基于水面悬浮垃圾收集装置的有序水流生成系统机理分析和应用研究

尹艺臻 张劲 李麒麟 张元立

研究背景

目前，国内外对水面悬浮垃圾的清理收集主要通过人力捕捞方式和机动船收集方式，对悬崖岸边附近水域、小水面水域、浅水面水域和机动船无法到达的重要水域（如取水口水域、趸船回水水域、桥墩回水水域等），以及无法依靠人力捕捞方式实现清理收集的特殊水域的水面悬浮垃圾的清理收集，还未找到根本上的解决办法。针对这一情况，我设计了水面悬浮垃圾收集装置，实现水面悬浮垃圾顺着有序水流自动进入收集装置，能很方便地进行垃圾清理收集。

系统及结构设计

系统组成

水面悬浮垃圾收集装置由驱动及转向系统、有序水流生成系统、浮力系统、集渣和储渣系统、电源系统5部分组成。

驱动及转向系统 由集渣仓两侧的防水电机在同步控制器精确控制下驱动高效叶轮实现水面悬浮垃圾收集装置的直线前进、后退和转向。两侧防水电机M1和M2由同步驱动控制器控制，使M1、M2驱动的叶轮转速同步，可以实现收集装置的直线前进或后退；使M1、M2驱动的叶轮转速不同，则可以实现收集装置的转向。

有序水流生成系统 根据流体运动的基本方程，设计采用充电式水泵，通过水泵的抽水、排水工作，在表层水流生成“集渣斗—储渣仓—排水口”完整通畅的有序水流，从而实现水面悬浮垃圾顺着有序水流方向进入集渣斗，然后到储渣仓进行有效的过滤收集。有序水流的生成极大方便了特殊重要水域、悬崖岸边附近水域、小水面水域、浅水面水域的水面悬浮垃圾清理收集，从根本上解决了机动船和人力捕捞无法进入这些水域进行垃圾收集这一技术难题。

浮力系统 水面悬浮垃圾收集装置工作在水体中，主要清理收集悬浮垃圾，因此计算出水流的浮力尤为重要。根据流体力学中浮体和潜体的规律进行计算，用以设计装置的浮力系统。

集渣和储渣系统 装置集渣斗设计成扇形结构，收集面更大，收集效率更高。装置储渣仓设计成两级过滤网分级过滤，可逐级收集不同大小的悬浮垃圾，提高收集效率和过滤效果，同时有效防止水中垃圾进入充电式水泵中造成堵塞。

电源系统 水面悬浮垃圾收集装置的直线前进、后退、转向、有序水流生成、浮力生成、垃圾收集等所有工作均采用全电力驱动，实现了零污染、零排放。

结构组成

水面悬浮垃圾收集装置由扇形集渣斗、储渣仓、密封水泵仓、充电式水泵、悬浮球、过滤网、叶轮和防水电机组成。装置采用模块化结构设计，可根据水面垃圾区域的大小，采用大型、中型或小型结构的水面悬浮垃圾收集装置进行清理收集，应用范围更广。由于装置各部分采用模块化结构，安装调试方便、简单、灵活。装置采用轻便、防腐蚀的铝合金和高强度工程塑料制造，重量轻，耗电量少，节能减排。

实验测试

系统仿真实验平台

为了验证各系统的正确性和可靠性，本实验研究依托重庆大学资源综合利用及工程研究中心的水力学仿真实验平台进行各分系统的仿真测试。

驱动及转向系统测试

同步控制器测试 两侧防水电机M1和M2由同步驱动控制器控制，使M1、M2驱动的叶轮转速同步，可以实现收集装置的直线前进或后退；使M1、M2驱动的叶轮转速不同，则可以实现收集装置的转向。具体有：转速n1>n2时，装置沿顺时针方向转向；转速n1

驱动电机及叶轮测试 水面悬浮垃圾收集装置由集渣斗两侧的防水电机在同步控制器控制下驱动高效叶轮实现直线前进、后退和转向。测试结果显示，驱动电机满足设计要求。

有序水流生成系统——充电式水泵测试

根据水面悬浮垃圾收集装置的最大收集垃圾载荷和充电式水泵的功率等特性参数，对充电式水泵进行充放电测试和水泵特性测试，测试结果满足设计要求。

浮力测试

根據水面悬浮垃圾收集装置实际应用工况，测试装置产生的浮力及其浮力中心位置。

系统合成测试

经过上述分项测试后，系统装配进行合成测试，根据装置的实际工作环境进行模拟仿真测试，测试结果达到设计要求。

仿真实验及现场测试

根据有序水流生成系统的水力学分析和最优断面分析，研究得出了产生最大有序水流流量的集渣斗形状和开口尺寸。为了验证其正确性，利用fluent软件平台，结合流体力学理论，对有序水流生成系统进行数值模拟。按10∶1尺寸制造实物样机进行实验验证，分别按长方形口、梯形口、圆形口3种形状和多种不同尺寸形成的集渣斗对其产生的有序水流流量进行了实验测试。

测试结果显示，同等条件下梯形口的速度云图面积最大，说明梯形口的有序水流范围更大，波及面更广，中间形成有序水流的层流，两边缘区域形成湍流。并且梯形口的有序水流速度最大，层流范围最大，有序水流最均匀。梯形口形状和按水力最优断面理论计算出标称尺寸的集渣斗产生了最大有序水流。

结论及创新点

经各系统仿真测试和有序水流生成系统机理分析，利用fluent软件平台进行数值模拟，结合实验及现场测试验证，提出了通过有序水流生成系统自动清理收集水面悬浮垃圾的理念和方法，从根本上解决了机动船收集和人力捕捞方式在一些特殊小型水面水域、浅水水域、悬崖岸边附近水域和一些特殊重要水域无法实现清理收集水面悬浮垃圾这一技术难题。

该项目获得第34届全国青少年科技创新大赛创新成果竞赛项目中学组工程学一等奖。

专家评语

本项目观点新颖，论证充分，理论与案例结合，达到了水面悬浮垃圾全面清理的目的。对于同水域进行科学分析，提出了有序水流生成系统，实现了水面悬浮垃圾有序水流的自动收集。建议进一步改进不同方向水流的收集技术，达到更加全面系统的垃圾收集。■