鼓泡式魚類清洗機管路湍流數值模擬與優化

李 路 張志明 吳文錦 汪 蘭 熊光權 石 柳

(1. 華中農業大學工學院，湖北 武漢 430070；2. 湖北省農業科學院農產品加工與核農技術研究所，湖北 武漢 430064)

魚類加工一般包括分級、除磷、去內臟、清洗、配料及包裝，其中清洗是關鍵環節。現有的清洗設備主要針對蔬菜、水果或硬殼海鮮等[1-3]，專門針對魚類的清洗設備較少。目前魚類的清洗機有滾筒式、高壓水射流式、毛刷式、鼓泡式。滾筒式清洗機主要通過清洗滾筒在電機和傳動齒輪的作用下進行繞中心軸轉動，筒內壁均勻分布毛刷，但清洗量小，對魚體損傷大；高壓水射流式清洗機通過撐開裝置將魚體撐開，去除內臟及黑膜后，加壓后的水通過噴嘴噴頭轉換成水射流對魚體進行沖刷，但耗水量大，而且對內臟軟組織殘渣清洗效果差；毛刷式清洗機采用的是“在夾具作用下清洗”，通過光感傳感器檢測到魚體，毛刷下降清洗魚體，在夾具的作用下魚體不會下滑，但無法有效清洗內臟軟組織殘渣。鼓泡式清洗機(圖1)具有清洗量大、清洗范圍廣、節水、對產品損傷小等優點，鼓泡管路作為清洗機的關鍵部件，對其設計進行優化有利于提高魚類清洗機的清洗效果。

1. 齒輪 2. 軸承座 3. 電機 4. 鏈條式傳送帶 5. 機殼 6. 污濁度檢測裝置 7. 分流管 8. 主流管 9. 側網格 10. 橫支架 11. 斜坡板 12. 水位檢測裝置 13. 導軌 14. 支撐座 15. 旋渦風機 16. 機架圖1 鼓泡式清洗機結構示意圖Figure 1 Schematic diagram of bubbling cleaning machine

目前，清洗設備的優化設計主要有流體流場數值模擬[4-5]和試驗分析[6-7]兩大方法。計算流體動力學 CFD(computational fluid dynamics)技術因能較全面地獲得流場數據，且具有流場數據可視化的優勢，得到了廣泛應用。而試驗分析主要通過逐一調整樣機的結構參數進行清洗，以清洗效果為指標選出最優結構參數，該方法結果直觀，但成本較高。Mixture多相流模型可用于兩相流或多相流(流體或顆粒)，求解混合物的動量方程，并通過相對速度來描述離散相。Mixture多相流模型也可用于沒有離散相相對速度的均勻多相流，當求解變量的個數小于完善的多相流模型時，該模型可與完善的多相流模型相媲美。

試驗擬采用Fluent提供的Mixture多相流模型對魚類清洗機的核心部件——鼓泡管路進行數值模擬，優化鼓泡管路結構參數，并使用優化后的結構參數搭建試驗平臺進行驗證，旨在提高魚類清洗機的清洗效率與清洗質量。

1 鼓泡管路流場數值模擬

1.1 鼓泡管路結構及工作原理

如圖2所示，鼓泡管路包括風機、主流管和分流管。旋渦風機將空氣以一定的速度鼓入主流管，經過分流管上若干個噴氣孔形成大量具有一定壓力、大小不一的氣泡，利用氣泡氣蝕機理對魚類進行清洗[8-10]。

氣泡氣蝕作用：在含有許多氣泡的液體中，當氣泡爆炸性生長或塌陷時，會產生巨大的瞬時壓強。在爆炸性生長的氣泡周圍會產生除剪切力外的強吸力，強吸力將顆粒從表面提起并吸向氣泡以達到清潔效果；當氣泡從噴氣孔生成后，隨著氣泡的上升、變形，氣泡的體積不斷膨脹直至破碎(塌陷)，在氣泡破碎(塌陷)的同時產生巨大的瞬時壓強，從而破壞固體表面，產生氣蝕現象。有學者[11]通過實測得出，游移型氣泡潰滅時，靠近固體壁面處的微射流速度可達70～180 m/s，在固體表面的沖擊壓力可達140～180 MPa，該沖擊力完全可以清洗掉固體表面的污染物。當液體中的氣泡不斷產生、膨脹、破碎(塌陷)時，在氣泡塌陷期間產生巨大的脈沖壓力連續不斷地作用于魚體表面，可有效清除魚體表面的污物。

1. 旋渦風機 2. 分流閥 3. 流量計 4. 主流管 5. 噴氣孔6. 分流管

鼓泡管路的關鍵結構參數包括噴氣孔徑R、噴氣孔徑間距L和管長Lr，同時還包括氣流流量[12-14]。噴氣孔徑R、噴氣孔徑間距L、管長Lr以及氣流流量對氣泡大小、多少和均勻性都有重要影響，但這些參數無法直接確定，通常是經過試驗或者基于流體力學的理論分析確定。采用Fluent 15.0軟件對不同結構參數的鼓泡管路進行相流數值模擬，依據結果對鼓泡管路進行優化設計。Fluent進行數值模擬在一定程度上彌補了理論分析和試驗測試的不足，節約了設計時間，減少了試驗費用同時容易獲取流場中數據以及實現流場可視化的優勢，被廣泛應用于流場分析[15]。

1.2 多相流模型的選擇

試驗對鼓泡管路內、外部流場進行數值模擬，涉及空氣和水兩種介質。Fluent軟件包含3種多相流模型：Euler模型、VOF 模型、Mixture 模型[16]。

由于Mixture模型具有計算穩定性好，計算時間快等優點，故選用 Mixture 模型作為多相流模型，其連續性方程為：

(1)

Fluent數據庫中提供了多種湍流模型[17-18]，如標準k-ε模型、RNGk-ε模型和Realizablek-ε模型等。試驗適宜用標準k-ε湍流模型，該模型可清晰地模擬鼓泡管道內、外部的流場情況。

標準k-ε模型為雙方程模型，是在單方程模型基礎上，引入一個湍流耗散率ε，由湍流動能k輸運方程和湍動耗散率ε方程組成。湍流動能k是一個關于湍動黏度μt的函數；該模型包含launder和spalding。模型中的ε定義為：

(2)

湍流動能k定義為：

(3)

因此，標準k-ε模型的輸運方程為：

(4)

(5)

其中

(6)

式中：

Gk——由平均速度梯度引起的湍動能；

Gb——由浮力影響引起的湍動能；

Ym——可壓縮湍動能膨脹對總耗散率的影響；

C1ε、C2ε、C3ε——經驗常數，取C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09；

σk、σε——湍動能和湍動耗散率對應的普朗數，取σk=1.0、σε=1.3；

Prt——湍動普朗特數，取Prt=0.85；

gi——重力加速度在i方向上的分量，m/s2；

β——熱膨脹系數；

Mt——湍動馬赫數；

a——聲速，m/s。

1.3 數值模擬方案

根據ANSYS Fluent流體動力學數值模擬要求，將鼓泡管路和清洗水槽等結構進行簡化。數值模擬分為兩部分：① 對分流管長度進行數值模擬，根據模擬結果進行優化改進，使分流管上每個噴氣口氣體的流速盡可能相同或存在的差值在可接受范圍內。② 在上述研究的基礎上，對分流管上的噴氣孔徑、孔距等相關參數進行數值模擬。使用Mixture多相流模型、擴展的標準k-ε湍流模型進行模擬不同氣流速度對氣體體積分數、湍流動能、湍流耗散率的影響規律。結合實際情況，選出最優結構參數。

企業與開發商作為城市的基本經濟細胞，是城市更新不可或缺的重要參與主體。開發商與企業的參與雖然本質上是逐利，但是其作用卻是不可否認的。一方面，私人資本的投資是對公共部門投資的有力補充與幫助；另一方面，開發商的參與對于解決城市更新過程中的公共服務設施建設、社會住房供應等一系列市場化問題都具有重要的意義。

用三維軟件SolidWorks 2017構造模型，使用ANSYS ICEM CFD進行結構網格劃分，對于細長管道適合于劃分成四邊形網格，由于四邊形網格具有單元較少，計算劃分時間較少等優勢。將生成的網格導入到CFD中施加邊界條件進行求解計算。采用有限體積積分法，應用Simple算法進行求解。

計算域進氣口采用穩定、均速的速度入口(VelocityInlet)，氣相體積分數為1；采用壓力出口(Pressure Outlet)；固體壁面，不考慮壁面對內部流場的影響。

1.4 數值模擬結果分析及結構改進

若忽視溫度變化的影響，在噴氣孔徑R=3 mm，噴氣孔徑間距L=7 cm，管長度Lr=100 cm時，采用標準k-ε模型計算氣液兩相流產生的湍流動能。為了更好、更詳細地對比模擬流場區域，選取某根分流管路軸向切面為分析對象。如圖3所示，分流管在水下30 cm，噴氣出口處的大氣壓強為2 943 Pa，由于管內氣體壓力分布不均勻，導致氣體在每個噴氣孔出口的壓力不一致，進而影響每個噴氣孔出口處氣流速度。因噴氣孔出口處氣流速度的不同，會直接影響氣泡的大小、多少以及均勻性，使氣泡的產生狀態具有不可控性，對清洗效率有較大的影響，故各個噴氣孔出口處氣流速度盡量保持一致，才能使產生的氣泡具有均勻性，清洗效果更好。因此，對鼓泡管路中的分流管進行進一步的設計改進，通過數值模擬不同長度管道，將分流管管道長度縮短為40 cm。由圖4可知，改進后的分流管上的噴氣孔出口處氣流流速趨于一致。

圖3 分流管速度數值模擬和速度坐標圖Figure 3 Shunt tube speed simulation and speed graph

圖4 改進后的分流管速度數值模擬和速度坐標圖Figure 4 Improved shunt tube speed simulation and velocity graph

為了更直觀、可視化地分析氣流速度對氣液流場中氣體體積分數的影響規律，將模擬結果所得的數據通過Origin 9.1進行描點作圖，研究垂直高度為30 cm，間距為7 cm，噴氣孔出口氣流流度分別為2，4，6，8，10 m/s時，不同垂直高度水平面處氣體體積分數的分布圖如圖5所示。由圖5可知，清洗水槽中氣體體積分數隨氣流速度的增加逐漸上升。當垂直高度為10～30 cm時，氣體體積分數與氣流流速呈正相關。當接近液面附近時，氣體體積分數增加率急劇上升，由于當氣泡從噴氣孔生成后，隨著氣泡的上升、變形，氣泡體積不斷膨脹直至破碎(塌陷)，導致清洗槽液面附近的水發生劇烈的晃動，大氣中的空氣會立即補充氣相的不足，氣體體積分數急劇上升。

圖5 不同氣流流速在軸向切面處氣體體積分數分布Figure 5 Distribution of gas volume fraction at different axial flow rates at axial section

在設計鼓泡管路時首要考慮的是如何提高氣、液兩相的湍流動能。湍流動能的大小可側面反映不斷潰滅的氣泡所產生的坍塌能量[12]。氣體在液體中的體積分數和氣泡坍塌產生的能量具有一定的相關性。

由圖6可知，隨著氣流流速的增加，氣流流速和湍流動能呈正相關，在噴氣孔上方的液面，由于氣流和氣泡破裂爆炸的共同作用，湍流動能和湍流耗散率均達到峰值，二者具有一定的相關性[19]。湍流耗散率越大，表示單位質量兩相流體混合越劇烈，傳質越充分。

圖6 不同氣流速度在液面的湍流動能和湍流耗散率Figure 6 The turbulent flow energy and turbulent dissipation rate of different gas flow rates at the liquid level

湍流動能表達式為：

(7)

通過分析不同氣流流速下的垂直高度氣體體積分數、液面處湍流動能和湍流耗散率分布情況可知，氣流流速為2 m/s時，氣體體積分數、湍流動能和湍流耗散率較低，水面波動低，氣液兩相混合不劇烈。氣流流速為10 m/s 時，氣體體積分數、湍流動能和湍流耗散率較高，氣流分布不均勻，氣液兩相混合劇烈，因此，清洗槽內氣流速度應控制在2～10 m/s。

由圖7可知，選定氣流速度8 m/s作為參考，在40 cm 的分流管中，當噴氣孔徑間隔為6 cm時，湍流動能有明顯的上升趨勢，出現峰值，此時噴氣孔在分流管上的分布均勻性最好，為湍流動能的形成提供了有利條件。當孔徑R=12 mm，噴氣孔徑間隔L=3，4，5 cm時，湍流動能明顯低于正常情況下的水平。因噴氣孔數量和氣流流量的增加，噴氣孔噴出的氣體在液體中形成了氣流柱，帶走了大部分動能，因此液面處的湍流動能明顯低于正常水平。

圖7 不同結構參數下液面處的湍流動能分布Figure 7 Distribution of turbulent flow energy at the liquid surface under different structural parameters

由圖8可知，在噴氣孔氣流速度不變的情況下，隨著噴氣孔間隔的增加，孔徑數量和分流管進氣口氣體的氣流流量呈遞減趨勢。由圖9可知，當孔徑間隔為7 cm時，湍流動能的轉化率出現峰值。不同的結構中，孔徑為6 mm，孔徑間隔為7 cm的湍流動能轉化率最高。結合圖7可知，孔徑為6 mm，孔徑間隔為7 cm的湍流動能處于峰值之下，但下降緩慢。圖6表明氣流流量在一定范圍內增加，湍流動能與其呈正相關。綜上，噴氣口徑R=6 mm、噴氣孔徑間距L=7 cm、管長Lr=40 cm為最優鼓泡管路結構。

圖8 不同結構參數下分流管的氣流流量Figure 8 Diverter airflow under different structural parameters

圖9 不同結構參數下湍流動能與流量的比值Figure 9 Ratio of turbulent flow energy to flow under different structural parameters

2 試驗驗證與分析

2.1 試驗裝置

根據鼓泡管路的數值模擬結果，結合實際情況確定最優結構參數，搭建如圖10所示的試驗平臺，包括風機、分流口和氣體流量計等結構。因分流管浸沒在清洗水槽中，無法使用現有測量工具在水下進行測量噴氣口附近的氣流速度。通過對氣體流量計數值的控制，可以得到流道內部速度分布數據[20]。

1. 分流管 2. 噴氣孔 3. 氣體流量計 4. 主流管 5. 分流閥6. 風機

2.2 評價指標

試驗以鯽魚為驗證魚類，每條魚重量在0.25～0.30 kg。根據魚類加工工藝流程，將鮮活鯽魚除磷、去內臟以及去魚鰓等處理，再進行清洗試驗。

目前魚類清洗行業沒有統一的清洗效果判斷標準，多是通過肉眼觀察清洗后魚體是否殘留魚鱗、血水、內臟殘留物等雜質來定性評判清洗效果。因此，制定如表1所示的魚類清洗效果評分標準表，評分越高說明清洗效果越好。

2.3 正交試驗結果與分析

以清洗時間、氣流流量、清洗量為影響因素，設計L9(34)的正交試驗[21]。試驗因素與水平表見表2，試驗結果見表3。

表1 評分標準表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

由表4可知，A、B、C對綜合指標的影響顯著(P<0.05)，其影響順序為A>C>B，與直觀分析結果一致。因此，最優清洗組合參數為A3B2C2，即清洗時間170 s、氣流流量142 L/min，清洗量1.5 kg，該條件下的清洗效果評分為92分，清洗后的鯽魚可滿足包裝要求。

3 結論

從仿真結果可見，鼓泡管路中氣流速度與氣液兩相流的氣體體積分數、湍流動能、湍流耗散率呈正相關性。鼓泡管路的孔距、孔徑等結構參數對氣泡大小、均勻性及能量轉換具有較大影響。試驗表明，清洗時間、氣流流量、清洗量對魚類的洗凈率影響顯著。試驗只對單個鼓泡管路進行了數值模擬與試驗，沒有對多管路進行數值模擬，其適用范圍有局限性。由于試驗清洗裝置結構較簡單，傳感器種類和數量較少，難以對仿真結果進行定量驗證。后續可對多管路清洗流場或單鼓泡管路氣液固三相流場的特性進行研究。

表2 試驗因素與水平Table 2 Factors and levels of orthogonal test

表3 正交試驗結果Table 3 Results of orthogonal test

表4 正交試驗數據分析Table 4 Analysis of orthogonal test data