氣吸式扇貝臟器分離裝置流場(chǎng)計(jì)算機(jī)模擬

齊曉娜，姜海勇，邢雅周

（1.河北金融學(xué)院 信息管理與工程系，河北 保定 071051；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071001）

中國(guó)沿海地區(qū)大面積人工養(yǎng)殖海灣扇貝，生鮮閉殼肌的獲取一直以來采取手工生產(chǎn)的方式，刀具對(duì)貝柱的割裂過程造成嚴(yán)重?fù)p傷和污染，制約了產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益的提升［1－2］.研究表明在加熱條件下閉殼肌與貝殼能夠可靠分離［3］，但內(nèi)臟結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)臟團(tuán)與閉殼肌結(jié)合緊密，不易分離.如何將扇貝內(nèi)臟與閉殼肌進(jìn)行分離成為自動(dòng)化采集海灣扇貝閉殼肌的關(guān)鍵環(huán)節(jié).

研究一種氣吸式扇貝臟器分離裝置，用于在除掉單側(cè)貝殼后（此時(shí)稱為半殼貝），貝柱和扇貝臟器留存在另一側(cè)貝殼內(nèi)的狀態(tài)下，以氣吸的方式將內(nèi)臟取出，僅留存閉殼肌于該側(cè)貝殼內(nèi)，待后面工序再行摘取.本文以氣吸式扇貝臟器分離裝置的氣室為研究對(duì)象，在整體氣室數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上對(duì)不同形狀側(cè)孔在空載及負(fù)載情況下的流場(chǎng)進(jìn)行模擬，為扇貝自動(dòng)剝殼設(shè)備的研發(fā)設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ).

1 分離裝置結(jié)構(gòu)原理及主要參數(shù)

1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理

氣吸式扇貝臟器分離設(shè)備的系統(tǒng)組成如圖1所示.其工作過程為：負(fù)壓收集機(jī)首先建立氣吸負(fù)壓；去掉上側(cè)貝殼的半殼貝由送料轉(zhuǎn)盤在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，準(zhǔn)確送至吸孔組件的進(jìn)風(fēng)口下方；之后，控制系統(tǒng)輸出信號(hào)控制各電磁閥動(dòng)作，將內(nèi)臟與貝殼及閉殼肌分離后，僅附著閉殼肌的貝殼隨轉(zhuǎn)盤繼續(xù)旋轉(zhuǎn)到后續(xù)工序，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn).

氣吸式扇貝臟器分離設(shè)備的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)是氣吸分離裝置，該裝置主要包括變截面進(jìn)風(fēng)口、進(jìn)風(fēng)口調(diào)節(jié)套筒、氣動(dòng)肌腱、出風(fēng)口、定位氣缸等，結(jié)構(gòu)示意如圖2所示.

圖1 氣吸式扇貝臟器分離設(shè)備Fig.1 Scallop viscera separating device with air suction

圖2 氣吸分離裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure diagram of the dividing device

其工作過程主要分為3個(gè)環(huán)節(jié)：1）抬升吸附環(huán)節(jié).出風(fēng)口處接入負(fù)壓管道，進(jìn)風(fēng)口調(diào)節(jié)套筒下沿處于圖2中所示的h0位置.當(dāng)半殼貝送進(jìn)到進(jìn)風(fēng)口下方后，由定位氣缸推動(dòng)吸氣孔靠近半殼貝但不能接觸以防止破壞.在強(qiáng)負(fù)壓下，半殼貝將被抬升后吸附在進(jìn)風(fēng)口處.2）臟器抽取環(huán)節(jié).此環(huán)節(jié)由氣動(dòng)肌腱拉動(dòng)進(jìn)風(fēng)口調(diào)節(jié)套筒向上移動(dòng)至h1位置，在此過程中，高速氣流將內(nèi)臟團(tuán)向上抬升，直至內(nèi)臟團(tuán)與貝殼及閉殼肌脫離，臟器被抽吸通過出風(fēng)口進(jìn)入負(fù)壓發(fā)生器的收集倉(cāng)內(nèi).3）貝殼置回環(huán)節(jié).由氣動(dòng)肌腱進(jìn)一步將進(jìn)風(fēng)口調(diào)節(jié)套筒向上提升至h2位置，此時(shí)，進(jìn)風(fēng)口對(duì)貝殼產(chǎn)生的提升力小于貝殼的重力，貝殼落回原位置［4］，定位氣缸復(fù)位回到初始狀態(tài)，完成一個(gè)臟器分離過程.

1.2 主要參數(shù)確定

1.2.1 進(jìn)風(fēng)口參數(shù)

因扇貝臟器的幾何形狀不規(guī)則，且其物理特性差異較大，氣吸式臟器分離裝置中進(jìn)風(fēng)口是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵［5］.進(jìn)風(fēng)口的直徑受限于扇貝貝殼的大小，以殼高在50～65mm 的海灣扇貝為例，其外套膜處于貝殼邊緣內(nèi)側(cè)3～7mm 內(nèi).呼吸器和卵巢等臟器與外套膜之間還有6～10mm 的距離.針對(duì)這一規(guī)格的扇貝，在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取關(guān)鍵參數(shù)如下：進(jìn)風(fēng)口直徑為43mm，壁厚為1.2mm，進(jìn)風(fēng)口調(diào)節(jié)套筒壁厚為0.8mm，各零件均采用不銹鋼制作.

1.2.2 吸附負(fù)壓參數(shù)

自動(dòng)吸取半殼貝后在負(fù)壓下抽吸分離內(nèi)臟，之后完成拋殼的整個(gè)工作過程.能夠準(zhǔn)確完成的必要條件是吸附管道內(nèi)負(fù)壓和空氣流量在3個(gè)工作環(huán)節(jié)中分別得到準(zhǔn)確的控制.首先，在吸取半殼貝的階段，進(jìn)風(fēng)口調(diào)節(jié)套筒下沿處于圖2中所示的h0位置，負(fù)壓值應(yīng)保證在進(jìn)風(fēng)口與半殼貝之間距離5～10mm 時(shí)均能將半殼貝提升并吸附；其次，在分離內(nèi)臟過程中，進(jìn)風(fēng)口調(diào)節(jié)套筒下沿在h0與h1之間快速往復(fù)，應(yīng)保證氣流速度盡可能高，同時(shí)應(yīng)保證進(jìn)風(fēng)口調(diào)節(jié)套筒下沿在h1位置時(shí)半殼貝不能脫落；最后，在進(jìn)風(fēng)口調(diào)節(jié)套筒下沿調(diào)至h2位置時(shí)，完成內(nèi)臟分離后只有閉殼肌留存的一側(cè)貝殼，應(yīng)該能夠在重力作用下順利脫離進(jìn)風(fēng)口的吸附，而被置回到輸送裝置以進(jìn)行后續(xù)取貝柱工序.

圖3 氣室部件結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure diagram of the air chamber

1.2.3 泄壓口參數(shù)

去掉一側(cè)貝殼后的半殼貝在經(jīng)過內(nèi)臟分離后，只剩閉殼肌和另一側(cè)貝殼.為了后續(xù)取柱等生產(chǎn)工序的進(jìn)行，在真空發(fā)生器不停機(jī)的條件下，使剩余的貝殼從進(jìn)風(fēng)口自動(dòng)置回到送料裝置，必須將進(jìn)風(fēng)口處的壓力降低，為此在進(jìn)風(fēng)口上部設(shè)計(jì)泄壓口，如圖3所示.在臟器分離階段保證泄壓口封閉，不能減弱分離負(fù)壓.而在置回階段打開泄壓口將負(fù)壓降到盡可能低，以保證貝殼的吸附力足夠小，在重力作用下完成置回.

2 變截面進(jìn)風(fēng)口流場(chǎng)數(shù)值模擬

管路內(nèi)的負(fù)壓大小、空氣流量及進(jìn)風(fēng)口斷面結(jié)構(gòu)對(duì)負(fù)壓分離扇貝內(nèi)臟的效果影響較為復(fù)雜，而且空氣的流動(dòng)難以預(yù)測(cè)，對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)的反復(fù)實(shí)驗(yàn)成本高，效率低［6］.因此，本文運(yùn)用Flow－EFD軟件對(duì)變截面進(jìn)風(fēng)口的流場(chǎng)特性分別在抬升吸附、內(nèi)臟分離和帶柱貝殼置回3個(gè)階段進(jìn)行數(shù)值模擬.

2.1 進(jìn)風(fēng)口氣室的物理模型

氣吸式扇貝臟器分離裝置的氣室下端的變截面進(jìn)風(fēng)口部分均勻分布10個(gè)切口，每個(gè)切口由下部的一段上下底邊長(zhǎng)度分別為8mm 和12mm 的梯形和上部的一個(gè)半徑5mm 孔組合而成，如圖3所示。前期試驗(yàn)表明，內(nèi)臟團(tuán)在負(fù)壓作用下分散并拉長(zhǎng)，臟器中的卵巢由于體積最大、質(zhì)量最大而成為臟器分離過程中的重點(diǎn)對(duì)象.統(tǒng)計(jì)表明該規(guī)格扇貝的卵巢在伸展?fàn)顟B(tài)下與貝殼脫離前，伸展長(zhǎng)度平均為82mm，為此連接負(fù)壓發(fā)生器的出風(fēng)口從距離氣室下端面78mm 的位置開始折彎.此距離保證內(nèi)臟團(tuán)在負(fù)壓作用下分散并拉長(zhǎng)后，卵巢達(dá)到進(jìn)風(fēng)口通道的水平段.此刻，內(nèi)臟團(tuán)與貝殼及閉殼肌分離過程中，負(fù)壓氣流不用承擔(dān)卵巢的重力，而卵巢在氣流中所受到的吸力卻可以輔助牽引外套膜等從貝殼撕裂，以獲得內(nèi)臟團(tuán)與貝殼及閉殼肌之間盡可能大的分離力.

2.2 建模及網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格質(zhì)量的好壞，對(duì)流場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果至關(guān)重要［7］.變截面進(jìn)風(fēng)口周圍的流場(chǎng)在不同開度下的分布狀況是氣吸式扇貝臟器分離裝置工作性能的關(guān)鍵.為了便于分析，對(duì)模型做如下假設(shè)：1）流體介質(zhì)為10℃的不可壓縮空氣.2）流場(chǎng)進(jìn)出口的壓力均勻穩(wěn)定.3）因?yàn)樯蓉悆?nèi)臟團(tuán)中除了閉殼肌其他各部分均非常柔軟，在吸附氣流中會(huì)展開拉長(zhǎng)成為纖細(xì)條帶狀，為此本文的流場(chǎng)模擬中將閉殼肌簡(jiǎn)化為處于扇貝中間的一個(gè)直徑12mm高14mm 的圓柱體，而忽略其他臟器的影響.

將進(jìn)風(fēng)口進(jìn)行離散化，共劃分約170 000個(gè)六面體網(wǎng)格單元.

2.3 控制方程及求解方式

氣吸式扇貝臟器分離裝置工作過程中，半殼貝吸附抬升、內(nèi)臟團(tuán)抽取和貝殼置回3個(gè)環(huán)節(jié)均需在特定的穩(wěn)定條件下進(jìn)行，因此將3個(gè)模擬過程均視為三維定常流動(dòng).模型結(jié)構(gòu)以圓管為主體，兩管相交的折彎位置易產(chǎn)生湍流，因此控制方程采用k－ε 標(biāo)準(zhǔn)湍流模型.

2.4 邊界條件

采用RE1311型風(fēng)壓風(fēng)速風(fēng)量?jī)x對(duì)抽氣管路中的管道內(nèi)壓力、流速、流量進(jìn)行測(cè)量，并采用壓力表對(duì)進(jìn)氣口中心位置的壓力進(jìn)行檢測(cè).試驗(yàn)在調(diào)節(jié)套筒處于不同高度，以及有無貝殼的4種條件下進(jìn)行.檢測(cè)結(jié)果如表1所示，檢測(cè)結(jié)果用于在設(shè)計(jì)過程中作為模擬分析的邊界條件［7］.

表1 儀器檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Detection results with RE1311

2.5 3個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)值模擬

2.5.1 抬升吸附環(huán)節(jié)數(shù)值模擬

圖4 抬升半殼貝環(huán)節(jié)流場(chǎng)壓力分布Fig.4 Flow field pressure distribution in elevated step

調(diào)節(jié)套筒處于h0位置，半殼貝處于進(jìn)風(fēng)口下方15 mm處，此時(shí)將進(jìn)風(fēng)口壓力按100 627Pa代入Flo－EFD 進(jìn)行流場(chǎng)壓力分布模擬分析，外界大氣壓力取1.033×105Pa，壓力場(chǎng)流線的分析結(jié)果如圖4 所示.圖4 可見，流動(dòng)跡線平順無紊流.分析結(jié)果：貝殼上側(cè)的平均壓力為100 650Pa，貝殼下側(cè)為大氣壓力取為101 325Pa，貝殼表面積近似取3 300mm2，則貝殼受到向上的吸力約為2.2N.取統(tǒng)計(jì)樣本容量為1 500枚，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，殼高在65mm 以內(nèi)的半殼貝自重大于43 g的概率不足0.13%，取半殼貝自重力為向下的0.43N，則考慮吸力與重力，半殼貝將受到向上的1.77N 抬升力，能保證半殼貝有效地被吸附到進(jìn)氣口處.

2.5.2 臟器抽取環(huán)節(jié)流速分析

將調(diào)節(jié)套筒位置調(diào)整至h1，進(jìn)風(fēng)口打開，此時(shí)將出風(fēng)口流量按表1中90m3／h代入軟件進(jìn)行分析.流速分布跡線如圖5所示，進(jìn)風(fēng)口四周的進(jìn)氣比較均勻，內(nèi)部無紊流.在進(jìn)風(fēng)口向水平通道轉(zhuǎn)折的部位流速極值達(dá)到194m／s.進(jìn)風(fēng)口豎直管道內(nèi)流速大多處于30～70m／s，該風(fēng)速在實(shí)驗(yàn)中證明對(duì)臟器吸取過程是合適的.

2.5.3 貝殼置回環(huán)節(jié)數(shù)值模擬

由氣動(dòng)肌腱進(jìn)一步將進(jìn)風(fēng)口調(diào)節(jié)套筒向上提升至h2位置，此時(shí)，泄壓口打開，進(jìn)風(fēng)口對(duì)貝殼產(chǎn)生的提升力大幅下降.將實(shí)測(cè)的出口流量93m3／h代入軟件進(jìn)行模擬分析.如圖6的壓力分布和圖7的流速分布所示，在管路的折彎處發(fā)生了較為嚴(yán)重的紊流，這一點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的噪音得到了證實(shí).分析結(jié)果：貝殼上側(cè)的平均壓力為101 317Pa，貝殼下側(cè)大氣壓力取為101 325Pa，貝殼表面積仍取3 300mm2，則貝殼受到向上的吸力為0.039N.經(jīng)統(tǒng)計(jì)，所研究規(guī)格的扇貝其閉殼肌質(zhì)量最小值為3.4g，一片貝殼的最小質(zhì)量為3.8 g.將負(fù)壓吸力與貝殼及閉殼肌的重力合成，則完成臟器抽取后，單側(cè)貝殼（含閉殼肌）受到向下0.035N 的力.為此，能保證貝殼脫離進(jìn)風(fēng)口，落回到驅(qū)動(dòng)送料轉(zhuǎn)盤.

3 實(shí)驗(yàn)與分析

按照設(shè)計(jì)要求，制作了負(fù)壓吸附內(nèi)臟實(shí)驗(yàn)裝置.

圖5 進(jìn)氣門開啟后的流速跡線Fig.5 Intake valve opening of the velocity trace

圖6 泄壓口開啟后的壓力場(chǎng)分布Fig.6 Pressure field distribution of the pressure relief port after the opening

圖7 泄壓口開啟后的流速分布跡線Fig.7 Distribution of velocity trace when the pressure relief port opened

按殼高在50～65mm，隨機(jī)收取新鮮扇貝1 200枚進(jìn)行實(shí)驗(yàn).經(jīng)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，全部半殼貝均能在負(fù)壓抬升環(huán)節(jié)被吸起，94.5%的內(nèi)臟團(tuán)被成功摘取，92%的貝殼能完成置回.不能完整摘取的內(nèi)臟主要原因在于臟器與貝殼的黏連強(qiáng)度高，臟器在吸附階段如果發(fā)生斷裂，則臟器自身在氣流中的攜載能力下降，而造成不能摘取干凈.貝殼不能置回的原因主要是存在貝殼薄而寬大的情況，為此還要在后續(xù)的設(shè)計(jì)中對(duì)此問題進(jìn)行更為全面的改進(jìn).

4 結(jié)論

對(duì)通過負(fù)壓進(jìn)行扇貝內(nèi)臟摘取的工藝過程，采用k－ε 標(biāo)準(zhǔn)湍流模型，運(yùn)用Flow EFD 軟件分別對(duì)半殼貝抬升吸附、內(nèi)臟分離及貝殼置回3個(gè)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬和物理實(shí)驗(yàn).分析結(jié)果表明：1）數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際情況良好吻合；2）氣室下部氣流分布均勻，氣室內(nèi)吸孔之間的氣流沒有明顯干涉；3）半殼貝抬升吸附、內(nèi)臟分離及貝殼置回3個(gè)過程均能順利完成.本研究為全自動(dòng)扇貝剝殼取柱設(shè)備的研發(fā)提供了有效的數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)參照.但對(duì)貝殼置回和吸取過程中損傷貝柱的情況還需進(jìn)一步的研究.

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