水射流式水下洗網機清洗囊網的效率研究*

張小明，詹春毅

近年來，隨著網箱養殖業的迅速發展[1]，養殖水質的惡化日趨嚴重。囊網由于大量絲狀藻類等附著物的迅速繁生而堵塞網眼[2-3]，造成網箱的濾水性能降低，使網箱內水流不暢而導致溶氧量降低、波動變大，致使網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，養殖魚品質下降[4]。養殖水環境的惡化[5]，已經成為制約我國水產養殖業健康持續發展的關鍵因素之一。

囊網的清洗成為深水網箱內水環境物理修復的關鍵。目前國外的大部分洗網機主要以高壓水清洗為主[6]。國內對囊網清洗設備還沒有進行過系統的研究[7-8]。由于深水網箱[9]遠離岸邊，岸電供應十分困難，國內洗網機[10]的發展應該朝著水動力[11]及太陽能電力驅動的方向發展。洗網機[8]采用自旋轉水射流實現深水網箱的囊網清洗。旋轉噴頭[12-13]由于旋轉作用[14]，高壓水射流循環噴射在囊網附著物的各個點上，在足夠大的交變應力下，囊網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附著物。然而，現有的理論[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機旋轉的清洗效率，為水射流式水下洗網機提供水力學設計實驗依據。

1 材料與方法

1.1 主要設備

如圖1所示，水射流式水下洗網機[18]是利用歧管實現轉動式清洗囊網的一種水動力裝備。將高壓水泵的出水口連接于高壓密封螺帽4，高壓水泵運轉時，高壓水流由高壓導管軸3的內孔水流通道，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（根據圖1右中歧管2端部的傾斜角結構得出），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，并使得的4個噴嘴5噴射出高壓水柱，沖洗囊網。水射流式水下洗網機所噴射出的水流是旋轉射出的，所以對囊網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，螺旋槳6上的葉片在旋轉時產生水流反作用力，促使水射流式水下洗網機在運行過程中緊靠囊網，大大減輕了工人的勞動強度、增強了清洗囊網附著物的效果。

圖1 水射流式水下洗網機結構示意圖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的網片放置在深水網箱養殖區內，完全沒入海水一段時間后，網片上長滿附著物(附著物主要組成為藻類與貝類)。

試驗時，將網片從水中取出，連同框架和網片一起稱重，并對網片進行編號（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機，對網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；將清洗后的網片從水中取出，連同框架和網片一起再次稱重(從水面取出時間與步驟（1）的時間相同)；對清洗后的網片再次拍照。

圖2 網片布置圖Fig.2 Layout of nettings

（4）在平臺上對清洗過的網片再次清洗，直至徹底清洗干凈后連同框架和網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片第三次拍照。

（5）重復步驟（1）～（4），針對水下洗網機不同移動速度（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)網片的質量，單位為kg；

M2—徹底清洗干凈后(無附著物)網片的質量，單位為kg；

M3—清洗后(洗網機沖洗后)網片的質量，單位為kg。

按公式(1)分別計算出1號至4號網片的洗凈率，同時注明每片網片的清洗時間。

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

2 結果與討論

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

圖3 水下洗網機清洗網片Fig.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，網片經水射流式水下洗網機清洗后，絕大部分藻類被水射流式水下洗網機沖洗干凈，所有貝類被水射流式水下洗網機的射流打擊力擊落。水射流式水下洗網機是采用旋轉的水射流打擊網片上的附著物，比非旋轉的射流打擊力更大[16]，對囊網附著物清洗作用力更大，效果更好。水下洗網機的4個噴嘴均勻地布置在轉盤上，并與轉盤軸成一定傾角；在水流作用力下，轉盤開始旋轉，4個噴嘴交織射出的高壓水流作用于囊網。其高壓水流的作用面積比直射式的大，且是圓面。試驗結果表明設計的水射流式水下洗網機單面清洗網片效果顯著，達到預期的設計目標，相對于傳統的更換囊網方式清洗囊網，清洗周期和效率大大提高了。

圖4 網片長滿附著物的近照Fig.4 Expanding netting picture covered with attachments

表1 囊網的水射流式水下洗網機單面清洗數據Tab.1 Single cleaning data of the netting by the water jet underwater netting-washing machine

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

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

3 結論

詳述了水射流式水下洗網機旋轉的清洗效率的實驗方法和步驟；

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

從數據上說明設計的水射流式水下洗網機單面清洗網片效果顯著，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機水下便攜式操作裝置代替人工操作。

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