水射流式水下洗網(wǎng)機清洗囊網(wǎng)的效率研究*

張小明，詹春毅

近年來，隨著網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展[1]，養(yǎng)殖水質(zhì)的惡化日趨嚴重。囊網(wǎng)由于大量絲狀藻類等附著物的迅速繁生而堵塞網(wǎng)眼[2-3]，造成網(wǎng)箱的濾水性能降低，使網(wǎng)箱內(nèi)水流不暢而導致溶氧量降低、波動變大，致使網(wǎng)箱中的魚類因缺氧或濾食不到浮游生物而生長不良，導致魚病頻發(fā)，養(yǎng)殖魚品質(zhì)下降[4]。養(yǎng)殖水環(huán)境的惡化[5]，已經(jīng)成為制約我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)健康持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。

囊網(wǎng)的清洗成為深水網(wǎng)箱內(nèi)水環(huán)境物理修復的關(guān)鍵。目前國外的大部分洗網(wǎng)機主要以高壓水清洗為主[6]。國內(nèi)對囊網(wǎng)清洗設備還沒有進行過系統(tǒng)的研究[7-8]。由于深水網(wǎng)箱[9]遠離岸邊，岸電供應十分困難，國內(nèi)洗網(wǎng)機[10]的發(fā)展應該朝著水動力[11]及太陽能電力驅(qū)動的方向發(fā)展。洗網(wǎng)機[8]采用自旋轉(zhuǎn)水射流實現(xiàn)深水網(wǎng)箱的囊網(wǎng)清洗。旋轉(zhuǎn)噴頭[12-13]由于旋轉(zhuǎn)作用[14]，高壓水射流循環(huán)噴射在囊網(wǎng)附著物的各個點上，在足夠大的交變應力下，囊網(wǎng)附著物逐漸擴展至斷裂脫落，完成清洗任務[15]。水射流式水下洗網(wǎng)機水動力學理論分析表明其清洗效果顯著，射流打擊力足夠擊落囊網(wǎng)附著物。然而，現(xiàn)有的理論[16-17]尚缺少實驗的論證。

文章旨在實驗論證分析水射流式水下洗網(wǎng)機旋轉(zhuǎn)的清洗效率，為水射流式水下洗網(wǎng)機提供水力學設計實驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 主要設備

如圖1所示，水射流式水下洗網(wǎng)機[18]是利用歧管實現(xiàn)轉(zhuǎn)動式清洗囊網(wǎng)的一種水動力裝備。將高壓水泵的出水口連接于高壓密封螺帽4，高壓水泵運轉(zhuǎn)時，高壓水流由高壓導管軸3的內(nèi)孔水流通道，到達歧管2，高壓水流從安裝在前擋板1的噴嘴5斜向噴出（根據(jù)圖1右中歧管2端部的傾斜角結(jié)構(gòu)得出），依靠高壓水流射出時作用于噴嘴5上的水流推力，固定噴嘴5的前檔板1迅速旋轉(zhuǎn)，并使得的4個噴嘴5噴射出高壓水柱，沖洗囊網(wǎng)。水射流式水下洗網(wǎng)機所噴射出的水流是旋轉(zhuǎn)射出的，所以對囊網(wǎng)的清洗作用力和面積更大。另外，設置在前擋板1外圈上的螺旋槳6，也一并旋轉(zhuǎn)，螺旋槳6上的葉片在旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生水流反作用力，促使水射流式水下洗網(wǎng)機在運行過程中緊靠囊網(wǎng)，大大減輕了工人的勞動強度、增強了清洗囊網(wǎng)附著物的效果。

圖1 水射流式水下洗網(wǎng)機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural sketch of high-pressure jet underwater netting-wash?ing machine

1.2 試驗方法

（1）將四張2 m×3 m的網(wǎng)片放置在深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)，完全沒入海水一段時間后，網(wǎng)片上長滿附著物(附著物主要組成為藻類與貝類)。

試驗時，將網(wǎng)片從水中取出，連同框架和網(wǎng)片一起稱重，并對網(wǎng)片進行編號（見圖2）和拍照。

（2）將整個框架放入水下；操作人員水下手持水下洗網(wǎng)機，對網(wǎng)片進行單面的水平往復式清洗。

（3）操作人員拉緊繩子，示意清洗開始，用秒表記錄清洗時間；將清洗后的網(wǎng)片從水中取出，連同框架和網(wǎng)片一起再次稱重(從水面取出時間與步驟（1）的時間相同)；對清洗后的網(wǎng)片再次拍照。

圖2 網(wǎng)片布置圖Fig.2 Layout of nettings

（4）在平臺上對清洗過的網(wǎng)片再次清洗，直至徹底清洗干凈后連同框架和網(wǎng)片放入水中后再次取出第三次稱重(從水面取出時間與步驟（1）的時間相同)；對徹底清洗干凈的網(wǎng)片第三次拍照。

（5）重復步驟（1）～（4），針對水下洗網(wǎng)機不同移動速度（0.02 m/s，0.03 m/s），不同水深（1 m，3 m）對1號至4網(wǎng)片分別進行清洗。

（6）洗凈率計算公式如下：

其中：η—洗凈率；

M1—清洗前(長滿附著物)網(wǎng)片的質(zhì)量，單位為kg；

M2—徹底清洗干凈后(無附著物)網(wǎng)片的質(zhì)量，單位為kg；

M3—清洗后(洗網(wǎng)機沖洗后)網(wǎng)片的質(zhì)量，單位為kg。

按公式(1)分別計算出1號至4號網(wǎng)片的洗凈率，同時注明每片網(wǎng)片的清洗時間。

分別列出1號至4號網(wǎng)片的照片：①徹底清洗干凈后(無附著物)網(wǎng)片；②清洗前(長滿附著物)網(wǎng)片；③清洗后(洗網(wǎng)機沖洗后)網(wǎng)片，作視覺比較。

2 結(jié)果與討論

圖3列出4號網(wǎng)片的照片：①徹底清洗干凈后(無附著物)網(wǎng)片；②清洗前(長滿附著物)網(wǎng)片；③清洗后(洗網(wǎng)機沖洗后)網(wǎng)片。

圖3 水下洗網(wǎng)機清洗網(wǎng)片F(xiàn)ig.3 Cleaning netting by the water jet underwater netting-washing machine

如圖4所示，附著物主要組成為藻類與貝類，藻類簇密度為150簇/㎡，簇平均長度為54 mm，其中附著力較強的為貝類。從圖3可以看出，網(wǎng)片經(jīng)水射流式水下洗網(wǎng)機清洗后，絕大部分藻類被水射流式水下洗網(wǎng)機沖洗干凈，所有貝類被水射流式水下洗網(wǎng)機的射流打擊力擊落。水射流式水下洗網(wǎng)機是采用旋轉(zhuǎn)的水射流打擊網(wǎng)片上的附著物，比非旋轉(zhuǎn)的射流打擊力更大[16]，對囊網(wǎng)附著物清洗作用力更大，效果更好。水下洗網(wǎng)機的4個噴嘴均勻地布置在轉(zhuǎn)盤上，并與轉(zhuǎn)盤軸成一定傾角；在水流作用力下，轉(zhuǎn)盤開始旋轉(zhuǎn)，4個噴嘴交織射出的高壓水流作用于囊網(wǎng)。其高壓水流的作用面積比直射式的大，且是圓面。試驗結(jié)果表明設計的水射流式水下洗網(wǎng)機單面清洗網(wǎng)片效果顯著，達到預期的設計目標，相對于傳統(tǒng)的更換囊網(wǎng)方式清洗囊網(wǎng)，清洗周期和效率大大提高了。

圖4 網(wǎng)片長滿附著物的近照Fig.4 Expanding netting picture covered with attachments

表1 囊網(wǎng)的水射流式水下洗網(wǎng)機單面清洗數(shù)據(jù)Tab.1 Single cleaning data of the netting by the water jet underwater netting-washing machine

依據(jù)表1的數(shù)據(jù)，可以看出水射流式水下洗網(wǎng)機單面清洗各網(wǎng)片的效果良好，計算得出四張網(wǎng)片的平均清洗效率為85.2%，平均清洗時間為655.2 s。傳統(tǒng)的更換囊網(wǎng)方式清洗囊網(wǎng)，清洗周期長、清洗成本高、效率低下。對比分析表明，水射流式水下洗網(wǎng)機清洗囊網(wǎng)效果好，周期短，成本低，效率高。

從表1中可以看出，網(wǎng)片3和4的洗凈率為83.8%和93.7%，明顯高于網(wǎng)片1和2的洗凈率。從圖2可知，網(wǎng)片3和4位于上層，網(wǎng)片1和2位于下層。由于網(wǎng)片的清洗是潛水人員潛入水中操作的，位于下層的網(wǎng)片1和2操作難度更大，結(jié)果導致下層網(wǎng)片的洗凈率低于上層的。因此，這種現(xiàn)象要求必須設計水射流式水下洗網(wǎng)機水下便攜式操作裝置代替人工操作。

3 結(jié)論

詳述了水射流式水下洗網(wǎng)機旋轉(zhuǎn)的清洗效率的實驗方法和步驟；

從現(xiàn)場清洗圖片上說明設計的水射流式水下洗網(wǎng)機單面清洗網(wǎng)片效果顯著，達到預期的設計目標；

從數(shù)據(jù)上說明設計的水射流式水下洗網(wǎng)機單面清洗網(wǎng)片效果顯著，洗凈率達到85.2%；

指出下一步的任務：設計水射流式水下洗網(wǎng)機水下便攜式操作裝置代替人工操作。

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