气吸式扇贝脏器分离装置流场计算机模拟

齐晓娜，姜海勇，邢雅周

（1.河北金融学院 信息管理与工程系，河北 保定 071051；2.河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071001）

中国沿海地区大面积人工养殖海湾扇贝，生鲜闭壳肌的获取一直以来采取手工生产的方式，刀具对贝柱的割裂过程造成严重损伤和污染，制约了产品质量和经济效益的提升［1－2］.研究表明在加热条件下闭壳肌与贝壳能够可靠分离［3］，但内脏结构复杂，内脏团与闭壳肌结合紧密，不易分离.如何将扇贝内脏与闭壳肌进行分离成为自动化采集海湾扇贝闭壳肌的关键环节.

研究一种气吸式扇贝脏器分离装置，用于在除掉单侧贝壳后（此时称为半壳贝），贝柱和扇贝脏器留存在另一侧贝壳内的状态下，以气吸的方式将内脏取出，仅留存闭壳肌于该侧贝壳内，待后面工序再行摘取.本文以气吸式扇贝脏器分离装置的气室为研究对象，在整体气室数值模拟的基础上对不同形状侧孔在空载及负载情况下的流场进行模拟，为扇贝自动剥壳设备的研发设计奠定理论基础.

1 分离装置结构原理及主要参数

1.1 设备结构及工作原理

气吸式扇贝脏器分离设备的系统组成如图1所示.其工作过程为：负压收集机首先建立气吸负压；去掉上侧贝壳的半壳贝由送料转盘在伺服电机的驱动下，准确送至吸孔组件的进风口下方；之后，控制系统输出信号控制各电磁阀动作，将内脏与贝壳及闭壳肌分离后，仅附着闭壳肌的贝壳随转盘继续旋转到后续工序，以实现连续生产.

气吸式扇贝脏器分离设备的关键机构是气吸分离装置，该装置主要包括变截面进风口、进风口调节套筒、气动肌腱、出风口、定位气缸等，结构示意如图2所示.

图1 气吸式扇贝脏器分离设备Fig.1 Scallop viscera separating device with air suction

图2 气吸分离装置结构示意Fig.2 Structure diagram of the dividing device

其工作过程主要分为3个环节：1）抬升吸附环节.出风口处接入负压管道，进风口调节套筒下沿处于图2中所示的h0位置.当半壳贝送进到进风口下方后，由定位气缸推动吸气孔靠近半壳贝但不能接触以防止破坏.在强负压下，半壳贝将被抬升后吸附在进风口处.2）脏器抽取环节.此环节由气动肌腱拉动进风口调节套筒向上移动至h1位置，在此过程中，高速气流将内脏团向上抬升，直至内脏团与贝壳及闭壳肌脱离，脏器被抽吸通过出风口进入负压发生器的收集仓内.3）贝壳置回环节.由气动肌腱进一步将进风口调节套筒向上提升至h2位置，此时，进风口对贝壳产生的提升力小于贝壳的重力，贝壳落回原位置［4］，定位气缸复位回到初始状态，完成一个脏器分离过程.

1.2 主要参数确定

1.2.1 进风口参数

因扇贝脏器的几何形状不规则，且其物理特性差异较大，气吸式脏器分离装置中进风口是设计的关键［5］.进风口的直径受限于扇贝贝壳的大小，以壳高在50～65mm 的海湾扇贝为例，其外套膜处于贝壳边缘内侧3～7mm 内.呼吸器和卵巢等脏器与外套膜之间还有6～10mm 的距离.针对这一规格的扇贝，在试验基础上，选取关键参数如下：进风口直径为43mm，壁厚为1.2mm，进风口调节套筒壁厚为0.8mm，各零件均采用不锈钢制作.

1.2.2 吸附负压参数

自动吸取半壳贝后在负压下抽吸分离内脏，之后完成抛壳的整个工作过程.能够准确完成的必要条件是吸附管道内负压和空气流量在3个工作环节中分别得到准确的控制.首先，在吸取半壳贝的阶段，进风口调节套筒下沿处于图2中所示的h0位置，负压值应保证在进风口与半壳贝之间距离5～10mm 时均能将半壳贝提升并吸附；其次，在分离内脏过程中，进风口调节套筒下沿在h0与h1之间快速往复，应保证气流速度尽可能高，同时应保证进风口调节套筒下沿在h1位置时半壳贝不能脱落；最后，在进风口调节套筒下沿调至h2位置时，完成内脏分离后只有闭壳肌留存的一侧贝壳，应该能够在重力作用下顺利脱离进风口的吸附，而被置回到输送装置以进行后续取贝柱工序.

图3 气室部件结构Fig.3 Structure diagram of the air chamber

1.2.3 泄压口参数

去掉一侧贝壳后的半壳贝在经过内脏分离后，只剩闭壳肌和另一侧贝壳.为了后续取柱等生产工序的进行，在真空发生器不停机的条件下，使剩余的贝壳从进风口自动置回到送料装置，必须将进风口处的压力降低，为此在进风口上部设计泄压口，如图3所示.在脏器分离阶段保证泄压口封闭，不能减弱分离负压.而在置回阶段打开泄压口将负压降到尽可能低，以保证贝壳的吸附力足够小，在重力作用下完成置回.

2 变截面进风口流场数值模拟

管路内的负压大小、空气流量及进风口断面结构对负压分离扇贝内脏的效果影响较为复杂，而且空气的流动难以预测，对设备结构的反复实验成本高，效率低［6］.因此，本文运用Flow－EFD软件对变截面进风口的流场特性分别在抬升吸附、内脏分离和带柱贝壳置回3个阶段进行数值模拟.

2.1 进风口气室的物理模型

气吸式扇贝脏器分离装置的气室下端的变截面进风口部分均匀分布10个切口，每个切口由下部的一段上下底边长度分别为8mm 和12mm 的梯形和上部的一个半径5mm 孔组合而成，如图3所示。前期试验表明，内脏团在负压作用下分散并拉长，脏器中的卵巢由于体积最大、质量最大而成为脏器分离过程中的重点对象.统计表明该规格扇贝的卵巢在伸展状态下与贝壳脱离前，伸展长度平均为82mm，为此连接负压发生器的出风口从距离气室下端面78mm 的位置开始折弯.此距离保证内脏团在负压作用下分散并拉长后，卵巢达到进风口通道的水平段.此刻，内脏团与贝壳及闭壳肌分离过程中，负压气流不用承担卵巢的重力，而卵巢在气流中所受到的吸力却可以辅助牵引外套膜等从贝壳撕裂，以获得内脏团与贝壳及闭壳肌之间尽可能大的分离力.

2.2 建模及网格划分

网格质量的好坏，对流场的数值模拟结果至关重要［7］.变截面进风口周围的流场在不同开度下的分布状况是气吸式扇贝脏器分离装置工作性能的关键.为了便于分析，对模型做如下假设：1）流体介质为10℃的不可压缩空气.2）流场进出口的压力均匀稳定.3）因为扇贝内脏团中除了闭壳肌其他各部分均非常柔软，在吸附气流中会展开拉长成为纤细条带状，为此本文的流场模拟中将闭壳肌简化为处于扇贝中间的一个直径12mm高14mm 的圆柱体，而忽略其他脏器的影响.

将进风口进行离散化，共划分约170 000个六面体网格单元.

2.3 控制方程及求解方式

气吸式扇贝脏器分离装置工作过程中，半壳贝吸附抬升、内脏团抽取和贝壳置回3个环节均需在特定的稳定条件下进行，因此将3个模拟过程均视为三维定常流动.模型结构以圆管为主体，两管相交的折弯位置易产生湍流，因此控制方程采用k－ε 标准湍流模型.

2.4 边界条件

采用RE1311型风压风速风量仪对抽气管路中的管道内压力、流速、流量进行测量，并采用压力表对进气口中心位置的压力进行检测.试验在调节套筒处于不同高度，以及有无贝壳的4种条件下进行.检测结果如表1所示，检测结果用于在设计过程中作为模拟分析的边界条件［7］.

表1 仪器检测结果Tab.1 Detection results with RE1311

2.5 3个环节的数值模拟

2.5.1 抬升吸附环节数值模拟

图4 抬升半壳贝环节流场压力分布Fig.4 Flow field pressure distribution in elevated step

调节套筒处于h0位置，半壳贝处于进风口下方15 mm处，此时将进风口压力按100 627Pa代入Flo－EFD 进行流场压力分布模拟分析，外界大气压力取1.033×105Pa，压力场流线的分析结果如图4 所示.图4 可见，流动迹线平顺无紊流.分析结果：贝壳上侧的平均压力为100 650Pa，贝壳下侧为大气压力取为101 325Pa，贝壳表面积近似取3 300mm2，则贝壳受到向上的吸力约为2.2N.取统计样本容量为1 500枚，统计结果表明，壳高在65mm 以内的半壳贝自重大于43 g的概率不足0.13%，取半壳贝自重力为向下的0.43N，则考虑吸力与重力，半壳贝将受到向上的1.77N 抬升力，能保证半壳贝有效地被吸附到进气口处.

2.5.2 脏器抽取环节流速分析

将调节套筒位置调整至h1，进风口打开，此时将出风口流量按表1中90m3／h代入软件进行分析.流速分布迹线如图5所示，进风口四周的进气比较均匀，内部无紊流.在进风口向水平通道转折的部位流速极值达到194m／s.进风口竖直管道内流速大多处于30～70m／s，该风速在实验中证明对脏器吸取过程是合适的.

2.5.3 贝壳置回环节数值模拟

由气动肌腱进一步将进风口调节套筒向上提升至h2位置，此时，泄压口打开，进风口对贝壳产生的提升力大幅下降.将实测的出口流量93m3／h代入软件进行模拟分析.如图6的压力分布和图7的流速分布所示，在管路的折弯处发生了较为严重的紊流，这一点在实验过程中出现的噪音得到了证实.分析结果：贝壳上侧的平均压力为101 317Pa，贝壳下侧大气压力取为101 325Pa，贝壳表面积仍取3 300mm2，则贝壳受到向上的吸力为0.039N.经统计，所研究规格的扇贝其闭壳肌质量最小值为3.4g，一片贝壳的最小质量为3.8 g.将负压吸力与贝壳及闭壳肌的重力合成，则完成脏器抽取后，单侧贝壳（含闭壳肌）受到向下0.035N 的力.为此，能保证贝壳脱离进风口，落回到驱动送料转盘.

3 实验与分析

按照设计要求，制作了负压吸附内脏实验装置.

图5 进气门开启后的流速迹线Fig.5 Intake valve opening of the velocity trace

图6 泄压口开启后的压力场分布Fig.6 Pressure field distribution of the pressure relief port after the opening

图7 泄压口开启后的流速分布迹线Fig.7 Distribution of velocity trace when the pressure relief port opened

按壳高在50～65mm，随机收取新鲜扇贝1 200枚进行实验.经实验统计，全部半壳贝均能在负压抬升环节被吸起，94.5%的内脏团被成功摘取，92%的贝壳能完成置回.不能完整摘取的内脏主要原因在于脏器与贝壳的黏连强度高，脏器在吸附阶段如果发生断裂，则脏器自身在气流中的携载能力下降，而造成不能摘取干净.贝壳不能置回的原因主要是存在贝壳薄而宽大的情况，为此还要在后续的设计中对此问题进行更为全面的改进.

4 结论

对通过负压进行扇贝内脏摘取的工艺过程，采用k－ε 标准湍流模型，运用Flow EFD 软件分别对半壳贝抬升吸附、内脏分离及贝壳置回3个过程进行了数值模拟和物理实验.分析结果表明：1）数值模拟结果与实际情况良好吻合；2）气室下部气流分布均匀，气室内吸孔之间的气流没有明显干涉；3）半壳贝抬升吸附、内脏分离及贝壳置回3个过程均能顺利完成.本研究为全自动扇贝剥壳取柱设备的研发提供了有效的数据和结构参照.但对贝壳置回和吸取过程中损伤贝柱的情况还需进一步的研究.

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