厚殼貽貝脫肉裝置設(shè)計及仿真分析

宋祖超 李振華 羅爾霖 倪洋 王健

【摘要】目前國內(nèi)市場對于貝類產(chǎn)品脫肉仍主要采取人工刀具脫肉的方式，但是該方法一直存在著脫肉效率低、加工難度較大、貝肉品質(zhì)得不到保證等諸多問題，而綠色環(huán)保、高效精確高壓水射流加工技術(shù)，卻可以完美的解決這些難題，但目前尚未運用到貝類產(chǎn)品的脫肉加工中。基于高壓水射流技術(shù)，結(jié)合厚殼貽貝的相關(guān)生理參數(shù)，提出一種厚殼貽貝半殼脫肉裝置的設(shè)計，并使用Ansys軟件對設(shè)計的裝置進行流體分析，得出噴嘴收縮角為60°時性能最佳，搭配腔體的使用能最大程度的保留肉質(zhì)的完整度。該裝置的設(shè)計可以提高貝類脫肉的加工效率、降低生產(chǎn)成本，進而推動貝類加工行業(yè)的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】貝類脫肉;水射流;ANSYS;流體分析

【中圖分類號】S986.1

【文獻標(biāo)識碼】A

目前為了滿足國內(nèi)外的飲食新鮮貽貝的習(xí)慣，貽貝加工通常是人工使用刀具進行脫肉的方法來實現(xiàn)的。此方法生產(chǎn)效率低、肉質(zhì)不完整、加工成本高，因此，貽貝半殼脫肉裝置的研發(fā)勢在必行。水射流在切割和清洗方面具有高效性，在很多領(lǐng)域已普及應(yīng)用，如機械制造業(yè)、電子電刀、石油化工、輕工、船舶航運、食品、醫(yī)療、環(huán)保、建筑建材、市政工程等，水射流裝置的關(guān)鍵零部件有噴嘴和腔體，噴嘴和腔體的結(jié)構(gòu)設(shè)計決定了水射流的加工效果，從實驗中可以得知，實心錐形噴嘴射出的水射流具有直線性、集中性、范圍精準(zhǔn)、不易堵塞等優(yōu)點，但在食品加工和水產(chǎn)品加工中應(yīng)用較少。腔體能夠?qū)⑺魍瑫r流進三個噴嘴的進水口，起到連通器的作用，并保證了噴嘴進水口的壓力和速度。國外He.H和Cipsy.Tabilo等人對貽貝超高壓開殼脫肉方法進行研究，因采用高壓來進行脫肉，所以不需要考慮貽貝復(fù)雜結(jié)構(gòu)的影響。國內(nèi)解秋陽、王家忠等人和胡靜艷等人利用水射流分別對扇貝和貽貝進行脫肉的研究，在反復(fù)分析貽貝內(nèi)殼面的構(gòu)造后，已取得顯著的試驗成果。本研究將水射流技術(shù)應(yīng)用于貽貝半殼脫肉，利用Fluent仿真軟件，對貽貝水射流半殼脫肉裝置所用實心錐形噴嘴和腔體的內(nèi)流場水流動情況進行模擬分析。設(shè)計研發(fā)裝置能夠有效解決貽貝半殼脫肉的技術(shù)難點，克服目前市場上采用刀具進行的手工貽貝半殼脫肉過程中生產(chǎn)效率低的問題，為各國貽貝半殼脫肉的研究設(shè)計提供指導(dǎo)意見。同時，該裝置的研發(fā)有利于提高貽貝的生產(chǎn)效率，推動貽貝的加工生產(chǎn)，擴大貽貝對國外的出口量，加快貽貝現(xiàn)代化加工生產(chǎn)智能化的流水生產(chǎn)線的產(chǎn)生。

1 流場基本理論

本研究中噴嘴和腔體內(nèi)水的流動為不可壓縮連續(xù)流動，所以流場的連續(xù)性方程和動量守恒方程都能夠得到滿足：

連續(xù)性方程為：

由于噴嘴和腔體中的水射流是粘性流體，其在噴嘴和腔體內(nèi)的流動具有不可壓縮性，并且與外界沒有熱量交換，因此，它遵循連續(xù)性方程和動量方程這兩個控制方程。對流場基本理論進行研究，進而為噴嘴和腔體內(nèi)流場的數(shù)值模擬奠定基礎(chǔ)。

2 模型與方法

2.1 貽貝的內(nèi)部曲線的擬合

水射流噴嘴的主要功能是將高壓的水射流噴射出去，再通過貽貝的內(nèi)部曲線的擬合，確定三個噴嘴在腔體上的定位，確保水射流始終沿著內(nèi)壁曲線的切線方向噴射，使貽貝肉以最大完整度從貽貝內(nèi)殼脫落，保證貽貝肉的品質(zhì)。

由于貽貝肉的貼附離邊緣還有一部分沒有完全貼附，取外套膜邊緣線寬度Smm區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)通過選擇5個點的位置并在GetData Graph Digitizer軟件中確定該5個點的坐標(biāo)，如圖1所示，5個點坐標(biāo)位置如表1所示：

通過Matlab軟件對該區(qū)域5個點進行二次函數(shù)擬合，求解擬合函數(shù)程序為：

PX=[28.9 32.4 34.1 32.4 28.9];

PY=[37.3 33.5 26.3 20.4 14.1];

k=polyfit（PX，PY，2）;

x=[25： 0.1： 38];

fx=polyval（k，x）;

plot（PX， PY.r*，x，fx，b-）

求解出：

k= -0.1422 9.0747 -117.7819

.

即函數(shù)關(guān)系表達式為：

y= -0.1422x2 +9.0747x-117.7819

因為在MATLAB中坐標(biāo)系與厚殼貽貝建立的坐標(biāo)系不一致，因此得出的圖像并不是全部通過5個坐標(biāo)點，而是在它們之間得到一條擬合函數(shù)，只要經(jīng)過坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)置可得到實際的擬合函數(shù)圖像，因此得到的函數(shù)表達式可作為水射流噴嘴在腔體上的定位。

2.2 噴嘴、腔體結(jié)構(gòu)模型

基于自己的前期對于厚殼貽貝內(nèi)部曲線擬合來得到噴嘴的具體參數(shù)，本研究所用噴嘴結(jié)構(gòu)模型為實心錐形噴嘴，其結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

其結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：噴嘴進水口直徑D=6mm、噴嘴出水口直徑d=1mm、出水口的圓柱段長度s=3mm、噴嘴收縮角φ=60°入水口直徑D的值被噴嘴出水口的圓柱段長度s、出水口直徑d、及內(nèi)部收縮角φ的值所決定，射流的壓力和角度被保持在恒值時，射流對貽貝的沖擊性能被噴嘴的射流截面積和速度所決定。

基于自己的前期對于厚殼貽貝內(nèi)部曲線擬合來得到噴嘴的具體參數(shù)，其腔體的靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

其結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：腔體長為50mm、寬為40mm、高為40mm、入口直徑Di =20.376mm、腔體的三個相同的出口直徑d1、d2、d3 =8.376mm。在射流壓力一定的情況下，噴嘴進口的水的流量和壓力取決于腔體的進口和腔體內(nèi)部的管壁的大小。

2.3 網(wǎng)格模型與網(wǎng)格質(zhì)量驗證

2.3.1 網(wǎng)格模型。本研究所用實心錐形噴嘴屬于軸對稱結(jié)構(gòu)，腔體為非對稱結(jié)構(gòu)，各自選取內(nèi)部整體三維模型作為計算域，并進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證。本研究利用Ansys Workbench14.0軟件中的Fluent里的Mesh對噴嘴、腔體典型模型的內(nèi)流場進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分如圖4、5所示。

噴嘴、腔體的網(wǎng)格單元均選擇3D單元模型，網(wǎng)格類型選擇Tetrahedrons（四面體網(wǎng)格），Transition-Slow（緩慢產(chǎn)生網(wǎng)格過渡），并在噴嘴、腔體的進、出水口的表面設(shè)置Inflation（膨脹層）來進一步提高表面的網(wǎng)格精度，網(wǎng)格劃分尺寸均為0.003，網(wǎng)格節(jié)點被生成的總數(shù)分別為7943、27445，網(wǎng)格被生成的總數(shù)分別為22295、86782。

2.3.2 網(wǎng)格質(zhì)量驗證。網(wǎng)格質(zhì)量決定了CFD-Fluent數(shù)值計算高效性和準(zhǔn)確性。網(wǎng)格劃分質(zhì)量將直接影響求解的精度和求解的穩(wěn)定性。網(wǎng)格數(shù)量較少，節(jié)點也隨之減少，數(shù)值計算精度降低網(wǎng)格數(shù)量較多，節(jié)點也隨之增加，產(chǎn)生負(fù)體積，使數(shù)值計算速度降低，效率降低且影響正常計算結(jié)果，因此，網(wǎng)格質(zhì)量性驗證是數(shù)值模擬中關(guān)鍵性的環(huán)節(jié)。影響網(wǎng)格質(zhì)量的重要因素有單元質(zhì)量和傾斜度。

根據(jù)單元質(zhì)量和傾斜度的評判標(biāo)準(zhǔn)，噴嘴的單元質(zhì)量約為0.998，傾斜度約為0.763。經(jīng)檢驗，噴嘴單元質(zhì)量為優(yōu)秀，傾斜度為好。腔體單元質(zhì)量約為0.999，傾斜度約為0.909。經(jīng)檢驗，腔體單元質(zhì)量為優(yōu)秀，傾斜度為接受。綜上所述，噴嘴和腔體的網(wǎng)格質(zhì)量均符合標(biāo)準(zhǔn)，可進行下一步操作。

2.4 Fluent仿真模型

2.4.1數(shù)值模擬方法及參數(shù)設(shè)置。當(dāng)模型被Fluent求解時，標(biāo)準(zhǔn)的k一ε湍流模型被用在湍流模型上，忽略模型的相變和傳熱。單相流是噴嘴內(nèi)部的流場，主相是液態(tài)純水。標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)被用在近壁處理上，基于壓力的求解器被使用在里面，SIMPLEC壓力一速度耦合算法被當(dāng)做求解方法，壓力插值使用二階格式。

在常溫（ 200C）下，水的密度為1000kg/ ma，運動粘度為1.003×10^-6nt2/s，質(zhì)量和動量選項被設(shè)置為不打滑，并且粗糙度選項被設(shè)置為平滑。在初始條件設(shè)置中，靜壓選項的自動值被選為3MPa。模擬類型為穩(wěn)態(tài)模擬，模型被設(shè)置為湍流，將最大迭代步驟數(shù)設(shè)置為100個步驟。默認(rèn)設(shè)置被用于模型的其他選項。

2.4.2邊界條件的設(shè)定。噴嘴的進水口被設(shè)置為人口邊界，出水口為出口邊界，底部橫向截面被設(shè)為對稱面，其余的一個圓錐面和兩個圓柱面均被設(shè)定為壁面邊界。速度人口被設(shè)定為入口邊界，人口處速度值可由公式V=Q/A計算得出，其中Q=6Umm。設(shè)定腔體進水口為入口邊界，出水口為出口邊界，底部縱向截面被設(shè)定為對稱面，其余管道的圓柱面和頂部端面均被設(shè)置為壁面邊界。速度入口被設(shè)定為入口邊界，入口處速度值可由公式V=Q/A計算得出，其中Q=12Umin。壓力出口邊界都被選用并設(shè)定P=101325Pa。設(shè)置壁面邊界時，設(shè)置質(zhì)量和動量為無滑移狀態(tài)，粗糙度被設(shè)置為平滑狀態(tài)。在初始條件設(shè)置中，靜壓的自動值被設(shè)置3Mpa。模擬類型被設(shè)置為穩(wěn)態(tài)模擬，模型設(shè)置為湍流，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε計算模型，并且沒有浮力和熱擴散。在求解控制設(shè)置中，選擇了高階求解模式，并且最大迭代步驟數(shù)設(shè)置為100個步驟。對于模型的其他選項均被設(shè)置為默認(rèn)。

3 流場仿真結(jié)果分析

3.1 噴嘴速度云圖、壓力云圖仿真

噴嘴仿真所得的速度云圖如圖6、7、8所示。

從圖6可以看出噴嘴的進水口的水流速度為13.09m/s，從圖7可以看出噴嘴的出水口的水流速度為1 17.8m/s，噴嘴的水射流速度達到殼肉分離的標(biāo)準(zhǔn)，滿足噴嘴的設(shè)計要求，從圖8可以看出噴嘴內(nèi)流場水流速度在出水口區(qū)域變化明顯，其他地方?jīng)]有明顯的變化。噴嘴出口處速度分布以噴嘴對稱軸均勻分布兩側(cè)，離對稱軸越近速度越大。內(nèi)流場中心速度分布幾乎呈直線，說明對稱軸心處速度分布均勻，射流打擊力分布均勻，有利于殼肉分離。

噴嘴仿真所得的壓力云圖如圖9、10、1 1所示。

從圖9可以看出噴嘴的進水口的水流壓力為1176Pa，從圖10可以看出噴嘴的出水口的水流壓力為495.2Pa，噴嘴的水射流壓力達到殼肉分離的標(biāo)準(zhǔn)，滿足噴嘴的設(shè)計要求，從圖11可以看出噴嘴內(nèi)部壓力在收斂段以及出口段變化明顯，在同一出口直徑的噴嘴內(nèi)流場壓力由人口至出口呈遞減趨勢，其他地方變化不大。內(nèi)流場壓力分布很均勻，最大值出現(xiàn)在收縮角處，有利于增大出口處射流速度和射流打擊力，切割能力強，更好的實現(xiàn)貽貝的半殼脫肉。

3.2 噴嘴速度云圖、壓力云圖仿真

腔體仿真所得的速度云圖如圖12、13、14所示。

從圖12可以看出腔體的進水口的水流速度為12.65m/s，從圖13可以看出腔體的三個出水口的水流速度從左到右依次為25.3m/s、101.2m/s、25.3m/s，腔體的流出水射流速度均大于噴嘴流入水射流速度，達到殼肉分離的標(biāo)準(zhǔn)，滿足腔體的設(shè)計要求，從圖14可以看出腔體內(nèi)流場水流速度在出口段和管道內(nèi)部變化明顯，其他地方變化不大。與腔體進水口相對的出水口，速度分布明顯高于其他兩個出口段，說明該出水口的速度將大于其他兩個出水口，由貽貝的內(nèi)部曲線的擬合可知，C點處是貽貝殼與肉貼附最多、最緊密的部位，為C點提供最大的沖擊水流速度，更有利于貽貝殼與肉的分離。腔體的三個出口處速度以三個管道的對稱軸均勻分布兩側(cè)，離對稱軸越近速度越大。腔體三個出口處的管道內(nèi)流場速度分布幾乎呈直線，說明對稱軸心處速度分布均勻，射流打擊力分布均勻，有利于殼肉分離。

腔體仿真所得的壓力云圖如圖15、16、17所示。

從圖15可以看出腔體的進水口的水流壓力為6051000Pa，從圖16可以看出腔體的三個出水口的水流壓力約為377350Pa，腔體的流出水射流壓力均大于噴嘴流入水射流壓力，達到殼肉分離的標(biāo)準(zhǔn)，滿足腔體的設(shè)計要求，從圖17可以看出腔體內(nèi)流場壓力在進口段變化明顯，在同一出口直徑的噴嘴內(nèi)流場壓力由入口至出口呈遞減趨勢，其他地方變化不大。與腔體進水口相對的出水口，壓力分布明顯高于其他兩個出口段，說明該出水口的壓力將大于其他兩個出水口，由貽貝的內(nèi)部曲線的擬合可知，C點處是貽貝殼與肉貼附最多、最緊密的部位，為C點提供最大的沖擊水流壓力，更有利于貽貝殼與肉的分離。腔體三個出口處的管道內(nèi)流場壓力分布均勻，有利于增大出口處射流速度和射流打擊力，切割能力強，更好的實現(xiàn)貽貝的半殼脫肉。

4 結(jié)論

（1）通過對厚殼貽貝結(jié)構(gòu)和生理特點，確定了噴嘴在腔體上的定位。結(jié)合水射流的特點及其在食品、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用，論證了水射流用于閉殼肌剝離的可行性，從而確定了水射流的類型和噴嘴的類型。

（2）通過對水流在噴嘴和腔體內(nèi)流動特征的探究，構(gòu)建了水流流動的湍流模型，即k一ε模型以及制約內(nèi)部流動的質(zhì)量及動量方程，給出了對于噴嘴和腔體近壁處流動問題的解決辦法，即應(yīng)用低Re數(shù)k一ε模型，對壁面區(qū)劃分致密網(wǎng)格。確定了對求解域應(yīng)用有限體積法以及以非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格為基礎(chǔ)的SIMPLE算法，為內(nèi)部流動狀態(tài)的模擬研究做了理論鋪墊。

（3）進一步優(yōu)化噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)，改善噴嘴內(nèi)部流動狀況。并在原先單個噴嘴的基礎(chǔ)上，增加到三個噴嘴，并設(shè)計出了與噴嘴相匹配的腔體，使噴嘴與腔體做到最佳匹配，增加噴嘴和腔體的使用壽命并進一步提高厚殼貽貝半殼脫肉的質(zhì)量，分別對噴嘴和腔體的進水口、出水口、內(nèi)部流動進行理論分析和仿真分析，最終確定了殼貽貝半殼脫肉裝置中的噴嘴的參數(shù)，即收縮角為60度、出口直徑為1mm、出口段長度為3mm;腔體的參數(shù)，即出水口直徑與噴嘴的入水口直徑相同，并由螺紋連接;射流壓力為3MPa;并與步進電機搭配使用，用于實時調(diào)整噴嘴的射流入射角度始終為23度，確保水射流始終沿著殼體切線方向噴射，最大程度的使貽貝肉質(zhì)完整。

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[作者簡介]宋祖超（1994-），男，安徽滁州人，碩士研究生，研究方向：水產(chǎn)機械設(shè)計

[通信作者]李振華（1976-），女，教授，博士，研究方向：水產(chǎn)品加工。