袁太平，胡 昱，王紹敏，廖宇琦，陶啟友，黃小華，劉海陽，郭根喜

（1. 中國水產(chǎn)科學研究院南海水產(chǎn)研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部外海漁業(yè)開發(fā)重點實驗室/廣東省網(wǎng)箱工程技術研究中心，廣東 廣州 510300； 2. 上海海洋大學，上海 201306）

相比傳統(tǒng)深水網(wǎng)箱網(wǎng)衣人工清洗方式勞動強度大、效率低、費用高等問題，采用水下高壓空化清洗技術的自動化網(wǎng)衣清洗裝備有更大的應用空間[1-3]。高壓流體經(jīng)過沿程管道突變截面會于近壁面附近形成低壓區(qū)，使流體發(fā)生斷裂產(chǎn)生空化核，高速流中空化核經(jīng)生長、匯集、潰滅等演變過程，持續(xù)空泡潰滅產(chǎn)生高速、高壓激流可使材料發(fā)生破壞，可用于深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖網(wǎng)衣污損附著生物的清洗[4-6]。

國內(nèi)外深水網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗技術水平差異較大。挪威、日本、澳大利亞、美國等漁業(yè)發(fā)達國家在網(wǎng)衣清洗技術方面長期處于壟斷地位，成熟的網(wǎng)衣清洗裝備已產(chǎn)業(yè)應用多年；日本YANMAR公司的帶纜潛水網(wǎng)衣清洗機器人，執(zhí)行機構采用歧管式轉盤，利用傾斜安裝的噴嘴射流反沖力帶動轉盤旋轉[7]，形成圓環(huán)形清洗面，集成姿態(tài)控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)清洗機器人沿養(yǎng)殖網(wǎng)面的自主行走；澳大利亞Aurora Marine公司研制的網(wǎng)衣清洗機器人，清洗系統(tǒng)集成于清洗工作船上，采用履帶式結構與水流雙重驅動，能較好地將清洗裝置與網(wǎng)面貼合并實現(xiàn)自動化的網(wǎng)衣清潔[8]。國內(nèi)深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖網(wǎng)衣清洗技術與裝備尚處于單項產(chǎn)品原型的研制階段，產(chǎn)品較為零星和分散，雖取得了一定成果，但僅限于水下網(wǎng)衣技術理論探索階段與初級樣機試驗。莊集建等[9]研制的浮筒式新型深海網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗機器人，配以高壓旋轉水射流清轉盤，能實現(xiàn)網(wǎng)衣清洗機器人的直行、轉彎等運動；張小明和詹春毅[10]、張小明等[11-12]采用一種水射流式水下洗網(wǎng)機開展網(wǎng)片清洗試驗研究，并對水下洗網(wǎng)機的旋轉瞬時打擊力進行了分析[13]。在噴嘴的空化效率方面，劉海霞等[14]對淹沒環(huán)境下水射流的沖擊和空蝕效果開展了研究，結果表明材料表面的破壞更多取決于空化效率而非連續(xù)的高速射流。Hutli等[15]利用圖像采集處理系統(tǒng)分析射流壓力、噴嘴結構參數(shù)、噴嘴形式、空化云生長周期對空化云動力學行為的影響，結果表明云層的幾何特征 (厚度、長度、面積等)經(jīng)過匯聚、生長、收縮等過程呈現(xiàn)振蕩模式發(fā)展。Pan等[16]通過測量空蝕樣靶的質量損失和對樣靶的顯微圖像研究，獲取了在高圍壓環(huán)境下自激空化射流的空化強度和侵蝕規(guī)律，研究了最佳射流距離的問題。在網(wǎng)衣清洗裝備清洗試驗方面，宋協(xié)法等[17-18]對自行研制渦旋式網(wǎng)箱清洗設備的使用效率進行研究，確定了最佳毛刷長度為15～20 mm，設備清洗效率達30%以上；其他少有關于空化射流式網(wǎng)衣清洗裝備漁網(wǎng)清洗效率方面的研究報道。

目前國內(nèi)深水網(wǎng)箱清洗裝備的研發(fā)仍處于起步階段，少有涉及空化射流式網(wǎng)衣清洗裝備清潔性能及關鍵部件空化流動特性的相關研究。本研究以自研空化射流式深水網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗裝備為對象，開展淹沒環(huán)境下清洗裝備高壓噴嘴的空化特性分析及清洗裝備試驗，獲取了空化射流式清洗裝備多工況下的運行參數(shù)及網(wǎng)衣清洗清潔率，為空化射流式深水網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗裝備優(yōu)化及網(wǎng)衣污損生物清洗試驗提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

基于高壓密封原理，自主設計的網(wǎng)衣清洗裝備結構見圖1。主要由高壓泵站、分流轉盤、旋轉接頭、噴嘴、推進器、控制器等組成，工作原理為高壓泵站提供高壓流，經(jīng)三通分流器進入分流轉盤，分流轉盤流道終端與噴嘴螺紋連接，噴嘴與分流轉盤盤面夾角45°，高壓流經(jīng)微型噴嘴形成高速空化射流；同時，射流反作用力作用于轉盤形成分流轉盤旋轉的驅動力矩，從而形成圓環(huán)形的清洗軌跡；通過控制清洗裝備運動路徑，可完成養(yǎng)殖網(wǎng)衣的清洗任務；調(diào)節(jié)螺旋槳控制電壓可實現(xiàn)清洗裝備與養(yǎng)殖網(wǎng)面靶距的調(diào)節(jié)控制。

圖1 深水網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗裝備結構示意圖1. 分流轉盤；2. 防護罩；3. 三通分流器；4. 微型噴嘴；5. 旋轉接頭；6. 螺旋槳Figure 1 Sketch of net washing equipment of deep-water cage1. Rotating cleaning dish; 2. Protective cover; 3. Current diverter of three way; 4. Nozzle; 5. Rotary joint; 6. Propeller

網(wǎng)衣清洗裝備的性能參數(shù)見表1，影響分流轉盤轉速的主要因素是工作壓力、流量、噴嘴與分流轉盤夾角α等。

表1 網(wǎng)衣清洗裝備性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of net washing equipment

噴嘴射流反作用力計算公式為：

式中F'為噴嘴單位時間內(nèi)流體的平均合力。

Q為工作水流量，v為射流流速，為噴嘴與分流轉盤夾角。由牛頓第二定律寫出分流轉盤轉動方程[19-20]：

J為旋轉圓盤轉動慣量，w為圓盤轉速，R為射流出口與圓盤中心軸距離；M為摩擦扭矩，由流體黏性作用產(chǎn)生的阻力矩和軸承間摩擦產(chǎn)生的阻力矩構成。對方程 (3) 積分求解：

清洗裝備分流轉盤運動趨近于平衡時，圓盤轉速穩(wěn)態(tài)值：

推力系統(tǒng)由控制器和螺旋槳構成，控制器與螺旋槳通過10 m電纜通信，通過控制器調(diào)節(jié)螺旋槳輸入電壓控制推力大小，從而實現(xiàn)清洗裝備與網(wǎng)面靶距的調(diào)節(jié)。控制器包括動力電源開關、電位器、電源開關、適配器和降壓模塊 (圖2)。

圖2 控制器原理圖Figure 2 Schematic diagram of controller

1.2 試驗材料及環(huán)境

試驗地點位于中國水產(chǎn)科學研究院南海水產(chǎn)研究所花都基地試驗車間，試驗水槽尺寸為長1.2 m×寬1.2 m×高1 m，初始水槽水深為1 m，初始水槽內(nèi)無流動。掛板設計參考Bi等[21]，6只30 cm×30 cm 316不銹鋼金屬框架，框架直徑為3 mm，6只網(wǎng)片規(guī)格為35 cm×35 cm，網(wǎng)片與框架用扎帶系綁制成原始掛板，編號掛板為1～6號。原始掛板網(wǎng)片需保持繃緊狀態(tài) (圖3-a)，網(wǎng)片為絞拈無結網(wǎng) (聚乙烯材質，網(wǎng)線規(guī)格0.23/3×3，縮結系數(shù)0.6/0.8)。掛板污損生物附著試驗開展地點位于珠海市萬山區(qū)桂山枕箱島內(nèi)側深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖基地，掛板懸掛于深水網(wǎng)箱網(wǎng)衣內(nèi)側，懸掛周期為4個月，對污損生物附著后的掛板稱質量并記錄，掛板污損生物附著情況見圖3-b，值得注意的是本實驗選用網(wǎng)片的污損生物附著程度遠高于實際深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖網(wǎng)衣生物附著水平，因此對清洗裝備清潔性能提出了更高要求。汽油機帶動高壓泵站為清洗任務提供持續(xù)高壓流，泵站額定流量50 L·min?1，配備量程0～50 MPa壓力表、調(diào)壓閥及高壓流管；螺旋槳正向推力為 9.8 kgf，反向推力為 5.6 kgf。

圖3 網(wǎng)片掛板a. 原始網(wǎng)衣掛板；b. 污損生物附著后的網(wǎng)衣掛板Figure 3 Net hanging boarda. Control group of hanging; b. Net hanging board after fouling organisms attached

1.3 試驗方法

1.3.1 污損附著生物清洗 清洗試驗設置 3種試驗工況，噴嘴孔徑為0.6、0.8和1.0 mm。試驗涉及懸掛網(wǎng)衣掛板及網(wǎng)衣清洗裝備安裝固定。利用橫桿將網(wǎng)片掛板懸掛于水槽中心，掛板上沿端距離水面為30 cm，下沿端懸掛10 kg配重，以保證網(wǎng)片在淹沒環(huán)境下受外力擾動不會出現(xiàn)大幅度晃動，以模擬實際深水網(wǎng)箱水下網(wǎng)衣姿態(tài)。水槽上端放置另一橫桿，通過清洗裝備吊環(huán)及繩索將清洗裝備與橫桿連接，清洗裝備分流轉盤正對網(wǎng)衣掛板，調(diào)節(jié)繩索伸縮量控制網(wǎng)衣清洗裝備的入水深度?？刂破髡{(diào)節(jié)螺旋槳推力實現(xiàn)分流轉盤與掛板靶距調(diào)節(jié)；改變噴嘴與分流轉盤夾角可實現(xiàn)分流轉盤轉速調(diào)節(jié)。清洗試驗前，分流轉盤最右端與掛板左端對齊，試驗過程中清洗裝置自左向右運動，速率為30 mm·s?1，秒表計時，清洗裝備運動至轉盤左端與網(wǎng)片掛板脫離，結束計時，記錄清洗時間。稱量器 (最大量程6 kg，精度為 0.1 g) 稱量掛板，反光式轉速計(FT3406) 記錄分流轉盤轉速，每組實驗重復2次，記錄清洗過程，掛板清洗試驗工況見圖4。

圖4 掛板清洗試驗工況Figure 4 Test conditions of hanging plate cleaning

1.3.2 網(wǎng)衣掛板清潔率 掛板清潔率計算：

式中M1為污損生物附著嚴重的掛板濕質量(稱量時瀝干水分，kg)；M2為使用清洗裝備清洗后的掛板濕質量 (kg)；M3為以人工敲打、陽光曝曬等方式對污損生物徹底清除后的掛板濕質量 (kg)。

1.4 數(shù)值模擬

對淹沒環(huán)境下網(wǎng)衣清洗裝備關鍵部件噴嘴開展空化特性的數(shù)值分析，建立噴嘴的內(nèi)部流場計算域，網(wǎng)格劃分結果見圖5。筆者此前在研究中[22-23]，分別采用數(shù)值模擬及試驗手段相結合的方法，對噴嘴結構變化引起的空化射流特性變化進行了分析，對數(shù)據(jù)模型的計算結果進行了試驗驗證，表明模擬結果與實驗結果吻合度好，驗證了數(shù)值模型的有效性。數(shù)值求解模型基于雷諾平均Navier-Stokes方程和k-ε湍流模型，流體相與氣相作用關系選用Zwart-Gerber-Belamri空化模型，求解計算選用SIMPLE 算法[24-25]。

圖5 計算區(qū)域網(wǎng)格劃分Figure 5 Grid generation of computing area

為進一步驗證計算模型的有效性和正確性，本文數(shù)值模型運用于Peng等[26]針對淹沒環(huán)境下的噴嘴軸向水動力特性研究，將模擬結果與文獻數(shù)據(jù)進行了對比，圖6為淹沒環(huán)境下噴嘴軸向靜壓力分布曲線圖。計算邊界條件設置：Inlet為壓力入口條件，Pin=30 MPa；Outlet為壓力出口條件；淹沒環(huán)境壓力為 0.1 MPa (10 m 水深)?；谟嬎隳Ｐ瞳@取的噴嘴仿真結果與Peng等[26]的計算結果較吻合，軸向靜壓最大誤差在5%以內(nèi)，表明本數(shù)值模型可以運用于淹沒環(huán)境下噴嘴的水動力特性分析。

圖6 噴嘴軸向靜壓力曲線圖Figure 6 Pressure curve in axial direction

2 結果

2.1 網(wǎng)衣清洗裝備的網(wǎng)衣清潔性能

為盡量貼合實際生產(chǎn)情況，基于高壓泵站動力裝置參數(shù)，開展固定輸入流量的多工況下網(wǎng)衣清洗裝備試驗。網(wǎng)衣清洗裝備掛板污損生物清除質量m=M1?M2，掛板污損生物質量 M=M1?M3。從整體試驗結果分析，掛板污損生物的清除率受多因素共同作用，包括噴嘴入口壓力、分流轉盤轉速、噴嘴孔徑等。本試驗結果表明最大網(wǎng)衣掛板清潔率可達79.76%，對應清洗裝備參數(shù)輸入壓力為Pin=16.42 MPa，噴嘴縮頸直徑為d=0.8 mm，該工況下網(wǎng)片掛板清洗前后效果見圖7。網(wǎng)衣清洗裝備單位時間內(nèi)清洗面大、清潔率高，且裝備未出現(xiàn)明顯水泄漏現(xiàn)象，解決了清洗裝備旋轉機構高壓水密封問題，可應用于離岸深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖網(wǎng)衣的清洗。

圖7 網(wǎng)衣掛板a. 清洗試驗前的網(wǎng)片掛板；b. 清洗試驗后的網(wǎng)片掛板Figure 7 Hanging boarda. Hanging board of net before cleaning test; b. Hanging board of net after cleaning test

清洗試驗設置參數(shù)及掛板清洗前后結果見表2。相同流量下，清洗裝備輸入壓力均能達到12 MPa以上，隨著噴嘴孔徑減小，水下分流轉盤轉速大幅增加，分流轉盤轉速介于 30.8～112 r·min?1；掛板清洗試驗結果見表3，隨著噴嘴孔徑的增加，噴嘴出口流速由 354 m·s?1減小到 127 m·s?1；6組試驗污損生物去除率最高為79.76%，水下分流轉盤轉速為 88 r·min?1。

表2 網(wǎng)衣清洗設備試驗參數(shù)及結果Table 2 Test parameters and results of net washing equipment

表3 掛板清洗試驗結果計算Table 3 Calculation of test results of hanging board cleaning

原始網(wǎng)片掛板長期放置海水，污損生物存在分布不均勻、重疊聚集性生長的特點，對清洗裝備的掛板污損生物去除率測定有一定影響。同時以陽光曝曬、重物敲打等人工方式來實現(xiàn)網(wǎng)片掛板的徹底清洗，以及掛板制作過程中存在的網(wǎng)片余量等原因，易造成試驗組原始掛板及徹底清洗后的掛板質量不均問題，但本試驗結果表明整體變化趨勢明顯，對獲取各試驗組掛板污損生物去除率無明顯影響。

2.2 數(shù)值模擬結果

相同流量下，開展對網(wǎng)衣清洗裝備關鍵配件噴嘴數(shù)值模擬研究，模擬環(huán)境圍壓為30 kPa (淹深30 cm)。3種噴嘴在不同壓力條件下的近壁面氣相體積分數(shù)分布見圖 8。Pin=18.8 MPa時，d=0.6 mm噴嘴最大氣相體積分數(shù)為0.60；Pin=16.42 MPa時，d=0.8 mm噴嘴最大氣相體積分數(shù)為0.63；Pin=12 MPa時，d=1.0 mm噴嘴最大氣相體積分數(shù)為0.75；3種噴嘴的最大氣相體積分數(shù)發(fā)生位置均位于噴嘴縮頸位置。噴嘴縮頸軸向距離介于5～7 mm，d=1.0 mm噴嘴氣相體積分數(shù)遠大于d=0.6 mm和0.8 mm噴嘴；d=0.8 mm噴嘴氣相體積分數(shù)大于d=0.6 mm噴嘴；噴嘴縮頸軸向距離大于7 mm，3種噴嘴的氣相體積分數(shù)分布迅速衰減，因此可以預測，噴嘴d=1.0 mm工況條件的清洗裝備空化強度更佳。

圖8 氣相體積分數(shù)分布Figure 8 Distribution (vapor) of volume fraction

對比數(shù)值模擬結果與試驗結果，試驗組最大污損生物去除率為79.79%，對應的試驗參數(shù)組合為d=0.8 mm、Pin=16.42 MPa、w=880 r·min?1；而氣相體積分數(shù)最大試驗組參數(shù)組合為Pin=12 MPa、d=1.0 mm，表明網(wǎng)衣清洗裝備的清潔性不僅受空化強度影響，還受工作壓力、分流轉盤轉速、射流速度等的共同影響。

圖9為水淹沒環(huán)境下噴嘴速度云圖。Pin=18.80 MPa、d=0.6 mm工況下，高速射流從出口最大流速 354 m·s?1，在距離出口 40 mm 位置流速為10.70 m·s?1，40 mm 淹沒環(huán)境下流速的降幅達到96.98%；Pin=16.42 MPa、d=1.0 mm 工況下，高速射流從出口最大流速 230.81 m·s?1，在距離出口40 mm 位置流速為 13.27 m·s?1，40 mm 淹沒環(huán)境下流速的降幅達到 94.23%；Pin=12 MPa、d=1.0 mm工況下，高速射流從出口最大流速127 m·s?1，在距離出口 40 mm 位置流速為 18.33 m·s?1，40 mm淹沒環(huán)境下流速的降幅達到85.57%。淹沒環(huán)境下流體黏性作用力使噴嘴射流速度發(fā)生了大幅度衰減，郭根喜等[20]對淹沒射流環(huán)境下的射流空蝕特性研究表明，圍壓環(huán)境下流體剪切作用大幅度削減噴嘴的射流速度，淹沒環(huán)境下空化射流作用在目標靶上形成空蝕圓環(huán)，印證了在相同條件下，一定靶距范圍內(nèi)，射流空化泡打擊力為主要作用力。

圖9 噴嘴速度云圖Figure 9 Velocity nephogram of nozzle

3 討論

3.1 污損生物去除率的影響因素

高壓噴嘴空化強度的大小直接決定空化射流的沖擊作用效果，在相同流量下，相比d=0.6 mm噴嘴和d=0.8 mm噴嘴，d=1.0 mm噴嘴具有最大氣相體積分數(shù)，隨噴嘴孔徑的增大入口壓力減小，噴嘴的空化強度有所提升，表明在輸入壓力介于12～18.8 MPa，噴嘴孔徑的變化對空化作用的影響程度更大，與陳理[27]噴嘴孔徑變化對噴嘴沖蝕影響程度實驗研究相吻合。一定流量下，分流轉盤噴嘴直徑選定后，輸入壓力及分流轉盤轉速對應確定。相比另外2種噴嘴，d=1.0 mm噴嘴有最大空化強度及最大氣相體積分數(shù)，污損生物去除率僅28.08%，表明清洗裝備清潔率還受其他因素影響，本試驗條件下的分流轉盤轉速為 30.8 r·min?1，可能由于轉盤轉速過慢導致附著生物去除率較小。6個試驗組轉盤轉速介于 30.8～112 r·min?1，當轉盤轉速過大時，促使空化射流作用污損生物表面時間過短，達不到清除污損生物的有效作用時間，降低了清洗裝備的清潔性能；當轉速過小，處于移動狀態(tài)的清洗裝備易造成空化射流未作用到部分區(qū)域而引起污損生物去除率的降低。

3.2 清洗裝備的清潔性能

掛板污損生物主要涉及中胚花筒螅 (Tubularia mesembryanthemum)，翡翠貽貝 (Perna viridis)、網(wǎng)紋藤壺 (Amphibalanus reticulatus)、華貴櫛孔扇貝(Chlamys nobilis) 等[28-31]。清洗試驗后掛板表面泥土被全部清除，呈現(xiàn)網(wǎng)片及污損生物原色。清洗裝備利用高壓作用實現(xiàn)了貝類生物硬質殼體的破碎，但貝類生物具有強抓力的底部軟質足絲盤極難徹底清除，仍留有絲狀托盤吸附在網(wǎng)面[32]。其次，試驗結果表明仍有部分貝類污損生物存留，這是因為在清洗試驗中不同掛板區(qū)域存在空化流對污損生物作用角度不同引起的打擊力作用差異，這與陳欣欣等[33]對淹沒水射流的沖擊角度對沖擊力作用的研究結果契合，空化流與污損生物的作用角度越大，空化射流與作用對象形成的射流厚度越小，網(wǎng)衣沖擊效果越好。

網(wǎng)衣掛板清洗后以殘留殼體及足絲盤為主，清除不徹底的原因可能有以下幾類：1) 貝類及托盤觸角群污損生物多以群落聚集方式吸附在網(wǎng)衣，需更長空化射流作用時間；2) 噴嘴結構參數(shù)及分流轉盤結構有待進一步優(yōu)化；3) 本文選用的網(wǎng)衣試驗掛板為極端污損生物附著情況，遠高于實際深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖生產(chǎn)的網(wǎng)衣清洗標準。國內(nèi)對自研深水網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗裝備的設計及清潔網(wǎng)箱性能分析的相關報道還較少，本研究是空化射流式深水網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗裝備網(wǎng)衣清洗性能及實驗方法的探索性研究，可為其他清洗裝備技術研究提供參考。但鑒于試驗條件限制，還無法對該清洗裝備參數(shù)，包括淹沒環(huán)境下的打擊性能測試及打擊力有效作用區(qū)域等參數(shù)開展研究，因此后期還需進一步開展網(wǎng)衣清洗裝備的清洗性能研究。

4 結論

網(wǎng)衣清洗裝備的污損附著生物去除率介于28.08%～79.76%，清潔效率受多因素影響，涉及輸入壓力、噴嘴直徑、分流轉盤轉速。根據(jù)數(shù)值模型得出，在一定流量下，相較于入口壓力，清洗裝備噴嘴直徑的變化對淹沒環(huán)境下噴嘴空化強度的影響程度更顯著。試驗結果表明，噴嘴直徑為0.8 mm，分流轉盤轉速為 88 r·min?1，入口壓力為 16.42 MPa時清洗裝備的網(wǎng)衣污損生物去除率最大，分流轉盤轉速對清洗效果影響顯著。貝類污損生物在清洗裝備空化射流沖擊作用下主要以殼體破碎的形式脫落，清洗后以具有較強吸附力的貝類軟質足絲盤為主要殘留物，仍有部分貝類附著生物殘留，污損生物的清除效率與空化射流作用的角度相關。