置的相關(guān)控制算法[7-9]。

但目前研究設(shè)計的這些裝置主要是針對大區(qū)域水面垃圾的回收，且都是以機械式為主，設(shè)計出的裝置體型都比較大，一般難以進入像市內(nèi)公園等景觀小區(qū)域水面進行漂浮物的清理，即使可以進入也容易對水體內(nèi)生物產(chǎn)生二次傷害。因此，設(shè)計一種高效便捷、能夠收集小區(qū)域水面垃圾，同時減小對水體生物影響的水面漂浮物自動收集裝置具有重大經(jīng)濟價值和現(xiàn)實意義。

1 法拉第波原理

液體隨著容器垂直上下振動，在液體表面會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 對流、Taylor-Couette 流一起構(gòu)成流體力學(xué)三大不穩(wěn)定性難題，國內(nèi)外很多學(xué)者對Faraday 波開展了非常多的研究[12-15]。

特定頻率范圍的振動源垂直的在水面震動時，會使水面發(fā)生擾動，在流體表面會形成非線性的表面駐波。如果以一個特定的頻率持續(xù)地打擊水面，便會在水面生成周期性的駐波，這些駐波在流動過程忽略障礙物的影響，便會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過程中的方向是一致的。由于運動方向一致，這些水平旋渦在流動過程中會形成一個向外噴射狀的穩(wěn)態(tài)大渦流，且使得在振動源兩側(cè)回饋形成補償回流渦流。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，這種流動就可以帶動水面上的漂浮物運動，讓漂浮物朝著振動源的方向運動，最終聚集在振動源附近，如圖1 所示[14]。如果改變頻率，便可以得到不同波長和振幅的水波，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埃瑸榱藢⒘黧w運動可視化，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，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，流速就會發(fā)生明顯變化；隨著調(diào)制增長，交叉波不穩(wěn)定性將波前破壞成傳播脈沖串，波場變成三維。因此，可以簡單地通過改變制波器的振幅來逆轉(zhuǎn)浮體的運動，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。當達到調(diào)制不穩(wěn)定閾值時，流量突然反轉(zhuǎn)，向內(nèi)的噴射速度在較高的強制水平下飽和，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)液面無界和振子無限長，由于圓柱形振子做周期運動，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，g 為加速度常數(shù)，h 為振動源與水面的接觸距離，T 為振動周期，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 為聚攏時間，x 為漂浮物相對距離，z 為水波距振源距離，ω 為渦流速度。通過式（4），可以得出產(chǎn)生水波的波長、波速和周期，從而計算出相應(yīng)的頻率，并進一步可以計算漂浮物的收集范圍和收集時間。

2 電路系統(tǒng)設(shè)計

2.1 電路設(shè)計思路

根據(jù)第1 節(jié)中介紹的相關(guān)原理，本文設(shè)計的基于法拉第波小區(qū)域水面漂浮物自動回收裝置主要由行進系統(tǒng)、漂浮物聚攏系統(tǒng)、收集存儲系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)以及電路控制系統(tǒng)等組成。行進系統(tǒng)主要由電機控制馬達、螺旋槳的轉(zhuǎn)速和方向，從而控制裝置的行進速度和方向，行進系統(tǒng)和普通的船體在水面上的行進系統(tǒng)類似。漂浮物聚攏系統(tǒng)則由法拉第波的聚攏模塊和機械的打撈模塊組成。收集存儲系統(tǒng)由收集傳送帶和鏤空式的垃圾存儲箱組成，漂浮物通過傳送帶從水面運動到垃圾存儲箱中，當存儲箱滿載時，裝置返回，進行人工清理。無線遙控系統(tǒng)實現(xiàn)紅外線自動避障，同時通過單片機實現(xiàn)遠程控制裝置的行進速度和方向，以及實時反饋存儲箱中垃圾的收集量、電量等實時數(shù)據(jù)。電路控制系統(tǒng)由蓄電池和太陽能供電系統(tǒng)組成。

整個裝置采用太陽能和蓄電池供電，以單片機為控制核心，通過單片機發(fā)出指令驅(qū)動電機，使裝置在水面上進行行進與加速以及方向的控制，同時通過紅外線避障模塊進行接收與發(fā)送信號，避開水面上的障礙物并進行水面漂浮物的尋找。當發(fā)現(xiàn)水面漂浮物垃圾后，減速器開始工作，停止電機的轉(zhuǎn)動，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，再通過收集裝置傳送帶從水面?zhèn)魉偷酱鎯ο渲?，完成整個漂浮物打撈的過程。顯示模塊實時的顯示裝置的速度、電量以及漂浮物的存儲容量等信息，以便工作人員更好地控制裝置。裝置整體設(shè)計如圖3 所示。

圖3 水面漂浮物自動回收裝置整體設(shè)計框圖

2.2 驅(qū)動電路設(shè)計

驅(qū)動電路包含行進模塊的電機驅(qū)動電路和法拉第波聚攏模塊的浮子振動電路。電機驅(qū)動電路采用的驅(qū)動器WSDC2412D 是一款12 A/24 V 雙直流有刷電機驅(qū)動器，是專門為低壓直流電機設(shè)計的。驅(qū)動器的主要功能是根據(jù)單片機發(fā)出的控制指令，通過驅(qū)動器的控制協(xié)議，輸出對應(yīng)的PWM 波驅(qū)動電機運動。浮子振動電路的主要功能是根據(jù)式（4）的相關(guān)計算，通過單片機控制振動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距離水面漂浮物的能力。本文中設(shè)計的振動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，通過單片機按照給定設(shè)置的頻率信號給推拉式直流電磁鐵供電，通電時鐵芯推動負載，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)頻率和波長的水波。驅(qū)動器與電機、單片機、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，完全符合本系統(tǒng)的設(shè)計需求。

圖4 電機驅(qū)動浮子振動電路

3 實驗測試

根據(jù)法拉第波具有獲取遠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)計了實驗樣機。采用控制變量法，通過設(shè)置振動源的頻率、漂浮物的距離等參數(shù)在某小區(qū)小區(qū)域水面進行了進行了一系列的實驗，來測試該裝置收集水面漂浮物的能力。通過實驗測試，收集了大量的數(shù)據(jù)，部分數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 回收裝置實驗測試部分數(shù)據(jù)一覽表

由表1 實驗測試數(shù)據(jù)可以看出，裝置浮子振動電路產(chǎn)生的法拉第波對小區(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%。通過調(diào)整頻率、移動樣機與漂浮物間的距離，可以將回收裝置的收集效率保持在80%以上。

在振動頻率為20 Hz 條件下，通過式（1）可得：波長=29 μm，通過MATLAB 數(shù)據(jù)處理可得法拉第波速度（v）和浮子振動加速度（a）關(guān)系如圖5 所示。由圖5 分析可知，振動頻率為20 Hz 條件下對于水波的流動過程而言，由于存在相干波的存在，使得有一個臨界加速度。當渦流加速度低于臨界加速度時，在相干波流的作用下，水波渦流會朝著遠離振源方向運動，當渦流加速度高于臨界加速度時，水波渦流會朝著靠近振源方向運動。如果此時漂浮物處在渦流返回運動的路勁上，便能在渦流的作用下聚攏到漂浮物中，聚攏時的速度會越來越快。

圖5 20 Hz 頻率下v-a 關(guān)系圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計的基于法拉第波的水面漂浮物收集系統(tǒng)，通過單片機輸出特定的頻率到振動源，使與振動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)的軌跡運動到收集裝置上，從而便于水面垃圾的打撈收集。筆者設(shè)計了實驗樣機，并利用MATLAB 進行數(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現(xiàn)方式。

樣機的實驗測試結(jié)果表明，法拉第波可實現(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水體的污染，從而對水體環(huán)境實現(xiàn)有效保護，對未來的小區(qū)域水面治理具有一定的價值。