基于水面懸浮垃圾收集裝置的有序水流生成系統(tǒng)機(jī)理分析和應(yīng)用研究

尹藝臻 張勁 李麒麟 張?jiān)?/p>

研究背景

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)水面懸浮垃圾的清理收集主要通過(guò)人力捕撈方式和機(jī)動(dòng)船收集方式，對(duì)懸崖岸邊附近水域、小水面水域、淺水面水域和機(jī)動(dòng)船無(wú)法到達(dá)的重要水域（如取水口水域、躉船回水水域、橋墩回水水域等），以及無(wú)法依靠人力捕撈方式實(shí)現(xiàn)清理收集的特殊水域的水面懸浮垃圾的清理收集，還未找到根本上的解決辦法。針對(duì)這一情況，我設(shè)計(jì)了水面懸浮垃圾收集裝置，實(shí)現(xiàn)水面懸浮垃圾順著有序水流自動(dòng)進(jìn)入收集裝置，能很方便地進(jìn)行垃圾清理收集。

系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)組成

水面懸浮垃圾收集裝置由驅(qū)動(dòng)及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、有序水流生成系統(tǒng)、浮力系統(tǒng)、集渣和儲(chǔ)渣系統(tǒng)、電源系統(tǒng)5部分組成。

驅(qū)動(dòng)及轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 由集渣倉(cāng)兩側(cè)的防水電機(jī)在同步控制器精確控制下驅(qū)動(dòng)高效葉輪實(shí)現(xiàn)水面懸浮垃圾收集裝置的直線(xiàn)前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向。兩側(cè)防水電機(jī)M1和M2由同步驅(qū)動(dòng)控制器控制，使M1、M2驅(qū)動(dòng)的葉輪轉(zhuǎn)速同步，可以實(shí)現(xiàn)收集裝置的直線(xiàn)前進(jìn)或后退；使M1、M2驅(qū)動(dòng)的葉輪轉(zhuǎn)速不同，則可以實(shí)現(xiàn)收集裝置的轉(zhuǎn)向。

有序水流生成系統(tǒng) 根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)的基本方程，設(shè)計(jì)采用充電式水泵，通過(guò)水泵的抽水、排水工作，在表層水流生成“集渣斗—儲(chǔ)渣倉(cāng)—排水口”完整通暢的有序水流，從而實(shí)現(xiàn)水面懸浮垃圾順著有序水流方向進(jìn)入集渣斗，然后到儲(chǔ)渣倉(cāng)進(jìn)行有效的過(guò)濾收集。有序水流的生成極大方便了特殊重要水域、懸崖岸邊附近水域、小水面水域、淺水面水域的水面懸浮垃圾清理收集，從根本上解決了機(jī)動(dòng)船和人力捕撈無(wú)法進(jìn)入這些水域進(jìn)行垃圾收集這一技術(shù)難題。

浮力系統(tǒng) 水面懸浮垃圾收集裝置工作在水體中，主要清理收集懸浮垃圾，因此計(jì)算出水流的浮力尤為重要。根據(jù)流體力學(xué)中浮體和潛體的規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，用以設(shè)計(jì)裝置的浮力系統(tǒng)。

集渣和儲(chǔ)渣系統(tǒng) 裝置集渣斗設(shè)計(jì)成扇形結(jié)構(gòu)，收集面更大，收集效率更高。裝置儲(chǔ)渣倉(cāng)設(shè)計(jì)成兩級(jí)過(guò)濾網(wǎng)分級(jí)過(guò)濾，可逐級(jí)收集不同大小的懸浮垃圾，提高收集效率和過(guò)濾效果，同時(shí)有效防止水中垃圾進(jìn)入充電式水泵中造成堵塞。

電源系統(tǒng) 水面懸浮垃圾收集裝置的直線(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、有序水流生成、浮力生成、垃圾收集等所有工作均采用全電力驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了零污染、零排放。

結(jié)構(gòu)組成

水面懸浮垃圾收集裝置由扇形集渣斗、儲(chǔ)渣倉(cāng)、密封水泵倉(cāng)、充電式水泵、懸浮球、過(guò)濾網(wǎng)、葉輪和防水電機(jī)組成。裝置采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可根據(jù)水面垃圾區(qū)域的大小，采用大型、中型或小型結(jié)構(gòu)的水面懸浮垃圾收集裝置進(jìn)行清理收集，應(yīng)用范圍更廣。由于裝置各部分采用模塊化結(jié)構(gòu)，安裝調(diào)試方便、簡(jiǎn)單、靈活。裝置采用輕便、防腐蝕的鋁合金和高強(qiáng)度工程塑料制造，重量輕，耗電量少，節(jié)能減排。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試

系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了驗(yàn)證各系統(tǒng)的正確性和可靠性，本實(shí)驗(yàn)研究依托重慶大學(xué)資源綜合利用及工程研究中心的水力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行各分系統(tǒng)的仿真測(cè)試。

驅(qū)動(dòng)及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)測(cè)試

同步控制器測(cè)試 兩側(cè)防水電機(jī)M1和M2由同步驅(qū)動(dòng)控制器控制，使M1、M2驅(qū)動(dòng)的葉輪轉(zhuǎn)速同步，可以實(shí)現(xiàn)收集裝置的直線(xiàn)前進(jìn)或后退；使M1、M2驅(qū)動(dòng)的葉輪轉(zhuǎn)速不同，則可以實(shí)現(xiàn)收集裝置的轉(zhuǎn)向。具體有：轉(zhuǎn)速n1>n2時(shí)，裝置沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)向；轉(zhuǎn)速n1

驅(qū)動(dòng)電機(jī)及葉輪測(cè)試 水面懸浮垃圾收集裝置由集渣斗兩側(cè)的防水電機(jī)在同步控制器控制下驅(qū)動(dòng)高效葉輪實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向。測(cè)試結(jié)果顯示，驅(qū)動(dòng)電機(jī)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

有序水流生成系統(tǒng)——充電式水泵測(cè)試

根據(jù)水面懸浮垃圾收集裝置的最大收集垃圾載荷和充電式水泵的功率等特性參數(shù)，對(duì)充電式水泵進(jìn)行充放電測(cè)試和水泵特性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

浮力測(cè)試

根據(jù)水面懸浮垃圾收集裝置實(shí)際應(yīng)用工況，測(cè)試裝置產(chǎn)生的浮力及其浮力中心位置。

系統(tǒng)合成測(cè)試

經(jīng)過(guò)上述分項(xiàng)測(cè)試后，系統(tǒng)裝配進(jìn)行合成測(cè)試，根據(jù)裝置的實(shí)際工作環(huán)境進(jìn)行模擬仿真測(cè)試，測(cè)試結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

仿真實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

根據(jù)有序水流生成系統(tǒng)的水力學(xué)分析和最優(yōu)斷面分析，研究得出了產(chǎn)生最大有序水流流量的集渣斗形狀和開(kāi)口尺寸。為了驗(yàn)證其正確性，利用fluent軟件平臺(tái)，結(jié)合流體力學(xué)理論，對(duì)有序水流生成系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬。按10∶1尺寸制造實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，分別按長(zhǎng)方形口、梯形口、圓形口3種形狀和多種不同尺寸形成的集渣斗對(duì)其產(chǎn)生的有序水流流量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果顯示，同等條件下梯形口的速度云圖面積最大，說(shuō)明梯形口的有序水流范圍更大，波及面更廣，中間形成有序水流的層流，兩邊緣區(qū)域形成湍流。并且梯形口的有序水流速度最大，層流范圍最大，有序水流最均勻。梯形口形狀和按水力最優(yōu)斷面理論計(jì)算出標(biāo)稱(chēng)尺寸的集渣斗產(chǎn)生了最大有序水流。

結(jié)論及創(chuàng)新點(diǎn)

經(jīng)各系統(tǒng)仿真測(cè)試和有序水流生成系統(tǒng)機(jī)理分析，利用fluent軟件平臺(tái)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證，提出了通過(guò)有序水流生成系統(tǒng)自動(dòng)清理收集水面懸浮垃圾的理念和方法，從根本上解決了機(jī)動(dòng)船收集和人力捕撈方式在一些特殊小型水面水域、淺水水域、懸崖岸邊附近水域和一些特殊重要水域無(wú)法實(shí)現(xiàn)清理收集水面懸浮垃圾這一技術(shù)難題。

該項(xiàng)目獲得第34屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競(jìng)賽項(xiàng)目中學(xué)組工程學(xué)一等獎(jiǎng)。

專(zhuān)家評(píng)語(yǔ)

本項(xiàng)目觀點(diǎn)新穎，論證充分，理論與案例結(jié)合，達(dá)到了水面懸浮垃圾全面清理的目的。對(duì)于同水域進(jìn)行科學(xué)分析，提出了有序水流生成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水面懸浮垃圾有序水流的自動(dòng)收集。建議進(jìn)一步改進(jìn)不同方向水流的收集技術(shù)，達(dá)到更加全面系統(tǒng)的垃圾收集。■