張小明，詹春毅

近年來(lái)，隨著網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展[1]，養(yǎng)殖水質(zhì)的惡化日趨嚴(yán)重。囊網(wǎng)由于大量絲狀藻類等附著物的迅速繁生而堵塞網(wǎng)眼[2-3]，造成網(wǎng)箱的濾水性能降低，使網(wǎng)箱內(nèi)水流不暢而導(dǎo)致溶氧量降低、波動(dòng)變大，致使網(wǎng)箱中的魚類因缺氧或?yàn)V食不到浮游生物而生長(zhǎng)不良，導(dǎo)致魚病頻發(fā)，養(yǎng)殖魚品質(zhì)下降[4]。養(yǎng)殖水環(huán)境的惡化[5]，已經(jīng)成為制約我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)健康持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。

囊網(wǎng)的清洗成為深水網(wǎng)箱內(nèi)水環(huán)境物理修復(fù)的關(guān)鍵。目前國(guó)外的大部分洗網(wǎng)機(jī)主要以高壓水清洗為主[6]。國(guó)內(nèi)對(duì)囊網(wǎng)清洗設(shè)備還沒(méi)有進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)的研究[7-8]。由于深水網(wǎng)箱[9]遠(yuǎn)離岸邊，岸電供應(yīng)十分困難，國(guó)內(nèi)洗網(wǎng)機(jī)[10]的發(fā)展應(yīng)該朝著水動(dòng)力[11]及太陽(yáng)能電力驅(qū)動(dòng)的方向發(fā)展。洗網(wǎng)機(jī)[8]采用自旋轉(zhuǎn)水射流實(shí)現(xiàn)深水網(wǎng)箱的囊網(wǎng)清洗。旋轉(zhuǎn)噴頭[12-13]由于旋轉(zhuǎn)作用[14]，高壓水射流循環(huán)噴射在囊網(wǎng)附著物的各個(gè)點(diǎn)上，在足夠大的交變應(yīng)力下，囊網(wǎng)附著物逐漸擴(kuò)展至斷裂脫落，完成清洗任務(wù)[15]。水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)水動(dòng)力學(xué)理論分析表明其清洗效果顯著，射流打擊力足夠擊落囊網(wǎng)附著物。然而，現(xiàn)有的理論[16-17]尚缺少實(shí)驗(yàn)的論證。

文章旨在實(shí)驗(yàn)論證分析水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的清洗效率，為水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)提供水力學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 主要設(shè)備

如圖1所示，水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)[18]是利用歧管實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)式清洗囊網(wǎng)的一種水動(dòng)力裝備。將高壓水泵的出水口連接于高壓密封螺帽4，高壓水泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，高壓水流由高壓導(dǎo)管軸3的內(nèi)孔水流通道，到達(dá)歧管2，高壓水流從安裝在前擋板1的噴嘴5斜向噴出（根據(jù)圖1右中歧管2端部的傾斜角結(jié)構(gòu)得出），依靠高壓水流射出時(shí)作用于噴嘴5上的水流推力，固定噴嘴5的前檔板1迅速旋轉(zhuǎn)，并使得的4個(gè)噴嘴5噴射出高壓水柱，沖洗囊網(wǎng)。水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)所噴射出的水流是旋轉(zhuǎn)射出的，所以對(duì)囊網(wǎng)的清洗作用力和面積更大。另外，設(shè)置在前擋板1外圈上的螺旋槳6，也一并旋轉(zhuǎn)，螺旋槳6上的葉片在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生水流反作用力，促使水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中緊靠囊網(wǎng)，大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、增強(qiáng)了清洗囊網(wǎng)附著物的效果。

圖1 水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural sketch of high-pressure jet underwater netting-wash?ing machine

1.2 試驗(yàn)方法

（1）將四張2 m×3 m的網(wǎng)片放置在深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)，完全沒(méi)入海水一段時(shí)間后，網(wǎng)片上長(zhǎng)滿附著物(附著物主要組成為藻類與貝類)。

試驗(yàn)時(shí)，將網(wǎng)片從水中取出，連同框架和網(wǎng)片一起稱重，并對(duì)網(wǎng)片進(jìn)行編號(hào)（見(jiàn)圖2）和拍照。

（2）將整個(gè)框架放入水下；操作人員水下手持水下洗網(wǎng)機(jī)，對(duì)網(wǎng)片進(jìn)行單面的水平往復(fù)式清洗。

（3）操作人員拉緊繩子，示意清洗開(kāi)始，用秒表記錄清洗時(shí)間；將清洗后的網(wǎng)片從水中取出，連同框架和網(wǎng)片一起再次稱重(從水面取出時(shí)間與步驟（1）的時(shí)間相同)；對(duì)清洗后的網(wǎng)片再次拍照。

圖2 網(wǎng)片布置圖Fig.2 Layout of nettings

（4）在平臺(tái)上對(duì)清洗過(guò)的網(wǎng)片再次清洗，直至徹底清洗干凈后連同框架和網(wǎng)片放入水中后再次取出第三次稱重(從水面取出時(shí)間與步驟（1）的時(shí)間相同)；對(duì)徹底清洗干凈的網(wǎng)片第三次拍照。

（5）重復(fù)步驟（1）～（4），針對(duì)水下洗網(wǎng)機(jī)不同移動(dòng)速度（0.02 m/s，0.03 m/s），不同水深（1 m，3 m）對(duì)1號(hào)至4網(wǎng)片分別進(jìn)行清洗。

（6）洗凈率計(jì)算公式如下：

其中：η—洗凈率；

M1—清洗前(長(zhǎng)滿附著物)網(wǎng)片的質(zhì)量，單位為kg；

M2—徹底清洗干凈后(無(wú)附著物)網(wǎng)片的質(zhì)量，單位為kg；

M3—清洗后(洗網(wǎng)機(jī)沖洗后)網(wǎng)片的質(zhì)量，單位為kg。

按公式(1)分別計(jì)算出1號(hào)至4號(hào)網(wǎng)片的洗凈率，同時(shí)注明每片網(wǎng)片的清洗時(shí)間。

分別列出1號(hào)至4號(hào)網(wǎng)片的照片：①?gòu)氐浊逑锤蓛艉?無(wú)附著物)網(wǎng)片；②清洗前(長(zhǎng)滿附著物)網(wǎng)片；③清洗后(洗網(wǎng)機(jī)沖洗后)網(wǎng)片，作視覺(jué)比較。

2 結(jié)果與討論

圖3列出4號(hào)網(wǎng)片的照片：①?gòu)氐浊逑锤蓛艉?無(wú)附著物)網(wǎng)片；②清洗前(長(zhǎng)滿附著物)網(wǎng)片；③清洗后(洗網(wǎng)機(jī)沖洗后)網(wǎng)片。

圖3 水下洗網(wǎng)機(jī)清洗網(wǎng)片F(xiàn)ig.3 Cleaning netting by the water jet underwater netting-washing machine

如圖4所示，附著物主要組成為藻類與貝類，藻類簇密度為150簇/㎡，簇平均長(zhǎng)度為54 mm，其中附著力較強(qiáng)的為貝類。從圖3可以看出，網(wǎng)片經(jīng)水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)清洗后，絕大部分藻類被水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)沖洗干凈，所有貝類被水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)的射流打擊力擊落。水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)是采用旋轉(zhuǎn)的水射流打擊網(wǎng)片上的附著物，比非旋轉(zhuǎn)的射流打擊力更大[16]，對(duì)囊網(wǎng)附著物清洗作用力更大，效果更好。水下洗網(wǎng)機(jī)的4個(gè)噴嘴均勻地布置在轉(zhuǎn)盤上，并與轉(zhuǎn)盤軸成一定傾角；在水流作用力下，轉(zhuǎn)盤開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，4個(gè)噴嘴交織射出的高壓水流作用于囊網(wǎng)。其高壓水流的作用面積比直射式的大，且是圓面。試驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)單面清洗網(wǎng)片效果顯著，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，相對(duì)于傳統(tǒng)的更換囊網(wǎng)方式清洗囊網(wǎng)，清洗周期和效率大大提高了。

圖4 網(wǎng)片長(zhǎng)滿附著物的近照Fig.4 Expanding netting picture covered with attachments

表1 囊網(wǎng)的水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)單面清洗數(shù)據(jù)Tab.1 Single cleaning data of the netting by the water jet underwater netting-washing machine

依據(jù)表1的數(shù)據(jù)，可以看出水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)單面清洗各網(wǎng)片的效果良好，計(jì)算得出四張網(wǎng)片的平均清洗效率為85.2%，平均清洗時(shí)間為655.2 s。傳統(tǒng)的更換囊網(wǎng)方式清洗囊網(wǎng)，清洗周期長(zhǎng)、清洗成本高、效率低下。對(duì)比分析表明，水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)清洗囊網(wǎng)效果好，周期短，成本低，效率高。

從表1中可以看出，網(wǎng)片3和4的洗凈率為83.8%和93.7%，明顯高于網(wǎng)片1和2的洗凈率。從圖2可知，網(wǎng)片3和4位于上層，網(wǎng)片1和2位于下層。由于網(wǎng)片的清洗是潛水人員潛入水中操作的，位于下層的網(wǎng)片1和2操作難度更大，結(jié)果導(dǎo)致下層網(wǎng)片的洗凈率低于上層的。因此，這種現(xiàn)象要求必須設(shè)計(jì)水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)水下便攜式操作裝置代替人工操作。

3 結(jié)論

詳述了水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的清洗效率的實(shí)驗(yàn)方法和步驟；

從現(xiàn)場(chǎng)清洗圖片上說(shuō)明設(shè)計(jì)的水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)單面清洗網(wǎng)片效果顯著，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)；

從數(shù)據(jù)上說(shuō)明設(shè)計(jì)的水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)單面清洗網(wǎng)片效果顯著，洗凈率達(dá)到85.2%；

指出下一步的任務(wù)：設(shè)計(jì)水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)水下便攜式操作裝置代替人工操作。

參考文獻(xiàn)：

［1］吳慶龍，陳開(kāi)寧.大水面網(wǎng)圍精養(yǎng)對(duì)水環(huán)境的影響及其對(duì)策［J］.水產(chǎn)學(xué)報(bào)，1995（19）：343-349.

［2］ S.HODSEN， C.BURKE， A.BISSETT.Biofouling of fish-cage netting：the efficacy of a silicone coating and the effect of netting colour ［J］.Aquaculture， 2000，184：277-290.

［3］ J.MADIN， V.CHONG， B.BASRI.Development and short-term dynamics of macrofouling assemblages on f i sh-cage nettings in a tropical estuary ［J］.Estuarine，Coastal and Shelf Science， 2009（83）：19-29.

［4］ H.YOKOYAMA.Environmental quality criteria for fish farms in Japan ［J］.Aquaculture， 2003 （226）：45-56.

［5］ O.PEREZ， L.ROSS， T.TELFER， L.DEL CAMPO BARQUIN.Water quality requirements for marine fish cage site selection in Tenerife （Canary Islands）： pre?dictive modelling and analysis using GIS ［J］.Aquacul?ture， 2003（224）：51-68.

［6］薛勝雄，陳正文，盛業(yè)濤，等.美國(guó)高壓水射流技術(shù)現(xiàn)狀［C］.2006年中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)年會(huì)，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)，杭州，2006：11-17.

［7］鄒儉.水下高壓洗凈及洗凈機(jī)簡(jiǎn)介［J］.洗凈技術(shù)，2004（2）：18-20.

［8］黃小華，郭根喜，胡昱，等.輕型移動(dòng)式水下洗網(wǎng)裝置設(shè)計(jì)［J］.漁業(yè)現(xiàn)代化，2009（36）：49-52.

［9］郭根喜，陶啟友.我國(guó)深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖技術(shù)--及發(fā)展展望（下）［J］.科學(xué)養(yǎng)魚，2004（9）：10-11.

［10］宋協(xié)法，賈瑞，馬玉霞.渦旋水流式網(wǎng)箱清洗設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)［J］.中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（36）：733-738.

［11］ H.GAO， W.L.LIN， Z.H.DU.Numerical f l ow and performance analysis of a water-jet axial f l ow pump［J］.Ocean Engineering， 2008（35）：1604-1614.

［12］ 李安貴，劉庭成，丁宇.影響雙噴嘴旋轉(zhuǎn)速度的參數(shù)研究［J］.中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，1999（9）：20-24.

［13］ J.H.CAI， H.M.TSAI， F.LIU.Numerical simulation of vortical f l ows in the near f i eld of jets from notched cir?cular nozzles［J］.Computers&Fluids， 2010（39）：539-552.

［14］M.GRADECK， A.KOUACHI， A.DANI.Experimen?tal and numerical study of the hydraulic jump of an im?pinging jet on a moving surface ［J］.Experimental Thermal and Fluid Science， 2006（30）：193-201.

［15］ B.P.WHELAN， A.J.ROBBISON.Nozzle geometry ef?fects in liquid jet array impingement［J］.Applied Thermal Engineering， 2009（29）：2211-2221.

［16］ 張小明，郭根喜，陶啟友，等.高壓水射流水下洗網(wǎng)機(jī)旋轉(zhuǎn)射流打擊力計(jì)算［J］.漁業(yè)現(xiàn)代化，2010，37 （1）：25-28.

［17］張小明，郭根喜，陶啟友，等.歧管式高壓射流水下洗網(wǎng)機(jī)的設(shè)計(jì)［J］.南方水產(chǎn)，2010（6）：46-50.

［18］張小明.用于深水網(wǎng)箱的旋轉(zhuǎn)射流式網(wǎng)衣清洗機(jī)［P］.中國(guó)專利：ZL201520377678.1，2015.