水射流式水下洗网机清洗囊网的效率研究*

张小明，詹春毅

近年来，随着网箱养殖业的迅速发展[1]，养殖水质的恶化日趋严重。囊网由于大量丝状藻类等附着物的迅速繁生而堵塞网眼[2-3]，造成网箱的滤水性能降低，使网箱内水流不畅而导致溶氧量降低、波动变大，致使网箱中的鱼类因缺氧或滤食不到浮游生物而生长不良，导致鱼病频发，养殖鱼品质下降[4]。养殖水环境的恶化[5]，已经成为制约我国水产养殖业健康持续发展的关键因素之一。

囊网的清洗成为深水网箱内水环境物理修复的关键。目前国外的大部分洗网机主要以高压水清洗为主[6]。国内对囊网清洗设备还没有进行过系统的研究[7-8]。由于深水网箱[9]远离岸边，岸电供应十分困难，国内洗网机[10]的发展应该朝着水动力[11]及太阳能电力驱动的方向发展。洗网机[8]采用自旋转水射流实现深水网箱的囊网清洗。旋转喷头[12-13]由于旋转作用[14]，高压水射流循环喷射在囊网附着物的各个点上，在足够大的交变应力下，囊网附着物逐渐扩展至断裂脱落，完成清洗任务[15]。水射流式水下洗网机水动力学理论分析表明其清洗效果显著，射流打击力足够击落囊网附着物。然而，现有的理论[16-17]尚缺少实验的论证。

文章旨在实验论证分析水射流式水下洗网机旋转的清洗效率，为水射流式水下洗网机提供水力学设计实验依据。

1 材料与方法

1.1 主要设备

如图1所示，水射流式水下洗网机[18]是利用歧管实现转动式清洗囊网的一种水动力装备。将高压水泵的出水口连接于高压密封螺帽4，高压水泵运转时，高压水流由高压导管轴3的内孔水流通道，到达歧管2，高压水流从安装在前挡板1的喷嘴5斜向喷出（根据图1右中歧管2端部的倾斜角结构得出），依靠高压水流射出时作用于喷嘴5上的水流推力，固定喷嘴5的前档板1迅速旋转，并使得的4个喷嘴5喷射出高压水柱，冲洗囊网。水射流式水下洗网机所喷射出的水流是旋转射出的，所以对囊网的清洗作用力和面积更大。另外，设置在前挡板1外圈上的螺旋桨6，也一并旋转，螺旋桨6上的叶片在旋转时产生水流反作用力，促使水射流式水下洗网机在运行过程中紧靠囊网，大大减轻了工人的劳动强度、增强了清洗囊网附着物的效果。

图1 水射流式水下洗网机结构示意图Fig.1 Structural sketch of high-pressure jet underwater netting-wash⁃ing machine

1.2 试验方法

（1）将四张2 m×3 m的网片放置在深水网箱养殖区内，完全没入海水一段时间后，网片上长满附着物(附着物主要组成为藻类与贝类)。

试验时，将网片从水中取出，连同框架和网片一起称重，并对网片进行编号（见图2）和拍照。

（2）将整个框架放入水下；操作人员水下手持水下洗网机，对网片进行单面的水平往复式清洗。

（3）操作人员拉紧绳子，示意清洗开始，用秒表记录清洗时间；将清洗后的网片从水中取出，连同框架和网片一起再次称重(从水面取出时间与步骤（1）的时间相同)；对清洗后的网片再次拍照。

图2 网片布置图Fig.2 Layout of nettings

（4）在平台上对清洗过的网片再次清洗，直至彻底清洗干净后连同框架和网片放入水中后再次取出第三次称重(从水面取出时间与步骤（1）的时间相同)；对彻底清洗干净的网片第三次拍照。

（5）重复步骤（1）～（4），针对水下洗网机不同移动速度（0.02 m/s，0.03 m/s），不同水深（1 m，3 m）对1号至4网片分别进行清洗。

（6）洗净率计算公式如下：

其中：η—洗净率；

M1—清洗前(长满附着物)网片的质量，单位为kg；

M2—彻底清洗干净后(无附着物)网片的质量，单位为kg；

M3—清洗后(洗网机冲洗后)网片的质量，单位为kg。

按公式(1)分别计算出1号至4号网片的洗净率，同时注明每片网片的清洗时间。

分别列出1号至4号网片的照片：①彻底清洗干净后(无附着物)网片；②清洗前(长满附着物)网片；③清洗后(洗网机冲洗后)网片，作视觉比较。

2 结果与讨论

图3列出4号网片的照片：①彻底清洗干净后(无附着物)网片；②清洗前(长满附着物)网片；③清洗后(洗网机冲洗后)网片。

图3 水下洗网机清洗网片Fig.3 Cleaning netting by the water jet underwater netting-washing machine

如图4所示，附着物主要组成为藻类与贝类，藻类簇密度为150簇/㎡，簇平均长度为54 mm，其中附着力较强的为贝类。从图3可以看出，网片经水射流式水下洗网机清洗后，绝大部分藻类被水射流式水下洗网机冲洗干净，所有贝类被水射流式水下洗网机的射流打击力击落。水射流式水下洗网机是采用旋转的水射流打击网片上的附着物，比非旋转的射流打击力更大[16]，对囊网附着物清洗作用力更大，效果更好。水下洗网机的4个喷嘴均匀地布置在转盘上，并与转盘轴成一定倾角；在水流作用力下，转盘开始旋转，4个喷嘴交织射出的高压水流作用于囊网。其高压水流的作用面积比直射式的大，且是圆面。试验结果表明设计的水射流式水下洗网机单面清洗网片效果显著，达到预期的设计目标，相对于传统的更换囊网方式清洗囊网，清洗周期和效率大大提高了。

图4 网片长满附着物的近照Fig.4 Expanding netting picture covered with attachments

表1 囊网的水射流式水下洗网机单面清洗数据Tab.1 Single cleaning data of the netting by the water jet underwater netting-washing machine

依据表1的数据，可以看出水射流式水下洗网机单面清洗各网片的效果良好，计算得出四张网片的平均清洗效率为85.2%，平均清洗时间为655.2 s。传统的更换囊网方式清洗囊网，清洗周期长、清洗成本高、效率低下。对比分析表明，水射流式水下洗网机清洗囊网效果好，周期短，成本低，效率高。

从表1中可以看出，网片3和4的洗净率为83.8%和93.7%，明显高于网片1和2的洗净率。从图2可知，网片3和4位于上层，网片1和2位于下层。由于网片的清洗是潜水人员潜入水中操作的，位于下层的网片1和2操作难度更大，结果导致下层网片的洗净率低于上层的。因此，这种现象要求必须设计水射流式水下洗网机水下便携式操作装置代替人工操作。

3 结论

详述了水射流式水下洗网机旋转的清洗效率的实验方法和步骤；

从现场清洗图片上说明设计的水射流式水下洗网机单面清洗网片效果显著，达到预期的设计目标；

从数据上说明设计的水射流式水下洗网机单面清洗网片效果显著，洗净率达到85.2%；

指出下一步的任务：设计水射流式水下洗网机水下便携式操作装置代替人工操作。

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