第 3 期 王杰群等:淹没水射流式贝肉清洗装置设计与试验

式[8]

,可满足滩涂贝类、贻贝和牡蛎等贝类的清

洗需求。 潘澜澜等[9] 针对捕捞后菲律宾蛤仔清

洗不彻底、分级精度低、破损率高、效率低等难题,

基于毛刷辊+高压喷淋组合的方式,设计了菲律

宾蛤仔清洗分级一体机;程海等[10] 为了提高贻贝

清洗工序的自动化程度和清洗效果,降低工人劳

动强度,基于摩擦清洗方式,设计了一种集打散和

清洗工序为一体的新型滚筒式贻贝清洗设备;

MECALSA 公司[11]研制了贝类滚筒式清洗机,通

过水射流与滚筒旋转协同作业方式,实现贝类的

清洗作业。 但该方式多用于贝类表面的泥沙、杂

物和附着生物的冲洗,故清洗强度较大。 若应用

于贝肉的清洗,可能造成损伤,不利于后续的加

工。 根据射流介质的不同,水射流分为淹没水射流

和非淹没水射流两种,目前针对贝类和海参清洗主

要采用非淹没水射流技术。 孙跃[12]提出了基于水

射流清洗方式的海参深度清洗技术,探讨了海参清

洗过程清洗参数与海参受力状态的关系,并以海参

受力均匀性、最大冲击力和冲击力利用率作用衡量

海参清洗的力学性能指标,分析了不同喷嘴下射流

压力、射流靶距变化对海参清洗的力学性能指标的

影响。 谢飞等[13-15] 基于高压水射流清洗技术,设

计了贻贝及相关贝类的高压水射流清洗设备,该设

备可与现有贻贝打散设备组合使用,也可单独使

用,有效提升了贻贝的清洗效率。 毛彬彬等[16] 针

对紫菜育苗贝壳的清洗难度大、效率低等问题,基

于高压水射流技术,设计了条斑紫菜育苗用贝壳自

动化清洗设备。 非淹没水射流技术主要用于清除

海参和贝壳表面污垢,且洗净率受到射流靶距、射

流压力等影响,很难适应不同品种贝肉的清洗要

求。 王莉等[17-18]利用淹没水射流方式对蔬菜进行

清洗。 研究表明,淹没水射流方式可使清洗水体产

生涡旋流动,湍流效果显著,且清洗物在水中处于

搅动状态,促使清洗物之间、清洗物与水体间产生

摩擦与碰撞,提高清洗效率。 同时,若控制射流口

几何位置、射流流量等参数可控制涡流流场特性,

有效提高清洗效率、降低破损率。 由此可见,淹没

水射流方式可应用于贝肉清洗。

本研究基于贝肉预制菜前处理清洗工艺,以

洗净率和破损率作为考核指标,综合现有清洗技

术,设计一种高效、低破损的淹没水射流式贝肉清

洗装置,为中国贝类、海参等海珍品预制菜加工前

处理清洗装置的自主研发提供技术参考。

1 整机结构与工作原理

1. 1 整机结构

淹没水射流式清洗装置结构如图 1 所示。







 fl

1-$ 





图 1 淹没水射流式清洗装置结构图

Fig. 1 Structural diagram of submerged water jet

cleaning device

由图 1 可知,淹没水射流式清洗装置主要由

清洗水箱、PLC 控制箱、射流水泵、射流管路、旋

流隔离箱等组成。 其中,清洗水箱尺寸为 600 ×

600×850 mm(长×宽×高),清洗水箱上部为射流

清洗区,下部为沉淀吸水区,两者通过清洗物盛装

孔槽隔开。 射流清洗系统由离心泵、吸水管路、射

流管路和射流口等组成。 其中,离心泵规格为 IS

80-65-125A,其参数为流量 45 m

3

/ h,扬程 19 m,

转速 2 900 r/ min,电机功率为 4 kW;吸水管路位

于沉淀吸水区底部,其管径为 Ø75 mm,吸水管的

端部钻有多个圆孔,有效吸水面积为 40. 82 cm

2

,同

时端部覆盖过滤网(120 目),防止较大杂质进入射

流管路,堵塞射流口;射流管路分为射流主管和射

流支管,其中射流主管 1 根,直径为 Ø 62 mm,射流

支管 12 根,直径为 Ø 30 mm,每根支管路对应 2

个射流口,共计 24 个射流口;射流口位于射流清

洗区的四周,每侧布置 6 个射流口,并采用倒三角

形式布置。 在射流清洗区的中部布置梯形体旋流

隔离箱,且与射流区壁面呈 45°夹角,其结构设计

为梯形,高度为 300 mm,底面 240 mm × 240 mm

(长×宽),顶面 120 mm×120 mm(长×宽),当清洗

流体从射流口以一定初速度射出时,与环境水体

之间发生卷吸和相互掺混,形成涡流和湍流,带动

水箱内的贝肉随水体一起运动,使贝肉始终处于

高速旋流区域,泥沙等杂质处于中心低压区,将杂

质与贝肉分离。

99

渔 业 现 代 化 2024 年

1. 2 工作原理

清洗机工作流程如图 2 所示。

 











 



















图 2 清洗机工作流程

Fig. 2 Workflow of the cleaning device

淹没水射流式清洗装置的操作流程为:先将

剥离出的贝肉放置于清洗水槽内,启动控制系统,

向清洗水槽内注入清洗水。

待达到需求用水量后,离心泵自动启动,射流

口开始向清洗箱体内喷射水流,并带动箱体内的水

体旋转。 水流与贝肉之间存在速度差使得两者发

生相对运动与相对摩擦,将贝肉内的泥沙分离出

来。 同时在射流区的中部设置旋流隔离箱,确保贝

肉始终处于外围的高速水流作用下,加快泥沙与贝

肉分离,最终将贝肉清洗干净。 待到达清洗时间

后,清洗水自动由泄水电磁阀排出。 人工完成关闭

设备后,取出清洗好的贝肉和分理出的杂质。

2 淹没水射流关键结构参数

2. 1 射流口布局

为了确定清洗水箱、射流口布局、旋流隔离箱

之间的匹配关系。 射流口布局如图 3 所示。

B

 C

 

图 3 射流口布局

Fig. 3 Layout of jet orifices

在清洗水箱每侧射流口的布局分别采用图

3a 所示的倒三角或图 3b 所示的矩形分布,且采

用错位对称布置于射流清洗区四周的中下部。 其

中倒三角布局每侧射流口共计 6 个,分 3 行布置,

最上行射流口有 3 个,距离射流清洗区底部高度

为 250 mm,射流孔间距为 50 mm。 中行布置射流

口 2 个,距离射流清洗区底部高度为 150 mm,射

流孔间距为 50 mm。 最低行布置射流口 1 个,距

离射流清洗区底部高度为 50 mm。 矩形布局每侧

射流口共计 9 个,以三行三列的形式布置,每行间

距 100 mm,每列间距 50 mm。 最低行距离清洗区

底部高度 50 mm。

2. 2 射流口布局与旋流隔离箱关系

为了研究射流口布局对射流效果的影响,对

两种排布方式的清洗槽各建立 6 个模型,其射流

口直径分别为 4~14 mm,间隔 2mm。 假设流体充

满整个水箱,液面与清洗水箱上端面齐平,流体从

清洗水箱射流管路流入时忽略其他因素影响。 数

值仿真结果如图 4 所示,清洗水箱的射流清洗区

速度场均呈现为外侧流速高、内侧流速低的特征。

根据设计需要,内流场的中央应分布一定区域的

低流速区域,利于分离贝肉和杂质;外侧应为高流

速区域,以增强对贝肉的清洗效果。

对图 4 中射流口的倒三角和矩形分布方式分

析得出:相同射流口直径下,倒三角布置的射流流

速更高,且中央低流速区域流速更低。 说明该布

置形式,清洗区内外两侧流速差相对较大,有利于

从高流速区域分离出来的杂质进入低流速区域沉

降。 因此,倒三角布置的射流口清洗效果优于矩

形布置。 同时由图 4 还得出不同射流口布置型式

与孔径下的低压区域范围,其中上层低压区 50 ~

100 mm;底层低压区直径范围约为 100~150 mm。

故若保证贝肉与杂质有效分析,旋流隔离箱的尺

寸应大于该范围。

100

第 3 期 王杰群等:淹没水射流式贝肉清洗装置设计与试验

B

>U NN \" C

>U NN \" D

>U NN \"

E

>U NN \" F

>U NN \" G

>U NN \"

H

-U NN \" I

-U NN \" J

-U NN \"

K

-U NN \" L

-U NN \" M

-U NN \"

 

NT

 

NT

 

NT

 

NT

图 4 不同布局及射流口直径的速度流场分布图

Fig. 4 Velocity flow field distribution of different diameters of jet orifices and shape layout

101

渔 业 现 代 化 2024 年

3 Fluent-EDEM 耦合分析

3. 1 耦合分析方法

对淹没水射流清洗过程的耦合分析涉及的数

值模拟工作主要包括[19]

:流场的瞬态模拟、贝肉

的机械性形变模拟、贝肉和杂质的运动模拟、贝肉

与杂质黏附情况的模拟。 考虑到同时进行上述参

量耦合数值模拟,无论从实现方法还是计算量的

角度来说都存在较大难度,故将贝肉的模型简化,

并仅考虑其运动行为和粘附力,而暂不考虑其形

变的影响。 耦合分析过程通过 Fluent-EDEM 互

相传参联立实现,其中,Fluent 主要进行有限元计

算流体力学数值模拟[20]

,EDEM 主要进行离散元

物料运动行为和粘附力数值模拟。 Fluent-EDEM

耦合分析的解算与传参过程主要包括( 图 5):

Fluent 对流场进行解算,计算每个贝肉的受力情

况,并将贝肉受力情况传入 EDEM;EDEM 根据贝

肉受力情况,解算贝肉运动情况,并将贝肉位置的

变化情况传入 Fluent;Fluent 再根据贝肉位置变化

后的流体域解算流场,再将贝肉受力情况传入

EDEM,依次循环。





'MVFOUfl

&%&.













fl





图 5 耦合分析方案及传参

Fig. 5 Coupling analysis scheme and parameter transmission

3. 2 Fluent 设置

所设计的淹没水射流式清洗装置的清洗水箱

由正方体射流清洗区和四棱锥沉淀吸水区组成。

射流清洗区的规格为 600 mm×600 mm×600 mm

(长×宽×高)。 其每侧射流口采用倒三角分布,流

体域网格划分如图 6 所示。

图 6 流体域网格划分

Fig. 6 Mesh of fluid domain

采用 Ansys Fluent 进行有限元仿真分析。 该

流体域属于非自由淹没水射流[21]

,故设定湍流模

型为适合内流场且精度优于 Standard k- epsilon 的

RNG k- epsilon。 与 Standard k- epsilon 模型相比,

RNG k- epsilon 提高了其对高速流模拟的准确性,

并考虑了涡流对湍流的影响。 RNG 微分公式还

可以从分析过程中获得有效黏度,相比 Standard

k- epsilon 模型主要考虑高黏度的特点,RNG kepsilon 模型引入了低雷诺数的影响,因此适用范

围相对广泛,且计算结果相对准确可靠[22]

。 RNG

k- epsilon 模型的公式为:

∂

∂t

(ρk) +

∂

∂xi

(ρkui) =

∂

∂xj

αkμeff

∂k

∂xj

( ) + Gk

+ Gb

- ρε - YM

+ Sk (1)

∂

∂t

(ρε) +

∂

∂xi

(ρεui) =

∂

∂xj

αεμeff

∂ε

∂xj

( ) + C1s

ε

k

(Gk

+ C3εGb) - C2ε

ρ

ε

2

k

- Rε

+ Sε (2)

式中:Gk 是由层流速度梯度产生的湍流动能;Gb

是由浮力产生的湍流动能;YM 是湍流中的波动对

总耗散率的影响;C1 、C2 、C3 均为常量;αk 和 αε 分

别为 k 方程和 ε 方程的湍流 Prandtl 数,Sk 和 Sε

可由用户自定义[23]

。 Rε 的定义为:

Rε

=

Cμ

ρη

3

1 -

η

η0

( )

1 + βη

3

ε

2

k

(3)

式中:k 为湍动能,ε 为耗散率,Cμ 为模型常数,

η =

sk

ε

,η0

= 4. 38,β = 0. 012。

有限元仿真分析解算的控制方程和边界条件

设置如表 1 所示,解算器设定为 SIMPLE;湍流模

102

第 3 期 王杰群等:淹没水射流式贝肉清洗装置设计与试验

型选定为 RNG k- epsilon 模型;管道和水箱壁面设

定为 wall;流体域入口设定为 Mass-Flow Inlet,设

定其大小为 5 kg / s;流体域出口设定为 Outflow。

表 1 有限元仿真分析参数设定

Tab. 1 Settings of parameters for CFD

参数 设定

Pressure-Velocity Coupling Scheme SIMPLE

Turbulence Model RNG k- epsilon

Fluid Water-liquid (998 kg / m

3

)

Pipe and Tank’s Surface Wall

Inlet Mass-Flow Inlet (5 kg / s)

Outlet Outflow

3. 3 EDEM 设置

离散相在 EDEM 中进行求解,EDEM 会根据

输入的颗粒粒径、密度和形状等信息计算出颗粒

的体积和质量[24]

。 EDEM 中详细参数设置如表 2

所示,颗粒材料和几何材料物性参数包括密度、泊

松比和剪切模量。 接触参数包括颗粒-颗粒和颗

粒-几何体间的静摩擦系数、动摩擦系数和碰撞恢

复系数。

B

 

C

fl

D

 fl







 NN

 NN

 NN

 NN







 N































B

 

C

fl

D

 fl

图 7 贝肉与颗粒模型

Fig. 7 Shell meat and particle model

本研究离散相在 EDEM 设置中仅考虑贝肉

与杂质黏附情况的模拟,由于在贝肉清洗中,最难

清洗的类型为内部藏垢,以扇贝裙边最为明显,其

褶皱处往往存在大量泥沙,其自然状态下往往处

于收缩旋转状,如图 7a 所示。 在忽略贝肉的变形

影响情况下,本研究将裙边的数值模型设置成长

条状颗粒单元(图 7b),颗粒长 160 mm,直径约 6

mm,同时为了更好地显示出杂质与贝肉的分离状

态,将杂质放大且简化为球形颗粒单元(图 7c),

颗粒直径选取 2 mm。

表 2 离散元仿真分析参数设定

Tab. 2 Settings of parameters for EDEM

参数 设定

接触模型 Hertz-Mindlin

颗粒泊松比 0. 25

颗粒密度/ (kg / m

3

) 1 400

颗粒剪切模量/ Pa 3×10

8

几何泊松比 0. 3

几何密度/ (kg / m

3

) 7 850

几何剪切模量/ Pa 1×10

9

颗粒-颗粒间碰撞恢复系数 0. 6

颗粒-颗粒间静摩擦系数 0. 2

颗粒-颗粒间动摩擦系数 0. 02

颗粒-几何体间碰撞恢复系数 0. 5

颗粒-几何体间静摩擦系数 0. 3

颗粒-几何体间动摩擦系数 0. 03

在清洗水箱内生成颗粒。 颗粒不设置初始速

度,通过自由落体到静止状态。 待颗粒完全静止

后,将此 状 态 下 的 颗 粒 状 态 导 出 为 一 个 新 的

EDEM 执行文件,并将时间重新设置为 0 s。 此操

作是将颗粒先单独生成,之后再将生成的颗粒与

液相进行耦合,可以避免颗粒生成瞬间残差曲线

异常导致的计算发散现象,从而保证耦合计算的

正常进行。 固体颗粒在发生接触碰撞过程中,以

瑞利波形式消耗的能量占总能耗的 70%

[25]

,时间

步长应设置在 20%以下。 据此将时间步长设为 2

×10

-6

s。

3. 4 耦合传参设置

在 CFD-EDEM 中有 3 种常见的耦合传参方

法[26-28]

:颗粒相对气液相的作用力由局部平均法

求得,而气液相对颗粒相的作用力则根据各颗粒

速度单独求得;颗粒相对气液相的作用力计算方

103

渔 业 现 代 化 2024 年

法与第一种耦合方法相同,而后按照一定的平均

法则,由该力求得气液相对每个颗粒的作用力;在

每一个时间步长内,首先计算单个颗粒所受到的

气液固相互作用力,然后将流体计算网格中颗粒

所受气液固相互作用力求和计算得到该网格内气

相受到的相互作用力。 其中,第一种方法无法保

证网格内气相和颗粒相所受到的相互作用力相

等,其计算结果可能不满足牛顿第三定律。 第二

种方法虽然满足牛顿第三定律,但对颗粒的受力

进行了平均化处理,这与实际情况不符。 本研究

采用第三种方法,颗粒与其周围液体的相互作用

形成固液相互作用力,主要包括曳力、浮力、压力、

梯 度 力、 附 加 质 量 力、 Basset 力、 Saffman 力、

Magnus 力等。 为简化计算,本研究只考虑曳力和

浮力的影响,相互作用力计算公式为:

Fp-g,i

= Fb,i

+ Fdrag,i (4)

Fb,i

= ρg gVi (5)

式中:Fb,i 和 Fdrag,i 分别为颗粒 i 受到的浮力和曳

力,Vi 为颗粒 i 的体积。

三相间通过动量交换实现耦合,动量交换量

的计算公式如下:

S =

1

Δv∑

n

i = 1

Fp-g,i (6)

式中:Δv 为控制体的体积,n 为该控制体内颗粒

的个数。

耦合流程[29] 为 Fluent 先根据初始条件计算

液体流场,再将控制权传递至 EDEM;EDEM 求解

一个时间步长后颗粒的速度和位置,并将此信息

和控制权一并传回 Fluent;Fluent 根据流场和颗粒

速度及位置信息计算该时间步长各网格的空隙率

和相互作用力,并通过相互作用力求得相间的动

量交换量;将相互作用力数据传递至 EDEM 供其

求解下一时间步长的颗粒相,同时将空隙率和动

量交换量传递至 Fluent 供其计算下一时间步长的

流场;完成上述步骤后,程序进入下一个时间步

长,开始由 Fluent 对流场进行计算。

3. 5 耦合结果

Fluent 数值模拟及颗粒耦合结果如图 8 所

示。 清洗水箱的射流清洗区速度场均呈现为外侧

流速高、内侧流速低的特征。 根据设计需要,内流

场应具备两个特点,其一是应当保证中央的低流

速区域具有一定的尺寸。 在此区域设置滤网有利

于分离贝肉和杂质,并使得杂质集中于此区域并

沉降。 其二是外侧流速高的区域应保持较高的流

速,以增强对贝肉的清洗效果。 对图 8 进行分析

可见,当射流口直径为 4~6 mm 时,外侧区域流速

在 0. 4 m / s 以上,但内侧流速低于 0. 1 m / s 的低

流速区域尺寸非常小,且由于射流能量过于集中,

部分物料堆积在水箱底部,无法移动至水箱上部

参与清洗,不利于杂质的沉降分离;射流口直径为

8~10 mm 时,射流区域与中部低流速区域有较大

的流速差,射流效果使得水箱中所有物料均可以

充分运动摩擦,有利于杂质分离与沉降;射流口直

径为 12~14 mm 时,内侧的低流速区域尺寸较大,

有利于杂质沉降分离,但随着射流孔直径的增大,

外侧高流速区域的速度逐渐降低,且由于射流能

量过于分散,无法有效带动物料进行充分摩擦。

综上所述,从流场和物料运动情况的角度考虑,采

用 8~10 mm 射流口的清洗效果相对较好。

EDEM 数值模拟中,贝肉上黏附的杂质数量

与清洗时间的关系如图 9 所示。 根据图 9 所示的

数据,喷口口径越小,在清洗开始最初的 3 min 内

清洗速度越快,但最终的清洗效果存在一定差异。

当清洗时长达到 9 min 时,大部分模拟结果趋于

稳定。 在射流口在 8 ~ 10 mm 的清洗效果相对较

好,且在 6 min 左右时杂质数量随清洗时间基本

无变化。

现有的 Fluent-EDEM 耦合仿真在清洗方面

的应用仅考虑水射流的单一特点对清洗效果的影

响,刘凯歌等[31]对水射流清洗猪粪的研究中进行

的耦合仿真主要研究单点射流的冲击特性,依靠

水射流的冲击力剥离大面积清洗物表面杂质。 雷

港等[32]对其设计的米糠碎米分离装置进行的耦

合仿真则利用颗粒自身重力和振动板振动,出现

明显分层现象实现不同颗粒的分离。 本研究中耦

合分析利用射流口阵列形成的清洗流场,结合淹

没水射流的多种特性实现对清洗物表面的杂质进

行剥离,并利用内外侧流场流速差异实现杂质的

沉降分离。

104

第 3 期 王杰群等:淹没水射流式贝肉清洗装置设计与试验

B

\"  NN fl\"E C

\"  NN fl\"\"\"E D

\"  NN flM1D

(d)#

6 mm ffi#F

(e)#

6 mm ffi###F

(f)#

6 mm ffiN2F

H

\"  NN fl\"E I

\"  NN fl\"\"\"E J

\"  NN flM1D

K

\"  NN fl\"E L

\"  NN fl\"\"\"E M

\"  NN flM1D

N

\"  NN fl\"E O

\"  NN fl\"\"\"E P

\"  NN flM1D

Q

\"  NN fl\"E R

\"  NN fl\"\"\"E S

\"  NN flM1D

 

NT

 

NT

 

NT

 

NT

 

NT



 NT

图 8 不同射流口径下的耦合分析结果

Fig. 8 Coupling analysis results under different jet apertures

105

渔 业 现 代 化 2024 年

 NN

 NN

 NN

 NN

 NN

 NN

          

NJO















ffi

fl





图 9 EDEM 分析所得贝肉上黏附的杂质数量

随清洗时间变化曲线

Fig. 9 The curve of the number of impurities adhered to the

shellfish with cleaning time by EDEM

4 正交验证

4. 1 材料与方法

试验用贝肉分别为扇贝裙边和鸟蛤肉,且已

经剥离,表面及褶皱处存在杂质、泥沙;试验所用

样机为自主研发的淹没水射流式贝肉清洗装置,

该样机与 1. 1 节整机结构设计一致。 以射流口直

径、清洗量、清洗时间三个因素设计正交试验,确

定淹没水射流式贝肉清洗装置的最佳结构参数。

4. 2 试验指标与因素水平的确定

试验的目的是寻找最佳贝肉清洗效果的工艺

参数,即保证贝肉清洗干净前提下,清洗时间最

短。 因此,本研究以洗净率 η 作为指标,其计算

公式如式(7)所示。

η =

wc

w

× 100% (7)

式中:wc 为清洗干净的贝肉质量,kg;w 为贝肉清

洗量,kg。

其中,洗净度的判断采用感官评定法[10]

,清

洗干净的贝肉为清洗后肉眼观察并触摸检查,贝

肉的表面和褶皱处无杂质。

涡旋流场是影响清洗效果的关键因素,而涡

旋流场特性受射流口几何位置、射流流量及清洗

槽结构尺寸等因素影响[30]

。 由于贝肉单次清洗

量基本依据企业要求确定,因此清洗槽的结构尺

寸可作为定值,且由于贝肉密度大于水而沉于底

部,适合于淹没射流方式。 因此影响清洗效果的

因素为:射流口直径、清洗量和清洗时间。

表 3 清洗正交试验的因素及水平

Tab. 3 Factors and levels of washing orthogonal experimental

水平

因素

射流口直径 A/ mm 清洗量 B/ kg 清洗时间 C/ min

1 6 10 4

2 8 12 6

3 10 14 8

4 12 16 10

根据企业生产工艺需求,单次投放贝肉至少

为 8 kg,单次清洗时间不超过 12 min(清洗时间过

长影响贝肉品质)。 因此,建立 3 因素 4 水平正交

试验,如表 3 所示。 清洗量分别选取 10、12、14、

16 kg,清洗时间和射流口直径试验参数分别选取

依据本研究第 3 节 Fluent-EDEM 耦合分析结果分

别选取 4、6、8、10 min 和 6、8、10 和 12 mm。

4. 3 正交试验与试验数据分析

依据因素水平表 3,建立 3 因素 4 水平试验

方案,选用 L16(4

3

)的正交表。 采用 SPSS20 对正

交试验进行极差分析,极差分析结果见表 4。 从

表 4 的数据可得出,扇贝裙边和鸟蛤的洗净率的

正交试验极差最大的均是因素 A,因素 A 对试验

的影响最大,之后分别为 C、B。 因此,该试验的最

优方案为 A3B3C2 ,即射流口直径为 10 mm,清洗

量 14 kg,清洗时间 6 min 为最佳,此时洗净率为

96. 5%。 各因素对洗净效果的影响依次为射流口

直径>清洗量>清洗时间。

5 生产对比试验

5. 1 材料与方法

为了进一步论证淹没水射流式清洗装置对扇

贝裙边和鸟蛤肉清洗效果,试验用材料如图 10 所

示,本研究将淹没水射流式清洗装置样机与螺旋

桨式清洗装置和目前生产使用的超声波式清洗装

置进行生产性对比试验,试验装置如图 11 所示。

3 种清洗装置的结构参数和工艺参数如 表 5

所示。

106

第 3 期 王杰群等:淹没水射流式贝肉清洗装置设计与试验

表 4 清洗效果正交设计 L16(4

3

)试验结果

Tab. 4 Washing effect results of orthogonal design L16(4

3

)

试验编号

因素 Factors

射流口直径 A/ mm 清洗量 B/ kg 清洗时间 C/ min

扇贝裙边洗净率/ % 鸟蛤洗净率/ %

1 8 12 10 91. 8 93. 0

2 8 10 6 92. 9 94. 2

3 12 10 10 90. 1 92. 0

4 10 12 4 92. 2 93. 8

5 10 10 8 94. 1 96. 0

6 6 14 10 90. 8 92. 2

7 6 10 4 87. 1 89. 4

8 6 16 6 86. 2 87. 3

9 10 16 10 91. 1 92. 8

10 6 12 8 89. 8 91. 7

11 12 12 6 93. 4 95. 1

12 12 16 8 89. 1 91. 5

13 8 16 4 88. 3 90. 0

14 10 14 6 96. 5 97. 1

15 12 14 4 92. 1 93. 5

16 8 14 8 92. 8 94. 0

扇贝

裙边清洗

k1 88. 475 91. 050 89. 925

k2 91. 450 91. 800 92. 250

k3 93. 475 93. 050 91. 450

k4 91. 175 88. 675 90. 950

极差 5 4. 375 2. 325

最佳方案 A3 B3 C2 A3B3C2

鸟蛤清洗

k1 88. 929 92. 29 91. 675

k2 91. 579 93. 4 93. 425

k3 96. 146 94. 2 93. 3

k4 94. 246 90. 4 92. 5

极差 7. 217 3. 8 1. 75

最佳方案 A3 B3 C2 A3B3C2

B

 C

ffi

图 10 待清洗贝肉

Fig. 10 Shellfish meat to be cleaned

107

渔 业 现 代 化 2024 年

B



  C

  D

 

图 11 清洗装置对比样机

Fig. 11 Comparison of cleaning device prototype

表 5 试验装置的结构与工艺参数

Tab. 5 The structure and process parameters of the experimental device

结构与工艺参数 淹没水射流式清洗装置 螺旋桨式清洗装置 超声波式清洗装置

清洗水箱尺寸 600 mm×600 mm×850 mm 600 mm×600 mm×850 mm 450 mm×450 mm×600 mm

清洗水体水位 2 / 3 水箱深度 2 / 3 水箱深度 2 / 3 水箱深度

清洗动力参数

离心泵型号为 ZS65-40-160 / 4. 0,

额定流量 25 m

3

/ h;电机功率 4 kW、

转速 2 900 r/ min

电动螺旋桨功率 1. 5 kW,

螺旋桨(3 叶桨)直径为 150 mm×2 个,

错位对称布置

超声清洗频率 25 kHz、

振子数 20 个、

功率 2 kW

清洗量 14 kg 10 kg 10 kg

清洗时间 6 min 10 min 10 min

3 种对比试验用清洗装置分别在最佳的清洗

工作参数下,分别对扇贝裙边和鸟蛤贝肉清洗作

业并以洗净率、破损率和清洗效率作为研究指标,

论证淹没水射流式贝肉清洗装置的可行性。 为不

影响正常生产作业,试验历时 5 天,每天完成 1 组

对比试验,每组对比试验做 3 次平行试验。 待每

次清洗试验结束后,分别统计洗净率 η1 、破损率

η2 和清洗效率 η3 ,其计算公式分别为:

η1

=

wc

w

× 100% (8)

η2

=

wp

w

× 100% (9)

η3

=

wc

t

(10)

式中:wc 为清洗干净的贝肉质量,kg;w 为贝肉清

洗量,kg;wp 为贝肉清洗后发生破损的质量,kg;t

为清洗作业时间,min。

其中,破损率的判断采用感官评定法[11]

,如

图 12 所示,发生破损的贝肉为清洗后肉眼观察,

认为形状出现较明显残缺的贝肉。 无破损现象对

应评级 1 级,无显著破损对应评级 2 级,破损对应

评级 3 级。 据调研企业实际生产情况,破损度评

价中无显著破损与无破损均符合生产需求。

5. 2 结果与讨论

5. 2. 1 洗净率

分别采用 3 种清洗装置对扇贝裙边和鸟蛤肉

进行生产清洗对比试验,洗净率如图 13 所示。 以

扇贝裙边为清洗对象时,淹没水射流式清洗装置

的洗 净 率 分 别 为 97. 37%、 97. 73%、 98. 03%、

98. 00%、97. 70%,平均洗净率为 97. 77%,洗净率

无显著差异(P>0. 05);螺旋桨式清洗装置洗净率

分别 为 84. 87%、 86. 30%、 85. 07%、 86. 03%、

85. 10%,单次平均洗净率为 85. 47%,且存在显著

差异(P<0. 05);超声波式清洗装置的洗净率分别

为 90. 17%、90. 07%、90. 77%、90. 60%、90. 60%,平

均洗净率为 90. 44%,其洗净率无显著差异(P >

0. 05)。 淹没水射流式清洗装置较螺旋桨式清洗装

置的洗净率提高了 14. 4%,较超声波式清洗装置提

高了 7. 3%。 以鸟蛤肉为清洗对象时,淹没水射流

式清洗装置的洗净率分别为 98. 10%、98. 63%、98.

108

第 3 期 王杰群等:淹没水射流式贝肉清洗装置设计与试验

20%、98. 13%、98. 07%,平均洗净率为 98. 23%,洗

净率无显著差异(P>0. 05);螺旋桨式清洗装置洗

净率分别为 86. 87%、87. 27%、87. 03%、87. 70%、

87. 73%,平均洗净率为 87. 32%,且洗净率无显著

差异(P>0. 05);超声波式清洗装置的洗净率分别

为 91. 77%、92. 07%、92. 20%、91. 83%、92. 40%,平

均洗净率为 92. 05%,其洗净率无显著差异(P >

0. 05)。 淹没水射流式清洗装置较螺旋桨式清洗装

置的洗净率提高了 12. 49%,较超声波式清洗装置

提高了 6. 7%。

B



 

C



 

D



 

E

ffi

 

F

ffi

 

G

ffi

 

图 12 破损度评级示意图

Fig. 12 Diagram of damage rating

B

 C

ffi

         

fi

 fiPfififi fiPfifi



























     

图 13 洗净率

Fig. 13 Washing rate

王莉等[33]研究表明,具有一定速度的淹没水

射流,使得清洗水箱内的水体进行涡旋似的流动,

当清洗物料放入到清洗水箱,随水一起进行运动,

使得清洗物料在水中处于搅动状态,促使清洗物

料与水以及清洗物料之间产生摩擦和碰撞,将清

洗物料表面及褶皱处的泥土清洗掉;张玉倩等[34]

研究表明,螺旋桨的射流流线以桨轴线为中轴线,

围绕其向前呈螺旋式发展,若螺旋桨射流碰到水

槽边壁,射流将会发生反射,降低射流流场的稳定

性,进而影响贝肉的洗净率。 本研究表明,淹没水

109

渔 业 现 代 化 2024 年

射流清洗装置对扇贝裙边和鸟蛤肉具有较高的洗

净率,扇贝裙边和鸟蛤肉的平均洗净率分别为

97. 77%和 98. 23%,较螺旋桨式清洗装置的洗净

率分别提高了 14. 4%和 12. 49%,与上述研究结

果一致。 刘元昊等[35]研究表明,依靠超声波在介

质质点处振动能力足够高引发“超声波空化现

象”,被清洗物件表面的污渍可以被冲击力剥离,

持续不断地冲击,最终可以使污垢迅速剥落于被

清洗物的表面,且对清洗物褶皱中的泥土等污染

物清洗效果明显。 本研究表明,超声波式清洗装

置虽对扇贝裙边和鸟蛤肉洗净率均可达 90%以

上,但在试验中发现,虽然杂质被流体冲击力剥

离,但由于受到箱体内流体振动影响,部分杂质重

新附着在被清洗物上,影响洗净率,故其洗净率小

于淹没水射流式。 由此说明,淹没水射流式装置

具有稳定的洗净率和清洗效率。

5. 2. 2 破损率

试验还分别对 3 种清洗装置对扇贝裙边和鸟

蛤肉破损率进行了检测。 当清洗扇贝裙边时,因

淹没水射流式与超声波式清洗设备清洗过程中无

机械搅动,故两种清洗方式均无破损现象;螺旋桨

式清洗设备因清洗过程螺旋桨与扇贝裙边发生缠

绕,故该 清 洗 方 式 扇 贝 裙 边 的 破 损 率 分 别 为

2. 59%、2. 33%、2. 27%、2. 53%和 2. 49%,平均破

损率为 2. 44%。 当清洗鸟蛤肉时,3 种清洗装置

对鸟蛤肉均无显著影响,无破损现象发生。

王莉等[17]研究表明,淹没水射流方式的清洗

力作用柔和,不会破坏清洗物料表面组织,基本不

会对清洗物料造成损伤,可保持清洗后清洗物料

的完好;杜彦生等[5] 对超声波清洗机清洗叶类蔬

菜的研究中也表明,超声波清洗设备清洗柔性物

料时具有较低的破损率。 本研究表明,淹没水射

流和超声波清洗贝肉均无破损现象,与上述研究

结果一致。 周文松[36]研究表明,螺旋桨式清洗设

备在启动瞬间,螺旋桨上方、下方均出现环形流

域,扇贝裙边(柔性长条形) 在环形流域的影响

下,极易与螺旋桨发生缠绕与碰撞,造成损坏现

象。 然而鸟蛤肉为块状,且具有较好的韧性,且与

螺旋桨无缠绕现象,故无显著破损现象。 由此说

明,淹没水射流装置不仅具有高洗净率,而且清洗

过程对贝肉不会造成损伤。

6 结论

基于淹没水射流机理,设计了以淹没水射流

为清洗动力的贝肉清洗装置,对清洗装置进行

Fluent-EDEM 耦合数值模拟,并结合正交试验确

定清洗装置的关键结构参数范围,得出各因素对

清洗效果的影响依次为射流口直径>清洗量>清

洗时间,当射流口直径为 10 mm,扇贝裙边清洗量

为 14 kg,清洗时间为 6 min 时,清洗效果最佳。

对淹没水射流式、螺旋桨式、超声波式 3 种清洗装

置进行了生产性对比试验,试验结果表明,淹没水

射流清洗装置对扇贝裙边和鸟蛤肉具有较高的洗

净率,扇贝裙边和鸟蛤肉的平均洗净率分别为

97. 77%和 98. 23%,较螺旋桨式清洗装置的洗净

率分别提高了 14. 4%和 12. 49%,较超声波式清

洗装置分别提高了 7. 3%和 6. 7%,且淹没水射流

清洗装置清洗过程对贝肉无损伤。 由此说明,淹

没水射流清洗装置具有高洗净率、零破损率等优

势,具备产业化推广价值。 □

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111

渔 业 现 代 化 2024 年

Design and experiment research of submerged

jet cleaning device for shellfish meat

WANG Jiequn

1

,LI Mingzhi

1,2

,LIU Ying

2,3

,LIU Yongrui

4

,LU Hongbo

2

(1 College of Navigation and Shipbuilding Engineering,Dalian Ocean University,Dalian 116023,Liaoning,China;

2 Aquaculture Engineering R&D Center of Liaoning Province,Dalian Ocean University,Dalian 116023,Liaoning,China;

3 College of Biosystems Engineering and Food Science,Zhejiang University,Hangzhou 310058,Zhejiang,China;

4 Liaoning Science and Technology Museum,Shenyang 110000,Liaoning,China)

Abstract:With the development of the prefabricated shellfish food industry, precision processed pre-made

foods based on shellfish are gradually being promoted in the market. Although there are many types of cleaning

devices in the market,there is no suitable equipment for cleaning various types of shellfish products,which has

problems such as low cleaning efficiency,poor cleaning rate,and easy damage. Based on the mechanism of the

submerged water jet, this article designs a shellfish cleaning device using the submerged water jet as the

cleaning power and conducts Fluent-EDEM coupled numerical simulation on the cleaning device to determine

the key structural parameter range of the cleaning device. The rationality of the cleaning device was

demonstrated through two-phase experiments. In the first phase,through orthogonal cleaning experiments,it was

found that the submerged water jet cleaning method had the best cleaning effect when the jet diameter was 10

mm,the cleaning amount was 14 kg,and the cleaning time was 6 minutes,respectively. In the second phase,a

production comparison experiment was conducted, and the cleaning rate and damage rate were used as

evaluation indicators to compare the cleaning rates of three cleaning devices. The experimental results show that

when using scallop skirts as cleaning objects,the average cleaning rate of the submerged water jet cleaning

device is 97. 77%,and there is no damage phenomenon. The cleaning rate of the submerged water jet cleaning

device is 14. 4% higher than that of the propeller cleaning device,and 7. 3% higher than that of the ultrasonic

cleaning device. When using cockle meat as the cleaning object,the average cleaning rate of the submerged

water jet cleaning device is 98. 23%,which is 12. 49% higher than the propeller cleaning device and 6. 7%

higher than the ultrasonic cleaning device,and there is no damage. This indicates that the submerged water jet

device has a good cleaning effect and has industrial promotion value.

Key words:shell meat cleaning; submerged water jet; fish processing; Fluent-EDEM; fluid structure coupling

112

《渔业现代化》征稿简则

《渔业现代化》杂志创刊于 1973 年,由农业农村

部主管,中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所主

办。 被中国科技核心期刊、 中国科学引文数据库

(CSCD)、北大中文核心期刊、RCCSE 中国核心学术

期刊、中国农林核心期刊、国外艾博思科(EBSCO)数

据库等收录期刊,国内外公开发行,双月刊。 《渔业现

代化》以渔业装备与水产养殖工程为专业特色。 主要

刊载:工厂化循环水养殖技术与设备,渔业水体净化,

池塘生态养殖,渔船与捕捞,水产品保鲜与加工利用

等方面的原创性研究论文、研究综述及科技成果报

告。

1 基本要求

(1)本刊已全面实现网上投稿、审稿,不再接受纸

质投稿。 来稿必须为未公开发表的研究论文,杜绝一

稿多投。

(2)署名作者应为主要参加研究并同意投稿本刊

的人员。

(3)研究论文应观点明确、材料详实、数据正确、

论证合理。

(4)综述论文应是渔业水产专业领域的最新研究

进展、预测发展趋势,结合个人研究提出启发性评价

及见解。

(5)科技成果报告要求具有新颖性,应阐明该成

果所依据的原理、关键技术、主要技术指标、应用(试

验)实例与结果。

(6)文中的标题、作者、单位、摘要、关键词、图题、

表题等均要求中英文双语。

2 责任及权利

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法》规定,论文发表前编辑部有权对文字进行加工、修

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否录用的,作者可对稿件自行处理。 来稿刊用后,将

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的使用费包括在稿酬中,不再另外支付,作者如有异

议,请务必在投稿时声明。

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信作者的姓名、出生年、性别、职称、学位、研究方向及

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(2)中文摘要的编写按照 GB6447—86《文摘编

写规则》规定,字数在 350 字左右,应具有独立性和自

含性;不应出现图、表、数学公式、化学结构式和非公

知公用的符号、术语和缩略语。 研究论文摘要按照目

的、方法、结果和结论写成。 综述、成果报告可写指示

性摘要,通常包括论文的主题;论文的意图、论题或组

织结构和范围(全面的或有选择的);资料来源(例如

个人观察资料,已发表的文献);结论。 英文摘要同上

述要求。

(3)关键词一般为 3 ~ 8 个。 依据 GB / T3860—

2009《文献主题标引规则》的原则和方法选取反映文

中主体和规范的名词术语,关键词应该按照重要性递

减的顺序排列,一般将表达文章观点和内容的最关键

的主题词放在首位。 反映论文的研究目的、对象、方

法、过程等内容的关键词在前,揭示研究结果、意义、

价值的关键词在后。 通常按照研究对象(目的、对象

等)、研究方法(材料、方法等)、研究内容(过程、条件

等)、地区分布(结果、意义、综述等)等排序。

(4)研究论文正文应包括前言(引言)、材料与方

法、结果、讨论、结论等部分。 综述、成果报告应包括

研究背景或现状介绍、资料来源和分析讨论、趋势分

析及结论等部分。

(5)图、表题名应简短确切,中英文标注。 图应满

足清晰、自明、美观。 表采用三线表,尽量不使用竖线

和斜线,必要时候可适当添加横线。 图、表内容应与

正文一一对应。

(6)量和单位按照参考 GB3100 ~ 3102—93《量和

单位》国家标准及国际标准书写。 面积用 km

2

、 hm

2

、

m

2

、cm

2

、mm

2

,亩换算成公顷;体积用 m

3

、cm

3

、 mm

3

;

容量用 L、 mL;时间用 d、 h、 min、s;转速用 r/ min。

(7)用字母符号表示公式,并注明字母符号的含

义和单位,通常用单个斜体字母符号表示物理量;非

物理量可以用中文表示(如个、次、件、人等)。

(8)参考文献应选用最主要的、且已公开发表的

文献,采用顺序编码制格式著录。 每条文献列出前 3

位作者名,多者用“等”或“et al”表示。 西文人名缩写

省略点以空格代替,按姓在前,名在后排列。 西文刊

名请用全称。

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F I S H E R Y

M O D E R N I Z A T I O N

( B i m o n t h l y )

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( Tota l N o . 2 9 0 )

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51

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