基于空化射流技術的養(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 中國水產科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092； 2 青島海洋科學與技術國家實驗室，山東 青島 266237)

養(yǎng)殖網(wǎng)箱長時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，造成魚類圈養(yǎng)環(huán)境惡化，使養(yǎng)殖過程存在死亡率增加的風險。同時，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)過程中的重要任務。現(xiàn)階段，國外在網(wǎng)箱水下清洗多采用高壓水清洗方式，日本洋馬株式會社高壓射流網(wǎng)箱清洗機器人在多個發(fā)達國家大型養(yǎng)殖公司得到較好應用，價格也較貴。中國網(wǎng)箱水下清洗設備一般使用人工攜帶電動(或液動)旋轉刷或者高壓水沖洗網(wǎng)衣表面[4-7]。其中，旋轉刷不易去除堅硬污物，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)殖由近海走向深遠海發(fā)展趨勢[8-9]，安全、高效、節(jié)能的網(wǎng)箱水下清洗技術是深遠海養(yǎng)殖發(fā)展的裝備支撐條件之一。

空化射流清洗技術是近年來廣受關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)域潰滅產生的強大微射流沖擊力而達到清洗堅硬污垢和附著海生物的目的，具有高效、節(jié)能的特點[10]。目前該技術在油氣化工、金屬材料表面強化、清洗除銹和生化環(huán)保等領域都具有一定的應用[11-14]。空化噴嘴是形成空化射流的關鍵元件，對其幾何形狀、物理參數(shù)分析研究對空化效果具有重要意義。關于空化射流清洗技術研究，數(shù)值模擬方法因利用成熟的數(shù)值仿真軟件借助計算機強大的計算能力對控制方程進行求解，節(jié)省了時間和精力，是目前空化技術的重要研究方法。近年來國內外研究者對水射流技術和空化技術進行了大量的研究工作[15-18]，其研究成果主要針對上述石油化工、金屬表面強化、清洗除銹等領域,圍繞空化產生機理、模型算法、噴嘴幾何參數(shù)優(yōu)化等方面展開，但在針對網(wǎng)箱養(yǎng)殖領域空化射流水下清洗方面鮮有報道。

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

1 網(wǎng)箱水下清洗機器人介紹

養(yǎng)殖網(wǎng)箱水下清洗機器人主要結構見圖1a，水下載體由輪式行走機構、旋轉清洗盤(清洗盤內布置有3個空化噴嘴)、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推力吸附螺旋槳與空化水射流旋轉清洗盤共同作用實現(xiàn)，如圖1b所示，水上高壓水泵出口高壓水經過軟管依次進入導流軸、高壓水出水管，最后經空化噴嘴高速射出打擊網(wǎng)衣，同時產生射流反作用力，該作用力一方面作用于清洗盤使其旋轉產生更好的清洗效果，另一方面帶動與導流軸為一體的推力吸附螺旋槳軸旋轉，螺旋槳產生垂直指向網(wǎng)衣清洗面的推力，對清洗表面產生吸附作用。其中清洗機器人能實現(xiàn)高效清洗的關鍵在于與網(wǎng)箱清洗工況條件匹配的清洗系統(tǒng)參數(shù)設計，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，合理設計清洗噴嘴物理參數(shù)是實現(xiàn)水下清洗與吸附功能的重要因素。

圖1 養(yǎng)殖網(wǎng)箱水下清洗機器人結構簡圖Fig.1 Diagram of the structure of cage underwater cleaning robot

2 數(shù)學模型

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，通過求解混合相的連續(xù)方程、動量方程和第二相體積分數(shù)方程和空化模型的數(shù)學方程，對空化射流角型噴嘴內流進行數(shù)值模擬。其連續(xù)方程為[14]：

(1)

式中：ρm—混合相密度，kg/m3；t—時間，s；vm—質量平均速度，m/s；m—質量傳遞，kg/(m3·s)。動量方程為：

(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相的體積分數(shù)；ρk—第k相密度，kg/m3；vdr,k—第k相漂移速度，m/s2。

第二相體積分數(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

對噴嘴圓柱段直徑進行理論計算，設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，由于清洗盤布置了兩個噴嘴，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，噴嘴內部結構示意圖如圖2所示，收縮角取公認的最佳值13.5 °，擴散角取為60 °[21]，圓柱段直徑d=2 mm，圓柱段、收縮段、擴散段長度分別取為4 mm、5 mm、6 mm，噴嘴入口直徑6 mm、長2 mm。

圖2 噴嘴內部結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the inner nozzle

3.2 邊界條件與網(wǎng)格劃分

計算流場域如圖3所示，考慮到噴嘴具有軸對稱幾何特性，所以在模擬時取整個流場二維模型的一半?yún)^(qū)域進行模擬計算。運用Ansys Workbench軟件建立噴嘴和流場區(qū)域二維模型與網(wǎng)格劃分，經過網(wǎng)格質量檢驗，二維模型通過劃分有233 106個網(wǎng)格，檢查網(wǎng)格正交質量為0.999，最小體積為正，表明網(wǎng)格質量非常好，可以進行模擬計算。邊界條件為兩個壓力入口和一個壓力出口。其中，噴嘴入口壓力、流場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置。由于流動過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展角，近壁區(qū)域采用增強壁面函數(shù)法對其處理，該方法能較好地應用于復雜流動及低Re區(qū)的流動。

圖3 流場計算區(qū)域與邊界Fig.3 Calculation area and boundary of flow field

4 數(shù)值模擬結果與分析

4.1 噴嘴入口壓力對流場速度與空化的影響

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速度分布云圖，圖中可以看出不同壓力下的速度流場分布基本一致，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流核，勢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，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，也就是說對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，較高壓力通過噴嘴能夠轉化獲得較高動能，當高速流體作用于清洗表面，把射流動能轉化為清洗打擊力，實現(xiàn)對物體的清洗。因此，提高噴嘴壓力是實現(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，噴嘴出口均產生了空化氣泡，且主要產生于噴嘴圓擴張段壁面內。隨著壓力的增加，氣相體積分數(shù)也隨之增大，范圍逐步增大，當噴嘴入口壓力為10 MPa時，最大氣相體積分數(shù)為0.69，當噴嘴入口壓力為40 MPa時，最大氣相體積分數(shù)增至0.99，顯然，空化程度逐漸加強。空化的產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生的有效方法之一。

4.2 清洗深度對空化的影響

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)條件下所得氣相體積分數(shù)，圖中可看出，相比其他深度的氣相分數(shù)分布情況，此時空化效果最為明顯，氣相體積分數(shù)及分布范圍都最大。結合圖8知，隨著水深的增加，氣相體積分數(shù)逐漸減小，空化范圍逐步減小，氣相體積分數(shù)由0.97減至0.66，且減小速率逐漸變緩，直至趨于不變，即當水深達到20 m后，深度對空化射流影響逐漸減弱。實際養(yǎng)殖網(wǎng)箱大多置于水深30 m內，由于水深對空化影響，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明顯低于淺水處，由于水深環(huán)境不可改變，可通過改變系統(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，但水深的增加會削弱空化程度，降低清洗效率。在實際工程應用中，為了產生較好的空化效果，提高清洗效率，可通過改變系統(tǒng)泵壓、噴嘴幾何參數(shù)、噴嘴數(shù)量與布置方式、清洗靶距等因素來提高清洗效率。

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