貽貝高壓水射流清洗關鍵參數建模及試驗

袁躍峰，謝 飛，王佳勝

(浙江海洋大學海洋工程裝備學院，浙江 舟山 316022)

貽貝，是中國重要的養殖貝類之一，2020年中國貽貝養殖產量為88.6萬t，約占全國貝類養殖產量的6%[1]。貽貝生長在浮游生物較多的近海海域，表面凹凸不平且有不規則生長紋路，易附著淤泥、藤壺、足絲基盤、碳酸鈣沉積等污物，傳統的清洗方式是使用自來水進行沖洗，貽貝表殼上附著的大量頑固異物無法得到去除，水產加工企業和消費者在加工食用前需使用硬質刷具刷洗，刷洗過程費時耗力[2-4]。潔凈的貽貝表殼既能為后續精細加工提供衛生條件，也可在一定程度上提高消費者的感官評價和購買意愿。

高壓水射流清洗技術具有清洗效率高、成本低、節水、節電等優點，在發達國家已經成為主流清洗方式[5]。Kermanpur等[6]對噴嘴的入射角度、射流壓力、靶距和流量對射流打擊力的影響進行了分析。Anirban Guha等[7]捕捉到了射流邊界的空氣夾帶過程，并建立了評估臨界和最佳靶距的理論模型。孫躍[8]研究了射流清洗參數與海參受力狀態的關系，為海參清洗工藝參數的設計提供了依據。但在貝類清洗領域，高壓水射流清洗參數對貝殼清洗效果影響的研究未見有文獻報道。

本研究使用高壓水射流清洗試驗平臺，以射流壓力、靶距、入射角為變量，射流打擊力和射流沖擊壓力為評價指標，研究各變量對貽貝表殼清洗效果的影響。通過多因素組合試驗所得數據建立相應的數學模型，使用Box-Behnken多因素響應面優化出各項清洗參數的最佳組合可為貽貝等相關貝類原料清洗設備的設計提供理論基礎和數據參考，在水產貝類清洗領域具有一定的指導意義。

1 高壓水射流理論分析

1.1 扇形噴嘴射流結構

扇形噴嘴可將柱形聚攏射流水分割成扇形射流束，射流終端為狹窄帶狀，覆蓋面積大，清洗效率高，廣泛應用于工業清洗領域[9-10]。圖1為扇形噴嘴射流的流場分布圖，根據射流特性可分為自由射流區、沖擊區、壁面射流區、水霧區[11-13]。沖擊區水的質量分數最高，壓力損失最小，該區域是進行表面清洗的主要區域[14]。

圖1 高壓水射流流場分布示意圖

為保證清洗效果，提高清洗速度，射流中心線與目標清洗壁面通常存在入射角α則射流中心線的打擊力可分解成垂直于壁面的法向力F正和平行于壁面的切向力F切。清洗過程中，F正起主要作用，主要負責滲透、破碎壁面的污物，F正小于污物剝離的臨界值時，射流只能掠過沖擊壁面，無法有效沖蝕污物[15-17]。F切對污垢起切削作用，當噴嘴相對目標靶面呈一定角度移動時，適當的F切可使清洗更為徹底，也可使污物飛濺具有方向性。使用扇形噴嘴進行大量清洗試驗，確定貽貝射流清洗的有效靶距均在300 mm以內，由于清洗靶距小，帶有曲率的貽貝貝殼壁面對射流流動分布的影響可以忽略，貝殼表面清洗效果幾乎不會受到影響[18]。

1.2 高壓水射流清洗試驗平臺

整個試驗系統包括射流系統、機械系統和測力系統三大部分。射流系統主要由高壓泵、調壓閥、扇形噴嘴、儲水箱等組成。機械系統主要由螺紋導軌、靶距調節桿、入射角調節裝置、貽貝夾持裝置、防護殼等組成。測力系統由自制測力平臺和PC端數據采集軟件組成。試驗系統如圖2所示。

圖2 試驗系統

貽貝貝殼屬生物陶瓷材料，夾持時極易破碎，因此需制作貽貝專用的夾持工具。根據胡靜艷[19]和羅爾霖等[20]測繪擬合貽貝貝殼橫截面的結果進行曲面建模，打印出貽貝專用夾具，以保證貽貝在清洗時的夾持穩定性。試驗使用淡水作為清洗介質，柱塞式壓力泵提供壓力范圍為0～50 MPa。噴嘴共有4個自由度，可實現在X、Y平面的前后、左右方向移動以及X、Z平面的上下方向移動；使用入射角調節裝置，噴嘴還可在X、Z平面繞調節裝置中軸進行0～45°范圍內的擺動。

2 試驗設計

2.1 多因素試驗各項參數范圍確定

2.1.1 射流打擊力和射流沖擊壓力范圍分析

貽貝貝殼由外套膜分泌鈣化物形成，天然的分子或納米聚合體結構賦予了貝殼較強的韌性和強度[21]。但經過驗證，在高壓水射流沖擊瞬間，驟升的沖擊壓力易使貝殼表層剝離，并產生破壞性裂紋。使用拉壓力試驗機從殼高方向對貽貝貝殼進行承壓試驗，共進行10組承壓試驗，記錄相同形變下的載荷數據，并將所得數據進行平均處理。貽貝貝殼承壓試驗如圖3所示。

圖3 貽貝貝殼承壓試驗

由圖3可知，貝殼平均極限承壓載荷在500～600 N之間，已知壓頭與貽貝接觸表面積約為1.76×10-4m2，計算得出貽貝貝殼抗壓性能約為2.84～3.4 MPa[22]?？紤]到貝殼材料特性，射流沖擊壓力應小于貽貝整殼曲面的承壓強度，因此，貽貝貝殼整體曲面所受射流沖擊壓力應小于2.84 MPa。

扇形噴嘴沖擊到靶面的射流面積為：

(1)

式中：H為噴嘴出口到目標靶面的距離；φ為噴嘴的噴射角；δ為射流厚度方向的夾角，射流厚度方向的夾角較小，且不易測量，根據姜博文等人數值分析結果估算得出的角度在4～8°左右，不同扇形噴嘴δ的相差很小，在后續計算中均按照δ=5°計算[23-24]。

由動量守恒定理可得，噴嘴射流打擊力Fs計算公式為：

(2)

式中：Δp為噴嘴內外兩點的壓力差，即射流壓力，Pa；k1為射流到目標靶面的流速衰減，k1=0.55；k2為射流到目標靶面的流量損失，k2=0.6；為流體密度，kg/m3；Q為噴嘴的射流流量，L/min[25]。根據伯努利方程可推出噴嘴的流速，則噴嘴的射流流量為：

(3)

已知扇形噴嘴射流覆蓋面積和射流打擊力，則貽貝貝殼承受的射流沖擊壓力為:

(4)

式中：α為射流入射角。

2.1.2 靶距范圍分析

根據貽貝貝殼受力形變的特點，射流沿殼寬方向進行沖擊，為提高貽貝清洗效率，扇形噴嘴的有效噴射寬度需大于貽貝殼寬。以貽貝殼寬方向中點為噴射起點，則扇形噴嘴有效噴射寬度為：

(5)

經過前期對貽貝外殼尺寸的測量，貽貝殼寬平均尺寸為42.3±0.2 mm，即扇形噴嘴的有效噴射寬度W應大于或等于42.3±0.2 mm。市面上常見的扇形噴嘴噴射角度有25°、40°、50°、65°、80°。

各種噴嘴的射流寬度完全覆蓋貽貝時所對應的最小靶距如表1所示。

表1 各種噴射角對應的最小靶距

2.1.3 入射角范圍分析

入射角試驗范圍主要由貽貝表殼的清洗效果、貝殼夾持的穩定性和后續清洗裝置設計要求決定。適當大小的入射角可以使清洗更加徹底，也使得污物飛濺具有方向性，避免剝落的污物肆意飛濺，造成交叉污染。入射角過大，Fs在沖擊靶面水平方向的分力F切較小，清洗效率將會降低；入射角過小，貝殼不易夾持，射流流場分布也會受到影響，Fs在沖擊靶面法線方向的分力F正較小，清洗效果將會變差。

2.1.4 單因素高壓水射流清洗試驗

經過以上分析，通過控制單一變量來表征影響貽貝清洗效果的射流參數，并對貽貝表殼的清洗效果進行感官評價。

根據前面的理論推導，在下列參數下進行單因素試驗：(1)P=1 MPa、6 MPa、11 MPa、16 MPa、21 MPa，H=90 mm，α=80°。(2)H=10 mm、50 mm、90 mm、130 mm、170 mm，P=9 MPa，α=80°。(3)P=9 MPa，H=90 mm，α=70°、75°、80°、85°、90°。單因素對清洗效果的影響如圖4所示，

圖4 單因素對清洗效果的影響

由圖4a可看出，射流壓力在11 MPa時，清洗效果評分基本達到峰值，射流壓力繼續增大，清洗效果改善不顯著，射流壓力選擇11 MPa為宜；由圖4b可以看出，靶距在90 mm時，清洗效果達到巔峰，故靶距選擇90 mm為宜；由圖4c可以看出，入射角在80°時，清洗效果最佳，入射角為90°時Fs=F正，水平方向的分力F切等于0，清洗效果不升反降，故入射角選擇80°為宜。

最終確定在P=6～16 MPa、H=50～130 mm、α=75°～85°范圍內進行多因素試驗，優化射流清洗參數組合。

2.2 多因素組合試驗設計及結果

多因素組合試驗設計了射流壓力、靶距、射流入射角3個因素，z1為射流壓力P/MPa，z2為靶距H/mm，z3為入射角α/°。射流壓力設計了3個水平，分別為16 MPa、11 MPa、6 MPa；靶距設計了3個水平，分別為130 mm、90 mm、50 mm；入射角設計了3個水平，分別為85°、80°、75°。根據Box-Behnken試驗設計原理，對每個因素下的水平進行編碼，因素水平編碼如表2所示。

表2 因素水平編碼表

射流打擊力使用自制測力裝置測得，由于射流面積無法直接測量，故射流沖擊壓力使用推導公式(4)計算。

試驗及計算數據如表3所示。

表3 Box-Behnken設計試驗及計算結果

3 試驗結果分析

3.1 回歸模型的建立

Box-Behnken設計試驗后，通過Design-Expert數據處理系統對17組不同射流清洗參數下所得到的射流打擊力和射流沖擊壓力進行分析，得出射流打擊力和射流沖擊壓力的多項式回歸模型為：

(6)

(7)

經過計算，Fs回歸模型的回歸系數R2為0.996 8，失擬項P>0.05，不顯著，說明該回歸模型的擬合效果較好，Fs回歸模型中各系數的方差分析如表4所示[28-29]。

表4 射流打擊力Fs回歸模型的方差分析

由于F的值是通過理論推導公式計算得出，故F的回歸模型不作討論。

3.2 單因素分析

對射流打擊力回歸模型作降維處理，得出射流壓力、靶距、入射角對射流打擊力的一元二次回歸方程為：

(8)

(9)

(10)

根據以上回歸方程，得出射流打擊力與各清洗參數之間的關系，如圖5所示。

圖5 射流打擊力與單因素關系

由圖5可知，射流壓力對射流打擊力的影響最為顯著，隨著射流壓力的增大，射流打擊力呈近似拋物線式增大；靶距與射流打擊力呈負相關，射流打擊力隨著靶距的增大而減小；入射角與射流打擊力呈正相關，入射角減小時，打擊力在水平方向的F切增大，故垂直于貽貝表殼的F正減小[30]。

對射流沖擊壓力的回歸方程做降維處理，射流壓力、靶距、入射角對射流沖擊壓力的一元二次回歸方程為：

(11)

(12)

(13)

根據以上回歸方程繪制出各清洗參數對射流沖擊壓力的關系如圖6所示，可以看出靶距對射流沖擊壓力的影響最為顯著，隨著靶距的增大，噴嘴的射流面積增大，導致射流沖擊壓力迅速減小；射流壓力和入射角與射流沖擊壓力呈正相關，在靶距不變的情況下，隨著射流壓力和入射角的增大，射流打擊力增大，故射流沖擊壓力隨之增大。

3.3 Box-Behnken多因素響應面優化

為了進一步提高貽貝的清洗效果，降低清洗過程中的碎殼率，使用高壓水射流清洗貽貝過程中，應使射流打擊力盡可能大或者使射流沖擊壓力盡可能小，故使用Box-Behnken響應面法對各項清洗參數進一步優化。射流打擊力響應面如圖7所示。

圖7 射流打擊力響應面

分析圖7射流打擊力響應面，當把射流壓力固定在某一水平時，隨著靶距的減小,射流打擊力逐漸增大；然后將靶距固定在某一水平上，隨著射流壓力的增大，射流打擊力急劇增大?？梢钥闯?，相較于靶距的影響，射流壓力對射流打擊力的影響更為顯著。根據同樣的方法得出，相較于入射角的影響，射流壓力和靶距的變化對射流打擊力影響更為顯著。射流沖擊壓力響應面如圖8所示。分析圖8射流沖擊壓力響應面，當把射流壓力固定在某一水平時，隨著靶距的減小,射流沖擊壓力急劇增大；然后將靶距固定在某一水平上，隨著射流壓力的增大，射流沖擊壓力逐漸增大?？梢钥闯觯噍^于射流壓力的影響，靶距對射流沖擊壓力的影響更為顯著。根據同樣的方法得出，相較于入射角的影響，射流壓力和靶距的變化對射流沖擊壓力影響更為顯著。

圖8 射流沖擊壓力響應面

使用數據處理系統Optimization功能項，根據響應面回歸模型進行求解[30-31]。將Fs取值最大設為求解條件時，所得最優參數組合為：x1=0.99、x2=-0.69、x3=0.56；將F取值最小設為求解條件時，所得最優參數組合為：x1=-0.27、x2=0.25、x3=-0.92，將以上編碼值轉換成射流清洗參數，編碼轉換結果如表5所示。由表5可知，F取最小值時的射流壓力遠小于Fs取最大值時的射流壓力。射流壓力越大，電機所需功率越大，耗水量也越大，從綠色、節能角度考慮，優選F取最小值的尋優結果。

表5 編碼轉換結果

4 貽貝射流清洗試驗

4.1 結果分析

取6 MPa、130 mm、75°，15.92 MPa、51.4 mm、83.4°，9.66 MPa、99.88 mm、75.38°，16 MPa、50 mm、85°四組射流參數對30只貽貝進行高壓水射流清洗試驗，以去污效果、貽貝破損率、耗水量作為清洗的主要評價指標，驗證尋優結果的有效性。貽貝在不同射流參數下的清洗情況如表6所示。

表6 貽貝在不同射流參數下的清洗情況

不同射流參數清洗后貽貝表面的淤泥、黏膜、足絲基底、藤壺、各類頑固物均能得到一定程度的去除，在6 MPa、130 mm、75°參數下進行清洗時，雖然貽貝清洗的破損率和耗水量最低，但是貽貝殼腹、殼背處的除污效果較差；在15.92 MPa、51.4 mm、83.4°和16 MPa、50 mm、85°參數下進行清洗時，雖然除污能力強，可徹底地去除藤壺、足絲基盤等頑固附著物，但是大的射流壓力同時導致貽貝破損率和耗水量增大；綜合考慮去污情況、貽貝破損情況和耗水量，響應面尋優得到的參數組合9.66 MPa、99.88 mm、75.38°效果更佳。

4.2 高壓水射流清洗與現行清洗方式的對比

現行的貽貝清洗方式有振動噴淋式和滾筒揉搓式，高壓水射流清洗與現行清洗方式的相關對比信息如表7所示[32-33]。去污效果方面，高壓水射流清洗與振動噴淋清洗相比，破損率基本一致的情況下，去污效果有了徹底改善；耗水量方面，高壓水射流清洗每千克貽貝的耗水量更低，更加節水環保；清洗速度方面，高壓水射流清洗試驗階段單噴嘴的清洗速度為2 kg/min，按一臺水泵布置10只噴嘴估算，清洗效率即可達20 kg/min，后續若合理地增加噴嘴數量，清洗速度仍然有較大提升空間；電機配套方面，高壓水射流清洗在具備穩定水源的前提下僅配套一臺水泵電機即可，振動噴淋清洗和滾筒揉搓清洗除配套水泵電機外，還需要配套振動、滾筒電機，雖然高壓水射流水泵電機功率較大，但是綜合評估整個系統的用機成本、后期維修保養成本和設備可靠性，高壓水射流清洗方式仍具有較大優勢和發展前景。

表7 3種清洗方式對比信息歸納

不同清洗方式的清洗效果對比如圖9所示。

圖9 不同清洗方式的清洗效果對比

高壓水射流清洗與振動噴淋清洗和滾筒揉搓清洗的效果對比，可以看出貽貝經高壓水射流清洗后，表殼附著的藤壺、足絲、鈣沉積等頑固附著物得到較為徹底去除，而經過振動噴淋清洗和滾筒揉搓清洗的貽貝，表殼的藤壺、足絲等異物沒有得到有效去除?；谀壳叭藗儗λa貝類衛生要求的日益提高，工業化精細加工是未來的發展趨勢，清洗處理的徹底與否，將直接決定后續貝源的潔凈程度。在清洗參數的合理匹配下，高壓水射流清洗能滿足工業化精細加工的要求，符合未來水產貝類加工的發展趨勢。

5 結論

高壓水射流清洗技術應用于水產貝類清洗領域，可為后續加工流水線提供更加潔凈的貝源，符合貝類精細加工的發展趨勢。本研究從貽貝貝殼的承壓性能出發，通過力學試驗、理論推導和射流清洗試驗確定了高壓射流清洗的單因素試驗范圍；使用Design-Expert軟件設計多因素組合試驗，建立射流打擊力和射流沖擊壓力的多項式回歸模型；通過響應面法尋優分析得到清洗參數的最優組合：P=9.66 MPa，H=99.88 mm，α=75.38°。在該參數組合下對貽貝進行高壓射流清洗，清洗后貝殼表面附著的頑固污物得到較好去除，保證碎殼率的前提下，清洗效果相較于振動清洗方式得到顯著改善。研究得出的貽貝高壓水射流清洗參數回歸模型及最優參數組合，可為貽貝及相關貝類的高壓水射流清洗設備研發提供理論參考。

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