厚壳贻贝脱肉装置设计及仿真分析

宋祖超 李振华 罗尔霖 倪洋 王健

【摘要】目前国内市场对于贝类产品脱肉仍主要采取人工刀具脱肉的方式，但是该方法一直存在着脱肉效率低、加工难度较大、贝肉品质得不到保证等诸多问题，而绿色环保、高效精确高压水射流加工技术，却可以完美的解决这些难题，但目前尚未运用到贝类产品的脱肉加工中。基于高压水射流技术，结合厚壳贻贝的相关生理参数，提出一种厚壳贻贝半壳脱肉装置的设计，并使用Ansys软件对设计的装置进行流体分析，得出喷嘴收缩角为60°时性能最佳，搭配腔体的使用能最大程度的保留肉质的完整度。该装置的设计可以提高贝类脱肉的加工效率、降低生产成本，进而推动贝类加工行业的发展。

【关键词】贝类脱肉;水射流;ANSYS;流体分析

【中图分类号】S986.1

【文献标识码】A

目前为了满足国内外的饮食新鲜贻贝的习惯，贻贝加工通常是人工使用刀具进行脱肉的方法来实现的。此方法生产效率低、肉质不完整、加工成本高，因此，贻贝半壳脱肉装置的研发势在必行。水射流在切割和清洗方面具有高效性，在很多领域已普及应用，如机械制造业、电子电刀、石油化工、轻工、船舶航运、食品、医疗、环保、建筑建材、市政工程等，水射流装置的关键零部件有喷嘴和腔体，喷嘴和腔体的结构设计决定了水射流的加工效果，从实验中可以得知，实心锥形喷嘴射出的水射流具有直线性、集中性、范围精准、不易堵塞等优点，但在食品加工和水产品加工中应用较少。腔体能够将水流同时流进三个喷嘴的进水口，起到连通器的作用，并保证了喷嘴进水口的压力和速度。国外He.H和Cipsy.Tabilo等人对贻贝超高压开壳脱肉方法进行研究，因采用高压来进行脱肉，所以不需要考虑贻贝复杂结构的影响。国内解秋阳、王家忠等人和胡静艳等人利用水射流分别对扇贝和贻贝进行脱肉的研究，在反复分析贻贝内壳面的构造后，已取得显著的试验成果。本研究将水射流技术应用于贻贝半壳脱肉，利用Fluent仿真软件，对贻贝水射流半壳脱肉装置所用实心锥形喷嘴和腔体的内流场水流动情况进行模拟分析。设计研发装置能够有效解决贻贝半壳脱肉的技术难点，克服目前市场上采用刀具进行的手工贻贝半壳脱肉过程中生产效率低的问题，为各国贻贝半壳脱肉的研究设计提供指导意见。同时，该装置的研发有利于提高贻贝的生产效率，推动贻贝的加工生产，扩大贻贝对国外的出口量，加快贻贝现代化加工生产智能化的流水生产线的产生。

1 流场基本理论

本研究中喷嘴和腔体内水的流动为不可压缩连续流动，所以流场的连续性方程和动量守恒方程都能够得到满足：

连续性方程为：

由于喷嘴和腔体中的水射流是粘性流体，其在喷嘴和腔体内的流动具有不可压缩性，并且与外界没有热量交换，因此，它遵循连续性方程和动量方程这两个控制方程。对流场基本理论进行研究，进而为喷嘴和腔体内流场的数值模拟奠定基础。

2 模型与方法

2.1 贻贝的内部曲线的拟合

水射流喷嘴的主要功能是将高压的水射流喷射出去，再通过贻贝的内部曲线的拟合，确定三个喷嘴在腔体上的定位，确保水射流始终沿着内壁曲线的切线方向喷射，使贻贝肉以最大完整度从贻贝内壳脱落，保证贻贝肉的品质。

由于贻贝肉的贴附离边缘还有一部分没有完全贴附，取外套膜边缘线宽度Smm区域，在该区域内通过选择5个点的位置并在GetData Graph Digitizer软件中确定该5个点的坐标，如图1所示，5个点坐标位置如表1所示：

通过Matlab软件对该区域5个点进行二次函数拟合，求解拟合函数程序为：

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

.

即函数关系表达式为：

y= -0.1422x2 +9.0747x-117.7819

因为在MATLAB中坐标系与厚壳贻贝建立的坐标系不一致，因此得出的图像并不是全部通过5个坐标点，而是在它们之间得到一条拟合函数，只要经过坐标系的转置可得到实际的拟合函数图像，因此得到的函数表达式可作为水射流喷嘴在腔体上的定位。

2.2 喷嘴、腔体结构模型

基于自己的前期对于厚壳贻贝内部曲线拟合来得到喷嘴的具体参数，本研究所用噴嘴结构模型为实心锥形喷嘴，其结构模型如图2所示。

其结构参数包括：喷嘴进水口直径D=6mm、喷嘴出水口直径d=1mm、出水口的圆柱段长度s=3mm、喷嘴收缩角φ=60°入水口直径D的值被喷嘴出水口的圆柱段长度s、出水口直径d、及内部收缩角φ的值所决定，射流的压力和角度被保持在恒值时，射流对贻贝的冲击性能被喷嘴的射流截面积和速度所决定。

基于自己的前期对于厚壳贻贝内部曲线拟合来得到喷嘴的具体参数，其腔体的静态结构模型如图3所示。

其结构参数包括：腔体长为50mm、宽为40mm、高为40mm、入口直径Di =20.376mm、腔体的三个相同的出口直径d1、d2、d3 =8.376mm。在射流压力一定的情况下，喷嘴进口的水的流量和压力取决于腔体的进口和腔体内部的管壁的大小。

2.3 网格模型与网格质量验证

2.3.1 网格模型。本研究所用实心锥形喷嘴属于轴对称结构，腔体为非对称结构，各自选取内部整体三维模型作为计算域，并进行网格无关性验证。本研究利用Ansys Workbench14.0软件中的Fluent里的Mesh对喷嘴、腔体典型模型的内流场进行网格划分，网格划分如图4、5所示。

喷嘴、腔体的网格单元均选择3D单元模型，网格类型选择Tetrahedrons（四面体网格），Transition-Slow（缓慢产生网格过渡），并在喷嘴、腔体的进、出水口的表面设置Inflation（膨胀层）来进一步提高表面的网格精度，网格划分尺寸均为0.003，网格节点被生成的总数分别为7943、27445，网格被生成的总数分别为22295、86782。

2.3.2 网格质量验证。网格质量决定了CFD-Fluent数值计算高效性和准确性。网格划分质量将直接影响求解的精度和求解的稳定性。网格数量较少，节点也随之减少，数值计算精度降低网格数量较多，节点也随之增加，产生负体积，使数值计算速度降低，效率降低且影响正常计算结果，因此，网格质量性验证是数值模拟中关键性的环节。影响网格质量的重要因素有单元质量和倾斜度。

根据单元质量和倾斜度的评判标准，喷嘴的单元质量约为0.998，倾斜度约为0.763。经检验，喷嘴单元质量为优秀，倾斜度为好。腔体单元质量约为0.999，倾斜度约为0.909。经检验，腔体单元质量为优秀，倾斜度为接受。综上所述，喷嘴和腔体的网格质量均符合标准，可进行下一步操作。

2.4 Fluent仿真模型

2.4.1数值模拟方法及参数设置。当模型被Fluent求解时，标准的k一ε湍流模型被用在湍流模型上，忽略模型的相变和传热。单相流是喷嘴内部的流场，主相是液态纯水。标准壁面函数被用在近壁处理上，基于压力的求解器被使用在里面，SIMPLEC压力一速度耦合算法被当做求解方法，压力插值使用二阶格式。

在常温（ 200C）下，水的密度为1000kg/ ma，运动粘度为1.003×10^-6nt2/s，质量和动量选项被设置为不打滑，并且粗糙度选项被设置为平滑。在初始条件设置中，静压选项的自动值被选为3MPa。模拟类型为稳态模拟，模型被设置为湍流，将最大迭代步骤数设置为100个步骤。默认设置被用于模型的其他选项。

2.4.2边界条件的设定。喷嘴的进水口被设置为人口边界，出水口为出口边界，底部横向截面被设为对称面，其余的一个圆锥面和两个圆柱面均被设定为壁面边界。速度人口被设定为入口边界，人口处速度值可由公式V=Q/A计算得出，其中Q=6Umm。设定腔体进水口为入口边界，出水口为出口边界，底部纵向截面被设定为对称面，其余管道的圆柱面和顶部端面均被设置为壁面边界。速度入口被设定为入口边界，入口处速度值可由公式V=Q/A计算得出，其中Q=12Umin。压力出口边界都被选用并设定P=101325Pa。设置壁面边界时，设置质量和动量为无滑移状态，粗糙度被设置为平滑状态。在初始条件设置中，静压的自动值被设置3Mpa。模拟类型被设置为稳态模拟，模型设置为湍流，选择标准k-ε计算模型，并且没有浮力和热扩散。在求解控制设置中，选择了高阶求解模式，并且最大迭代步骤数设置为100个步骤。对于模型的其他选项均被设置为默认。

3 流场仿真结果分析

3.1 喷嘴速度云图、压力云图仿真

喷嘴仿真所得的速度云图如图6、7、8所示。

从图6可以看出喷嘴的进水口的水流速度为13.09m/s，从图7可以看出喷嘴的出水口的水流速度为1 17.8m/s，喷嘴的水射流速度达到壳肉分离的标准，满足喷嘴的设计要求，从图8可以看出喷嘴内流场水流速度在出水口区域变化明显，其他地方没有明显的变化。喷嘴出口处速度分布以喷嘴对称轴均匀分布两侧，离对称轴越近速度越大。内流场中心速度分布几乎呈直线，说明对称轴心处速度分布均匀，射流打击力分布均匀，有利于壳肉分离。

喷嘴仿真所得的压力云图如图9、10、1 1所示。

从图9可以看出喷嘴的进水口的水流压力为1176Pa，从图10可以看出喷嘴的出水口的水流压力为495.2Pa，喷嘴的水射流压力达到壳肉分离的标准，满足喷嘴的设计要求，从图11可以看出喷嘴内部压力在收敛段以及出口段变化明显，在同一出口直径的喷嘴内流场压力由人口至出口呈递减趋势，其他地方变化不大。内流场压力分布很均匀，最大值出现在收缩角处，有利于增大出口处射流速度和射流打击力，切割能力强，更好的实现贻贝的半壳脱肉。

3.2 喷嘴速度云图、压力云图仿真

腔体仿真所得的速度云图如图12、13、14所示。

从图12可以看出腔体的进水口的水流速度为12.65m/s，从图13可以看出腔体的三个出水口的水流速度从左到右依次为25.3m/s、101.2m/s、25.3m/s，腔体的流出水射流速度均大于喷嘴流入水射流速度，达到壳肉分离的标准，满足腔体的设计要求，从图14可以看出腔体内流场水流速度在出口段和管道内部变化明显，其他地方变化不大。与腔体进水口相对的出水口，速度分布明显高于其他两个出口段，说明该出水口的速度将大于其他两个出水口，由贻贝的内部曲线的拟合可知，C点处是贻贝壳与肉贴附最多、最紧密的部位，为C点提供最大的冲击水流速度，更有利于贻贝壳与肉的分离。腔体的三个出口处速度以三个管道的对称轴均匀分布两侧，离对称轴越近速度越大。腔体三个出口处的管道内流场速度分布几乎呈直线，说明对称轴心处速度分布均匀，射流打击力分布均匀，有利于壳肉分离。

腔体仿真所得的压力云图如图15、16、17所示。

从图15可以看出腔体的进水口的水流压力为6051000Pa，从图16可以看出腔体的三个出水口的水流压力约为377350Pa，腔体的流出水射流压力均大于喷嘴流入水射流压力，达到壳肉分离的标准，满足腔体的设计要求，从图17可以看出腔体内流场压力在进口段变化明显，在同一出口直径的喷嘴内流场压力由入口至出口呈递减趋势，其他地方变化不大。与腔体进水口相对的出水口，压力分布明显高于其他两个出口段，说明该出水口的压力将大于其他两个出水口，由貽贝的内部曲线的拟合可知，C点处是贻贝壳与肉贴附最多、最紧密的部位，为C点提供最大的冲击水流压力，更有利于贻贝壳与肉的分离。腔体三个出口处的管道内流场压力分布均匀，有利于增大出口处射流速度和射流打击力，切割能力强，更好的实现贻贝的半壳脱肉。

4 结论

（1）通过对厚壳贻贝结构和生理特点，确定了喷嘴在腔体上的定位。结合水射流的特点及其在食品、医疗等领域的应用，论证了水射流用于闭壳肌剥离的可行性，从而确定了水射流的类型和喷嘴的类型。

（2）通过对水流在喷嘴和腔体内流动特征的探究，构建了水流流动的湍流模型，即k一ε模型以及制约内部流动的质量及动量方程，给出了对于喷嘴和腔体近壁处流动问题的解决办法，即应用低Re数k一ε模型，对壁面区划分致密网格。确定了对求解域应用有限体积法以及以非结构网格为基础的SIMPLE算法，为内部流动状态的模拟研究做了理论铺垫。

（3）进一步优化喷嘴内部结构，改善喷嘴内部流动状况。并在原先单个喷嘴的基础上，增加到三个喷嘴，并设计出了与喷嘴相匹配的腔体，使喷嘴与腔体做到最佳匹配，增加喷嘴和腔体的使用寿命并进一步提高厚壳贻贝半壳脱肉的质量，分别对喷嘴和腔体的进水口、出水口、内部流动进行理论分析和仿真分析，最终确定了壳贻贝半壳脱肉装置中的喷嘴的参数，即收缩角为60度、出口直径为1mm、出口段长度为3mm;腔体的参数，即出水口直径与喷嘴的入水口直径相同，并由螺纹连接;射流压力为3MPa;并与步进电机搭配使用，用于实时调整喷嘴的射流入射角度始终为23度，确保水射流始终沿着壳体切线方向喷射，最大程度的使贻贝肉质完整。

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[作者简介]宋祖超（1994-），男，安徽滁州人，硕士研究生，研究方向：水产机械设计

[通信作者]李振华（1976-），女，教授，博士，研究方向：水产品加工。