厚殼貽貝脫肉裝置設計及仿真分析

宋祖超 李振華 羅爾霖 倪洋 王健

【摘要】目前國內市場對于貝類產品脫肉仍主要采取人工刀具脫肉的方式，但是該方法一直存在著脫肉效率低、加工難度較大、貝肉品質得不到保證等諸多問題，而綠色環保、高效精確高壓水射流加工技術，卻可以完美的解決這些難題，但目前尚未運用到貝類產品的脫肉加工中。基于高壓水射流技術，結合厚殼貽貝的相關生理參數，提出一種厚殼貽貝半殼脫肉裝置的設計，并使用Ansys軟件對設計的裝置進行流體分析，得出噴嘴收縮角為60°時性能最佳，搭配腔體的使用能最大程度的保留肉質的完整度。該裝置的設計可以提高貝類脫肉的加工效率、降低生產成本，進而推動貝類加工行業的發展。

【關鍵詞】貝類脫肉;水射流;ANSYS;流體分析

【中圖分類號】S986.1

【文獻標識碼】A

目前為了滿足國內外的飲食新鮮貽貝的習慣，貽貝加工通常是人工使用刀具進行脫肉的方法來實現的。此方法生產效率低、肉質不完整、加工成本高，因此，貽貝半殼脫肉裝置的研發勢在必行。水射流在切割和清洗方面具有高效性，在很多領域已普及應用，如機械制造業、電子電刀、石油化工、輕工、船舶航運、食品、醫療、環保、建筑建材、市政工程等，水射流裝置的關鍵零部件有噴嘴和腔體，噴嘴和腔體的結構設計決定了水射流的加工效果，從實驗中可以得知，實心錐形噴嘴射出的水射流具有直線性、集中性、范圍精準、不易堵塞等優點，但在食品加工和水產品加工中應用較少。腔體能夠將水流同時流進三個噴嘴的進水口，起到連通器的作用，并保證了噴嘴進水口的壓力和速度。國外He.H和Cipsy.Tabilo等人對貽貝超高壓開殼脫肉方法進行研究，因采用高壓來進行脫肉，所以不需要考慮貽貝復雜結構的影響。國內解秋陽、王家忠等人和胡靜艷等人利用水射流分別對扇貝和貽貝進行脫肉的研究，在反復分析貽貝內殼面的構造后，已取得顯著的試驗成果。本研究將水射流技術應用于貽貝半殼脫肉，利用Fluent仿真軟件，對貽貝水射流半殼脫肉裝置所用實心錐形噴嘴和腔體的內流場水流動情況進行模擬分析。設計研發裝置能夠有效解決貽貝半殼脫肉的技術難點，克服目前市場上采用刀具進行的手工貽貝半殼脫肉過程中生產效率低的問題，為各國貽貝半殼脫肉的研究設計提供指導意見。同時，該裝置的研發有利于提高貽貝的生產效率，推動貽貝的加工生產，擴大貽貝對國外的出口量，加快貽貝現代化加工生產智能化的流水生產線的產生。

1 流場基本理論

本研究中噴嘴和腔體內水的流動為不可壓縮連續流動，所以流場的連續性方程和動量守恒方程都能夠得到滿足：

連續性方程為：

由于噴嘴和腔體中的水射流是粘性流體，其在噴嘴和腔體內的流動具有不可壓縮性，并且與外界沒有熱量交換，因此，它遵循連續性方程和動量方程這兩個控制方程。對流場基本理論進行研究，進而為噴嘴和腔體內流場的數值模擬奠定基礎。

2 模型與方法

2.1 貽貝的內部曲線的擬合

水射流噴嘴的主要功能是將高壓的水射流噴射出去，再通過貽貝的內部曲線的擬合，確定三個噴嘴在腔體上的定位，確保水射流始終沿著內壁曲線的切線方向噴射，使貽貝肉以最大完整度從貽貝內殼脫落，保證貽貝肉的品質。

由于貽貝肉的貼附離邊緣還有一部分沒有完全貼附，取外套膜邊緣線寬度Smm區域，在該區域內通過選擇5個點的位置并在GetData Graph Digitizer軟件中確定該5個點的坐標，如圖1所示，5個點坐標位置如表1所示：

通過Matlab軟件對該區域5個點進行二次函數擬合，求解擬合函數程序為：

PX=[28.9 32.4 34.1 32.4 28.9];

PY=[37.3 33.5 26.3 20.4 14.1];

k=polyfit（PX，PY，2）;

x=[25： 0.1： 38];

fx=polyval（k，x）;

plot（PX， PY.r*，x，fx，b-）

求解出：

k= -0.1422 9.0747 -117.7819

.

即函數關系表達式為：

y= -0.1422x2 +9.0747x-117.7819

因為在MATLAB中坐標系與厚殼貽貝建立的坐標系不一致，因此得出的圖像并不是全部通過5個坐標點，而是在它們之間得到一條擬合函數，只要經過坐標系的轉置可得到實際的擬合函數圖像，因此得到的函數表達式可作為水射流噴嘴在腔體上的定位。

2.2 噴嘴、腔體結構模型

基于自己的前期對于厚殼貽貝內部曲線擬合來得到噴嘴的具體參數，本研究所用噴嘴結構模型為實心錐形噴嘴，其結構模型如圖2所示。

其結構參數包括：噴嘴進水口直徑D=6mm、噴嘴出水口直徑d=1mm、出水口的圓柱段長度s=3mm、噴嘴收縮角φ=60°入水口直徑D的值被噴嘴出水口的圓柱段長度s、出水口直徑d、及內部收縮角φ的值所決定，射流的壓力和角度被保持在恒值時，射流對貽貝的沖擊性能被噴嘴的射流截面積和速度所決定。

基于自己的前期對于厚殼貽貝內部曲線擬合來得到噴嘴的具體參數，其腔體的靜態結構模型如圖3所示。

其結構參數包括：腔體長為50mm、寬為40mm、高為40mm、入口直徑Di =20.376mm、腔體的三個相同的出口直徑d1、d2、d3 =8.376mm。在射流壓力一定的情況下，噴嘴進口的水的流量和壓力取決于腔體的進口和腔體內部的管壁的大小。

2.3 網格模型與網格質量驗證

2.3.1 網格模型。本研究所用實心錐形噴嘴屬于軸對稱結構，腔體為非對稱結構，各自選取內部整體三維模型作為計算域，并進行網格無關性驗證。本研究利用Ansys Workbench14.0軟件中的Fluent里的Mesh對噴嘴、腔體典型模型的內流場進行網格劃分，網格劃分如圖4、5所示。

噴嘴、腔體的網格單元均選擇3D單元模型，網格類型選擇Tetrahedrons（四面體網格），Transition-Slow（緩慢產生網格過渡），并在噴嘴、腔體的進、出水口的表面設置Inflation（膨脹層）來進一步提高表面的網格精度，網格劃分尺寸均為0.003，網格節點被生成的總數分別為7943、27445，網格被生成的總數分別為22295、86782。

2.3.2 網格質量驗證。網格質量決定了CFD-Fluent數值計算高效性和準確性。網格劃分質量將直接影響求解的精度和求解的穩定性。網格數量較少，節點也隨之減少，數值計算精度降低網格數量較多，節點也隨之增加，產生負體積，使數值計算速度降低，效率降低且影響正常計算結果，因此，網格質量性驗證是數值模擬中關鍵性的環節。影響網格質量的重要因素有單元質量和傾斜度。

根據單元質量和傾斜度的評判標準，噴嘴的單元質量約為0.998，傾斜度約為0.763。經檢驗，噴嘴單元質量為優秀，傾斜度為好。腔體單元質量約為0.999，傾斜度約為0.909。經檢驗，腔體單元質量為優秀，傾斜度為接受。綜上所述，噴嘴和腔體的網格質量均符合標準，可進行下一步操作。

2.4 Fluent仿真模型

2.4.1數值模擬方法及參數設置。當模型被Fluent求解時，標準的k一ε湍流模型被用在湍流模型上，忽略模型的相變和傳熱。單相流是噴嘴內部的流場，主相是液態純水。標準壁面函數被用在近壁處理上，基于壓力的求解器被使用在里面，SIMPLEC壓力一速度耦合算法被當做求解方法，壓力插值使用二階格式。

在常溫（ 200C）下，水的密度為1000kg/ ma，運動粘度為1.003×10^-6nt2/s，質量和動量選項被設置為不打滑，并且粗糙度選項被設置為平滑。在初始條件設置中，靜壓選項的自動值被選為3MPa。模擬類型為穩態模擬，模型被設置為湍流，將最大迭代步驟數設置為100個步驟。默認設置被用于模型的其他選項。

2.4.2邊界條件的設定。噴嘴的進水口被設置為人口邊界，出水口為出口邊界，底部橫向截面被設為對稱面，其余的一個圓錐面和兩個圓柱面均被設定為壁面邊界。速度人口被設定為入口邊界，人口處速度值可由公式V=Q/A計算得出，其中Q=6Umm。設定腔體進水口為入口邊界，出水口為出口邊界，底部縱向截面被設定為對稱面，其余管道的圓柱面和頂部端面均被設置為壁面邊界。速度入口被設定為入口邊界，入口處速度值可由公式V=Q/A計算得出，其中Q=12Umin。壓力出口邊界都被選用并設定P=101325Pa。設置壁面邊界時，設置質量和動量為無滑移狀態，粗糙度被設置為平滑狀態。在初始條件設置中，靜壓的自動值被設置3Mpa。模擬類型被設置為穩態模擬，模型設置為湍流，選擇標準k-ε計算模型，并且沒有浮力和熱擴散。在求解控制設置中，選擇了高階求解模式，并且最大迭代步驟數設置為100個步驟。對于模型的其他選項均被設置為默認。

3 流場仿真結果分析

3.1 噴嘴速度云圖、壓力云圖仿真

噴嘴仿真所得的速度云圖如圖6、7、8所示。

從圖6可以看出噴嘴的進水口的水流速度為13.09m/s，從圖7可以看出噴嘴的出水口的水流速度為1 17.8m/s，噴嘴的水射流速度達到殼肉分離的標準，滿足噴嘴的設計要求，從圖8可以看出噴嘴內流場水流速度在出水口區域變化明顯，其他地方沒有明顯的變化。噴嘴出口處速度分布以噴嘴對稱軸均勻分布兩側，離對稱軸越近速度越大。內流場中心速度分布幾乎呈直線，說明對稱軸心處速度分布均勻，射流打擊力分布均勻，有利于殼肉分離。

噴嘴仿真所得的壓力云圖如圖9、10、1 1所示。

從圖9可以看出噴嘴的進水口的水流壓力為1176Pa，從圖10可以看出噴嘴的出水口的水流壓力為495.2Pa，噴嘴的水射流壓力達到殼肉分離的標準，滿足噴嘴的設計要求，從圖11可以看出噴嘴內部壓力在收斂段以及出口段變化明顯，在同一出口直徑的噴嘴內流場壓力由人口至出口呈遞減趨勢，其他地方變化不大。內流場壓力分布很均勻，最大值出現在收縮角處，有利于增大出口處射流速度和射流打擊力，切割能力強，更好的實現貽貝的半殼脫肉。

3.2 噴嘴速度云圖、壓力云圖仿真

腔體仿真所得的速度云圖如圖12、13、14所示。

從圖12可以看出腔體的進水口的水流速度為12.65m/s，從圖13可以看出腔體的三個出水口的水流速度從左到右依次為25.3m/s、101.2m/s、25.3m/s，腔體的流出水射流速度均大于噴嘴流入水射流速度，達到殼肉分離的標準，滿足腔體的設計要求，從圖14可以看出腔體內流場水流速度在出口段和管道內部變化明顯，其他地方變化不大。與腔體進水口相對的出水口，速度分布明顯高于其他兩個出口段，說明該出水口的速度將大于其他兩個出水口，由貽貝的內部曲線的擬合可知，C點處是貽貝殼與肉貼附最多、最緊密的部位，為C點提供最大的沖擊水流速度，更有利于貽貝殼與肉的分離。腔體的三個出口處速度以三個管道的對稱軸均勻分布兩側，離對稱軸越近速度越大。腔體三個出口處的管道內流場速度分布幾乎呈直線，說明對稱軸心處速度分布均勻，射流打擊力分布均勻，有利于殼肉分離。

腔體仿真所得的壓力云圖如圖15、16、17所示。

從圖15可以看出腔體的進水口的水流壓力為6051000Pa，從圖16可以看出腔體的三個出水口的水流壓力約為377350Pa，腔體的流出水射流壓力均大于噴嘴流入水射流壓力，達到殼肉分離的標準，滿足腔體的設計要求，從圖17可以看出腔體內流場壓力在進口段變化明顯，在同一出口直徑的噴嘴內流場壓力由入口至出口呈遞減趨勢，其他地方變化不大。與腔體進水口相對的出水口，壓力分布明顯高于其他兩個出口段，說明該出水口的壓力將大于其他兩個出水口，由貽貝的內部曲線的擬合可知，C點處是貽貝殼與肉貼附最多、最緊密的部位，為C點提供最大的沖擊水流壓力，更有利于貽貝殼與肉的分離。腔體三個出口處的管道內流場壓力分布均勻，有利于增大出口處射流速度和射流打擊力，切割能力強，更好的實現貽貝的半殼脫肉。

4 結論

（1）通過對厚殼貽貝結構和生理特點，確定了噴嘴在腔體上的定位。結合水射流的特點及其在食品、醫療等領域的應用，論證了水射流用于閉殼肌剝離的可行性，從而確定了水射流的類型和噴嘴的類型。

（2）通過對水流在噴嘴和腔體內流動特征的探究，構建了水流流動的湍流模型，即k一ε模型以及制約內部流動的質量及動量方程，給出了對于噴嘴和腔體近壁處流動問題的解決辦法，即應用低Re數k一ε模型，對壁面區劃分致密網格。確定了對求解域應用有限體積法以及以非結構網格為基礎的SIMPLE算法，為內部流動狀態的模擬研究做了理論鋪墊。

（3）進一步優化噴嘴內部結構，改善噴嘴內部流動狀況。并在原先單個噴嘴的基礎上，增加到三個噴嘴，并設計出了與噴嘴相匹配的腔體，使噴嘴與腔體做到最佳匹配，增加噴嘴和腔體的使用壽命并進一步提高厚殼貽貝半殼脫肉的質量，分別對噴嘴和腔體的進水口、出水口、內部流動進行理論分析和仿真分析，最終確定了殼貽貝半殼脫肉裝置中的噴嘴的參數，即收縮角為60度、出口直徑為1mm、出口段長度為3mm;腔體的參數，即出水口直徑與噴嘴的入水口直徑相同，并由螺紋連接;射流壓力為3MPa;并與步進電機搭配使用，用于實時調整噴嘴的射流入射角度始終為23度，確保水射流始終沿著殼體切線方向噴射，最大程度的使貽貝肉質完整。

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[作者簡介]宋祖超（1994-），男，安徽滁州人，碩士研究生，研究方向：水產機械設計

[通信作者]李振華（1976-），女，教授，博士，研究方向：水產品加工。