圍網網衣清洗裝備的設計與打擊力試驗

徐從曉,張 華,羅夢偉,桂福坤

(1 浙江海洋大學海洋工程裝備學院，浙江舟山 316000;2 浙江海洋大學船舶與海運學院，浙江舟山 316000;3 浙江海洋大學國家海洋設施養殖工程技術研究中心，浙江舟山 316000)

近年來，由于傳統近岸小網箱抗風浪能力差，過密的生產布局容易造成環境污染和水質惡化，導致養殖生物病害時有發生，品質和養殖效益下降，近海漁業資源出現持續衰退現象[1-3]。在國家及沿海地方政府的倡導和支持下，網箱養殖技術與設施裝備取得了長足進步，近岸小型網箱逐漸被深水網箱和圍網養殖所取代[4-6]。徐君卓等[7]研究表明圍網養殖可有效利用天然餌料生物、實現魚-貝-藻多營養層次綜合養殖，具有抗風浪能力強、成魚品質高和養殖環境友好等優勢。

網衣材料本身無毒，長期泡在深海中會滋生大量絲狀藻類等附著物，容易迅速繁殖堵塞網眼，造成網箱的濾水性能降低，使網箱內水流不暢，導致水溶氧量降低，從而造成養殖魚品質下降[8-10]，甚至會因缺氧造成養殖魚大面積死亡，因此網衣的清洗成為深海圍網內水環境物理修復的關鍵因素之一[4]。

國外對網衣清洗裝備研制起步較早，從總體上看，網衣清洗裝備已經形成了智能化和產業化，其配套設施齊全，可以對網衣進行有效清洗[11-12]。如挪威Jensen[13]設計的控制多個推進器帶動清洗機器人運行到網衣的任何位置，配有多種噴射方式對網衣進行清洗。國內網衣清洗方式有定期換網法、人工清洗法、上提下沉法、生物清除法和機械清洗法等[11]，存在清洗周期長、清潔度低、清洗成本高、效率低等缺點[7-12]。

雖然國內網衣清洗裝備研究起步較晚，但也研制出了能夠進行有效清洗的裝置，如王志勇[9]采用高壓泵提供動力，利用分歧管清洗盤產生射流，在射流反作用力下帶動清洗盤進行旋轉噴射清洗。莊集超等[14]通過高壓水泵驅動的歧管噴盤進行清洗，采用螺旋槳和浮筒改變機器人清洗軌跡和清洗姿態，以達到最佳清洗效果。

本研究根據圍網軌道設計運動小車吊裝配有10孔的高壓水射流清洗單元進行上下左右橫移清洗，設計樣機進行水射流打擊力對比試驗分析來確定該裝備最佳的噴嘴直徑與形狀，該設計與試驗可為同類設備研究提供參考。

1 結構及工作原理

1.1 圍網網衣清洗裝備的設計

該圍網網衣清洗裝備由動力單元、運動單元、輸送單元和清洗單元組成。根據最初試驗測試效果，動力單元選用額定壓力20 MPa，額定流量50 L/min的三缸柱塞泵，運動單元采用自主設計的運動小車；輸送單元的高壓水管選用的是高壓軟管，最大可承受30 MPa壓力，用來連接動力單元和清洗單元，輸送高壓水。

1.2 圍網網衣清洗裝備工作原理

圍網網衣清洗裝備由2臺伺服電機通過鏈傳動使運動小車在圍網軌道上進行移動，清洗單元由吊繩連接小車吊臂通過小車的移動和起吊電機的牽引作用下帶動清洗單元對網衣附著物進行橫向和豎向的清洗，圍網網衣清洗裝備如圖1所示。

圖1 圍網網衣清洗裝備示意圖

清洗單元是本設備最重要的部分，其工作原理是由高壓泵提供高壓水經高壓水管輸送分流到2根射流發生管，再經過小孔徑的噴嘴產生低壓高速的水射流作用在網衣上，從而實現網衣的清洗。

網衣清洗單元如圖2所示。

圖2 網衣清洗單元示意圖

其中清洗單元共配有2根射流發生管，并各裝有5個高壓噴嘴，且2根高壓射流管上的高壓噴嘴交錯分布，以此來增加射流清洗的面積，提高清洗效率。同時在清洗過程中射流打擊力會對清洗單元產生向后的推力，可利用推力螺旋槳來平衡水射流產生反作用力，實現對網衣的近距離貼網清洗，提高對頑固附著物的清洗率。清洗單元樣機如圖3所示。

圖3 清洗單元樣機

2 水動力計算

2.1 高壓噴嘴內徑的計算

高壓噴嘴是清洗單元中最關鍵的部位，高壓噴嘴對于清洗裝備的清洗效果和效率有很大的影響。高壓噴嘴是將高壓泵的壓力能轉換為速度能，高壓水進入噴嘴再經噴嘴出水口孔徑低壓高噴出，其中噴嘴的出水口孔徑是整個噴嘴的重中之重，噴嘴的孔徑應與高壓泵的額定壓力和額定流量相匹配，如果高壓噴嘴孔徑過大則會把高壓泵的壓力卸掉一部分，達不到其額定壓力值。相反，噴嘴的孔徑過小則會使泵外在過壓工作狀態中，高壓噴嘴射流出的流量將減小，高壓泵會通過過載保護的溢流閥溢流掉一部分流量。因此選擇合適的高壓噴嘴類型和計算高壓噴嘴的內徑是清洗裝備研究中的核心問題[15-17]。

在進行噴嘴出水口水動力計算過程中，為了方便計算，假設該圍網養殖海域的海水為理想流體，流體不可壓縮且密度為常量(ρ=1.03 g/cm3)。網衣清洗裝備在運行過程中，忽略水泵出水口經過高壓水管到清洗單元的流量損失，即流入清洗單元的水與清洗單元通過高壓噴嘴噴出的水是等量的[19-23]。因此對高壓噴嘴入水口到高壓噴嘴出水口之間應用連續性方程[24]可知：

(1)

式中：q為高壓泵出水流量，L/min；d1為高壓噴嘴入水口內徑，mm；v1為高壓噴嘴進水口流速，m/s；d2高壓噴嘴出水口內徑，mm；v2高壓噴嘴出水口流速，m/s；n為清洗單元高壓噴嘴個數。

在高壓噴嘴入水口與高壓噴嘴的出水口截取兩個斷面，應用伯努利方程[24]可知：

(2)

式中：p1為高壓噴嘴進水口壓力，MPa；p2為高壓噴嘴出水口壓力，MPa，z1為高壓噴嘴入水口高度，m；z2為高壓噴嘴出水口高度，m。

兩端面忽略高度差，公式兩邊同時除以g可得：

(3)

聯立式(1)和式(3)可得

(4)

(5)

將式(5)代入式(1)，考慮到高壓水在經過高壓管和噴嘴的流動中，會出現流量損失，查閱文獻得知，需考慮噴嘴的結構系數u和效率系數η[25],簡化可得到高壓噴嘴出水口內徑理論計算公式：

(6)

式中：η為 高壓噴嘴效率系數1.05～1.3；q為 動力單元高壓泵的額定流量，L/min；u為 高壓噴嘴的結構系數0.90～0.98[25]；n為 高壓噴嘴個數；P為動力單元高壓泵的額定壓力，MPa。

本研究設計的網衣清洗裝備選用的是額定流量為50 L/min,額定壓力為20 MPa的高壓泵，高壓噴嘴個數為10個，η取1.05，u取0.95，將各參數代入式(6)計算得高壓噴嘴出水口內徑為0.749 mm。

2.2 水下射流反作用力平衡

平衡水射流打擊力產生的反作用力是網衣清洗裝備在水下實現平穩有效清洗的關鍵問題，水射流打擊力產生的反作用力會使網衣清洗裝備背離網衣，從而使網衣清洗裝置噴嘴到網衣的間隔距離過大，損失清洗力度。因此，想要對網衣進行有效清洗，除了網衣清洗裝備的壓力、流量、高壓噴嘴孔徑合適外，高壓噴嘴到所要清洗網衣的靶距也要在合適范圍內，這樣才能最大程度利用水射流打擊力。為此，在網衣清洗裝備的清洗單元上安裝螺旋槳反推器，以此來平衡水射流產生的反作用力，進而控制高壓噴嘴到網衣之間的距離，從而實現貼網清洗，提高網衣清洗裝備的洗凈率。

3 網衣清洗裝備水射流打擊力測試

3.1 主要試驗設備

試驗設備主要有：高壓泵(圖4)、高壓水管、清洗單元樣機、2個長方形水箱(長0.8 m、寬0.5 m、高0.5 m)，打擊力測試傳感器(圖5)。根據公式(6)計算得到理論噴嘴孔徑為0.749 mm，試驗時選取孔徑為0.7 mm、0.8 mm、0.9 mm的三組出水口為圓柱形的噴嘴(圖7)，每組各10個。另外再準備10個出水口為15°的扇形噴嘴(此出水口孔徑根據上述試驗結果決定)，刻度尺一把。

圖4 高壓泵圖

圖5 傳感器顯示器

圖6 圓柱形噴嘴

3.2 試驗方法及過程

將網衣清洗單元與高壓泵連接好，將高壓水泵進水口放入圓柱形水桶中，再將孔徑為0.7 mm的圓柱形高壓噴嘴安裝在清洗單元上，把打擊力測試裝置通電(220 V)，放在清洗單元前方，然后將高壓水泵和打擊力測試裝置通電、運行，通過高壓水泵上的壓力表和測試裝置顯示儀記錄系統壓力和射流打擊力，再依次將0.8 mm、0.9 mm的圓柱形高壓噴嘴依次安裝上并記錄其測試數據，最終將3組數據進行對比試驗，為高壓噴嘴選出合適的孔徑。其試驗配置如圖7所示，同時考慮到清洗面積的問題，再將試驗選出來的這個噴嘴與同樣孔徑的15°扇形噴嘴分別進行空氣中和淹沒狀態下的對比試驗，為該網衣清洗裝備選定合適的噴嘴形狀和噴嘴直徑。

圖7 打擊力測試試驗配置圖

為驗證試驗可靠性，本研究設計了一組理論打擊力與試驗打擊力的對比試驗。根據動量定理，經整理后可得到理論最大水射流打擊力[26-30]

(7)

式中：F為 理論最大水射流打擊力，N；q1為 射流流量，L/min；P為 水射流壓力，MPa；φ為 射流入射角，(°)。

其中q1射流流量通過體積法來測量，具體方法為：用一個長a=0.8 m、寬b=0.5 m、高0.5 m長方體箱作為高壓泵供水箱，將水灌至水箱高度的0.4 m處，將裝有0.8 mm圓柱形噴嘴的清洗單元運行1 min，測量其供水箱水面高度，計算其1 min使用流量值，其計算公式為:

q1=a×b×(h1-h2)

(8)

式中：a為供水箱長度，m；b為供水箱寬度，m；h1為供水前供水箱水面高度，cm；h2為供水1 min后供水箱水面高度，cm。

為反映從空氣到淹沒狀態下水射流打擊力衰減的程度，本研究定義了水射流打擊力在空氣到淹沒狀態下的衰減率公式：

(9)

式中：t為水射流打擊力從空氣到淹沒狀態下的衰減率，a1為空氣中額定壓力狀態下最大打擊力，N;a2為淹沒中額定壓力狀態下最大打擊力，N。

本研究所設計的網衣清洗裝備最終的工作狀態是在水下(清洗單元淹沒狀態)進行清洗，此時介質由空氣變成了密度更大的水，其對高壓水射流的阻力增大以及卷積效應的影響，打擊力將會嚴重損失，本文將通過現場試驗探索本裝置在淹沒狀態下隨著靶距的增大，對應水射流打擊力的衰減趨勢。將清洗單元與打擊力測試裝置的壓力傳感器放入準備好的長方形水池中，使其處于淹沒狀態，調整兩者之間的靶距，運行高壓水泵，進行對比實驗，測試并記錄其數據。

4 結果分析

4.1 打擊力理論公式計算與實測對比及流量測量試驗

本組試驗是通過水射流打擊力理論計算公式計算結果與本設備打擊力實測進行對比，看其差值，以此來驗證本研究所進行試驗的可靠性。首先根據試驗方法章節的體積法測流量，將試驗參數代入公式(8)中，計算得到表1。

表1 體積法測試流量數據

經3次測量計算取其3次結果的平均值，即高壓泵壓力20 MPa、噴嘴孔徑為0.8 mm時，實際射流流量為48.13 L/min。由于被清洗物網衣水射流可以穿透，且由公式(7)可知，當φ為90°時，打擊力可以達到最大值，所以本試驗采用水射流與網衣垂直清洗。將上述參數代入公式(7)計算得到設備0.8 mm的理論打擊力，與試驗實測打擊力做折線圖對比如圖8所示，可以看出本試驗所測打擊力與理論打擊力相差很小，考慮到試驗存在誤差性，所以本試驗所測數據可靠。

圖8 0.8 mm圓柱形噴嘴理論打擊力與試驗打擊力折線圖

4.2 圓柱形高壓噴嘴不同孔徑打擊力的對比試驗

對0.7 mm、0.8 mm、0.9 mm孔徑的圓柱形噴嘴進行水射流打擊力測試，其試驗靶距為20 mm，其實測打擊力曲線圖如圖8所示，由曲線圖可以明顯的看出，當圓柱形高壓噴嘴的孔徑為0.8 mm時，系統高壓泵到達額定壓力20 MPa，在3個噴嘴中產生的打擊力最大，當裝有0.7 mm孔徑的圓柱形噴嘴時，高壓泵存在過載狀態，溢流閥處于工作狀態中，系統流量有較大損失，造成打擊力過小。當裝有0.9 mm孔徑的圓柱形噴嘴時，由于噴嘴孔徑過大，將系統壓力卸掉一部分，使系統壓力最大只能達到16 MPa，使高壓泵無法在額定壓力下工作，也使得其最大打擊力小于0.8 mm孔徑的噴嘴，綜上由試驗結果表明，當本裝置裝配出水口直徑為0.8 mm的噴嘴時，可以使該裝置產生最大的水射流打擊力，不同孔徑的圓柱形噴嘴打擊力折線如圖9所示。

圖9 不同孔徑的圓柱形噴嘴打擊力折線圖

4.3 空氣和淹沒狀態下圓柱形噴嘴與扇形噴嘴打擊力的對比試驗

上組試驗已經確定了本裝置噴嘴出水口的最佳直徑，但考慮到扇形噴嘴的清洗面積大，會提高整個裝置的清洗效率。故設置本組試驗來對比同為0.8 mm的圓柱形噴嘴和扇形噴嘴的打擊力。本組試驗將分別在空氣中和淹沒狀態下進行，靶距同樣保持20 mm，其試驗現場如圖10、圖11所示。

圖10 空氣中打擊力試驗圖

圖11 淹沒狀態下打擊力試驗圖

分析數據得到圖12折線圖，從折線圖可以看出在高壓泵額定壓力下，0.8 mm圓柱形噴嘴的打擊力高于0.8 mm 15°扇形噴嘴的打擊力，在實驗過程中，觀察到空氣中扇形噴嘴的打擊力雖然小一點，清洗面積明顯大于圓柱形噴嘴。分析數據得到圖13折線圖，可以看出在淹沒狀態下的扇形噴嘴的打擊力遠小于圓柱形噴嘴水，且淹沒狀態下的扇形噴嘴由于水阻力和卷積效應影響將無法增大清洗面積。

圖12 空氣中打擊力折線圖

圖13 淹沒狀態下打擊力折線圖

根據水射流打擊力在空氣到淹沒狀態下的衰減率公式(9)并將試驗數據代入得到：靶距為20 mm的0.8 mm圓柱形噴嘴的打擊力衰減率為62.5%，0.8 mm 15°扇形噴嘴的打擊力衰減率為78.6%。綜合通過試驗結果和打擊力衰減率分析可知，扇形噴嘴水射流打擊力從空氣到淹沒狀態下的衰減率明顯高于圓柱形噴嘴，由于在淹沒狀態下扇形噴嘴射流束發散性好、清洗面積大的特點反而加大了其射流束在水中的衰減，而射流束集中的圓柱形噴嘴則表現得更好一點。表明水下清洗不能優先考慮扇形清噴嘴清洗面積大的優點，應首選射流束集中且能保持較長射流核心區域的圓柱形噴嘴。

4.4 淹沒狀態下靶距對打擊力的影響試驗

為探索清洗單元在淹沒狀態下隨著靶距的增大，對應水射流打擊力的衰減趨勢，通過試驗得到打擊力隨靶距變化的衰減折線如圖14所示。

圖14 淹沒狀態下水射流打擊力與靶距的折線圖

可以清晰看出，在淹沒狀態下靶距對水射流清洗的影響尤為重要，在較小的靶距變化下會對打擊力產生很大的削弱，在試驗中當靶距達到50 mm時，傳感器已經檢測不到清洗單元的打擊力。經試驗測試，本裝置靶距控制在10 mm以內才能保證清洗效果，本裝備在清洗時可利用推進螺旋槳進行貼網清，以此來減小水阻力對水射流打擊力的削弱[31]。

5 結論

本研究綜合考慮了圍網清洗的工況條件，以提高自動化、清洗能力和效率質量降低操作難度為設計目標，整個裝置在圍欄行走、起吊、清洗都由PLC控制，裝備是基于水射流技術對所用海域沒有污染，清洗單元采用多噴嘴，上下交錯分布的布置提高其清洗面積與清洗效率，設計采用反推螺旋槳來平衡清洗單元帶來的反作用力，根據高壓泵參數、水動力經驗公式計算該裝備的噴嘴直徑為0.749 mm，加工樣機，采用對比試驗的方法來分析不同孔徑在不同介質、不同靶距下的水射流打擊力，結合試驗結果最終確定該裝備在配有該高壓泵(額定壓力20 MPa，額定流量50 L/min)的條件下選配孔徑為0.8 mm的圓柱形噴嘴最為合適，本研究為高壓水射流選配噴嘴和網衣清洗等提供了參考。

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