[生物工程]鲜杏无水清洗喷嘴仿真和试验测试

来源：Biosystems engineering 2017(159), 97-108
题目：Simulation and experimental test of waterless washing nozzles for fresh apricot
作者： Hongkui Chun，Ruoyu Zhang， Yanjie Qi，Za Kan

该论文较之前的会议论文丰富性在于添加了试验验证部分，并且利用传感器测量相关的参量，描述更加详细具体。

阅读本文的目的：

• 对比会议论文和该SCI论文的差别，为之后撰写相关会议论文和SCI 打基础。
• 了解实验室内部工作的其他方面，尽可能多学习，在之后完成自己课题的基础上，可以尝试实践。
• 课题研究对象与自己课题的对象一致，可以在论述方面借鉴和区别。

题目：鲜杏无水清洗喷嘴仿真和试验测试

摘要：

为了设计利用压缩空气进行鲜杏无水清洗的喷嘴，结合仿真和试验方法进行了四种不同喷嘴的研究。通过对喷嘴喷射气流的分析，确定了无水清洗的工作空间。在该空间内，利用CFD（计算流体动力学）仿真和压力测试对四种喷嘴气流特征对比，确定了最佳喷嘴。结果表明仿真速度和测试压力趋向一致。机器视觉技术被用于品谷四种喷嘴的清晰效果。结果显示柱锥形喷嘴为最佳最佳喷嘴，其平均无水清洗率达到99.07%。该研究表明了结合仿真和试验测试能够用于鲜无水清洗的试验和设计。

关键字：无水清洗；鲜杏；喷嘴；数字仿真；传感压力测试；图像处理

1 引言

杏具有丰富的营养价值和药用价值，在世界广泛流行。中国新疆是世界重要的鲜杏种植地区，2015年种植面积超过125千公顷，出口量达到1.20百万吨。然而， 鲜杏表面很容易在收获期由于独特的干旱气候被尘土砂砾覆盖。因为水洗很容易损坏鲜杏蜡质层，通常情况下鲜杏一经采摘直接拿到市场上售卖。尘土严重影响了鲜杏的外部品质质量。鲜杏必须被清洗，目前普遍采用鲜果清晰方法为高压水洗。然而在使用高压水洗后鲜杏其薄薄的蜡质层极容易被破坏。蜡质层主要功用是抵制细菌侵袭和防止水分散失。由于水果品质在输送和贮藏过程中恶化，蜡质层的损坏通常导致大量经济损失。

为了避免这些缺点，针对水果和水彩的无水清洗方法逐渐被研究。Davies，Fahy和Rau说，一系列的无水清洗技术和装备使得清洗对水的依赖不断降低。Brogden发明了无水清洗装置用来清洗新鲜橘子。该装置依赖于一种结合特殊药剂的毛刷辊。并且，它使用高温干燥杀菌。Bichel同样设计了旋转式毛刷辊无水清洗机械。在离心力的作用下，表面的尘土和杂质被去除。因为鲜杏易受损伤，不适合使用以上两种方法。Huang提出了一种用于葡萄干无水清洗的方法，该方法基于高浓度二氧化碳和超声波处理，可同时实现清洗、杀菌和杀虫。但反应器需要先用过氧化氢清洗，且无水清洗条件要求处理次数超过三次，温度大于20℃，压强大于5.8MPa，超声波频率超过10kHz。如此严格的环境条件和较长的处理时间是的该方法不太适用于鲜杏的清晰。

喷嘴结果极大影响着无水清洗的效果。收口角度是喷嘴结构的重要参数。Hou和Hou发现喷嘴清洗效果与工作区气流区域参数相关。Erfan，Chitsaz和Ziabasharhagh研究了喷嘴的喷射特征。射流喷射通常分成三个阶段，分别为初始阶段、主体阶段和消散阶段。初始阶段通常用于破碎和切割，主体阶段主要用于清洗和除杂，因该阶段有较大的有效喷射宽度和更大的有效速度。消散阶段主要用于降温和除尘。在分析喷嘴结构和流体区域的过程中，数字仿真被广泛应用。Aravind，Reddy和Baserkoed模拟了不同工作条件和几何形状下对蒸汽喷嘴工作效果的影响，研究发现雾沫夹带比会随着过滤蒸汽温度和饱和温度的增加而降低。Cai和He使用CFD计算流体动里学对超音速蒸汽喷嘴进行了仿真模拟，研究表明夹带比会随着蒸汽过热度增加而增加。Peng和Song发现了四种双边喷嘴中，柱锥型喷嘴最适用于磨光。对比传统的设计方法，数字模拟优势众多，例如，低耗，快速和应用广泛。数字模拟技术广泛应用于结构和工作参数的确定。这些研究大部分针对工业设计工作，但是一些也用于水果的无水清洗技术。

本文的主要目的是提出一种鲜杏无水清洗方法，利用无水清洗喷嘴喷射高压空气来清洁杏子。分析了四种不同结构的喷嘴，利用仿真和试验测试来确定最佳的喷嘴结构。该研究的具体目标如下：

• 结合仿真分析和试验测试以及机器视觉技术，选择和评估杏无水清洗的最佳喷嘴结构。
• 对比和分析四种喷嘴的流速分布特征，确定鲜杏清晰工作区域。
• 构建基于感应压力片的测试平台，用来进行四种喷嘴的压力测试。
• 采集不同喷嘴无水清洗前后的鲜杏图像，利用MATLAB软件计算每种类型的清洗效果。

2 材料与方法

2.1 仿真分析

2.1.1 鲜杏研究

本研究中，采集了两个品种鲜杏样本，小型的小白杏，大型的大红杏，都为新疆广泛种植的品种。鲜杏形状椭圆形，因此其长度为最大尺寸。利用游标卡尺测量长度。图1为100个小白杏和100个大红杏样本的长度分布。两个品种的最大长度均不超过60mm。

图1 鲜杏长度分布 a. 小白杏 b. 大红杏

无水清洗的工作区域和距离的原理示意图如图2a。因为鲜杏在传送过程的移动是不规则的，任意尺寸都有可能为无水清洗的工作面的尺寸。未覆盖无水清洗的大部分杏子，工作区域的直径设置为60mm。

图2 喷嘴原理示意图 a.喷嘴工作示意图 b.喷嘴结构示意图

2.1.2 无水清洗喷嘴模型建立和生产

通过实验，喷嘴喷射类型主要用于清洗。几种喷嘴喷射类型结构为，扇形、锥形和混合型喷嘴。研究选用了四种不同结构的喷嘴进行仿真和分析找到最佳的杏子清洗喷嘴的最佳结构，四种喷嘴分别为柱形喷嘴（CN），柱锥形喷嘴（CCN），扇形喷嘴（FN）和柱扇形喷嘴（CFN）。收口角为收口中心线和边线的夹角（图2b）。收口角度为确定喷嘴结构特征的重要参数。柱形喷嘴、柱锥形喷嘴、扇形喷嘴和柱扇形喷嘴的角度分别为0°、5°、-5°和-10°。4种喷嘴的入口直径设定为6mm。每个喷嘴的长度为20mm。每个喷嘴的交叉区域为圆形。为维持4种喷嘴的相同仿真条件，它们的入口速度保持一致。所有喷嘴材料为铝。

图3 四种喷嘴模型和参考部分

2.1.3 数字仿真方法

四种喷嘴的雷诺数计算如公式1：

公式1

其中，Re代表雷诺数，ρ代表空气密度，v代表平均速度，d代表喷嘴的内部直径，μ代表气体粘度系数，d为特征长度。雷诺数和其他参量的值如表1所示。因为这些喷嘴的雷诺数最小值大于1000，研究选择标准k-ε模型。因此，该研究结论为全射流和分子粘度可忽略。标准k-ε模型为1972年Launder和Spalding提出，此外还有K方程、射流动力能量和射流消散比方程。该模型被广泛应用于工程问题和科学研究。

表1 四种喷嘴雷诺数公式中的参数

ε定义如下：

公式2

射流粘性系数计算公式如下：

公式3

标准k-ε射流模型表达式为：

公式4和5

公式6

其中，G_k是在平均速度阶梯效益下射流动力能量k所产生的，G_b是在平均速度浮力作用下的射流动力能量k所产生的，Y_M为ε总消散比的波纹扩散效应，C_1ε，C_2ε，C_3ε，σ_k和σ_ε为经验值。在FLUENT软件下默认的参数如表2所示。

表2 FULENT软件标准k-ε模型参数

研究中，使用GAMBIT软件建立四种喷嘴的模型。网络示意图如图4所示。，其中，D为喷嘴的内部直径，6mm；L为喷嘴的长度，20mm。由于喷嘴和流出区域都为中心对称，在研究中使用其二维结构。四边形网格因其最接近真实模型被采用。

图4 柱流喷嘴网格划分

为保证相同仿真条件，所有喷嘴空气进口速度设为80m·s^-1，出口压强全为101,325Pa。因为马赫数为0.24，流体被视为不可压缩的，能量公式不能使用。四种喷嘴的初始边界设置相同。

2.1.4 工作空间确定

无水清洗工作区域应该置于喷射主体阶段，该阶段有两个选择工作区域的标准。第一个为L_e≥L_max，其中L_e为喷射有效宽度，L_max是鲜杏样本的最大长度。喷嘴有效宽度为工作宽度，该部分的所有点都比喷射有效速度要大。第二个保准为V_w≥V_e和V_wmax≤V_b，其中V_w为共诺区域速度，V_e为清洗有效速度。有效速度为能够清洗鲜杏表面灰尘的最小速度。喷射有效速度可使用空气速度测试设备进行测量。V_wmax是工作区间内的最大速度。V_b为破坏鲜杏表层的最小速度。

为确定工作区域，首先确定主体阶段范围。射流喷射的三个基本阶段如图5所示，其中，V为喷嘴流动区域的速度，V₀为喷嘴初始速度，V_m为轴向速度。满足V_m=V₀所指向点的喷嘴出口范围定为初始阶段。主要喷射在初始阶段范围。主体阶段在初始阶段之后，该阶段的经验公式如公式7，确定了该阶段结束位置和消散阶段的开始位置。因为柱形喷嘴开口角度为四种喷嘴中最为典型的。柱形喷嘴被用来确定研究中无水清洗工作区域位置。

公式7

其中，R为喷射半径，R₀为喷嘴半径，λ为流出区域的系数，在圆形区域喷射中为3.4，a为射流系数，可根据材料和处理技术所确定，s为喷射范围。a值可以将仿真数据组带入公式得到；ā为a的一系类平均值，σ为|a-ā|。σ最小值位置由s'定义。如果σ随着s'逐渐增加，s'后的σ值不适合公式7。因此，s'在消散区域内。

图5 自由喷射三个阶段

2.2 感应压力测试

2.2.1 建立喷嘴测试平台

鲜杏无水清洗喷嘴测试平台主要包含空气压缩机、压力调节阀、电磁阀、现场可编程门阵列（电磁阀驱动板）（FPGA），喷嘴和喷嘴气室，如图6所示。空气压缩机为测试平台提供了高压空气。压力调节阀可控制空气压力。电磁阀被FPGA驱动装置控制开闭清洗阀门。并且，工作状态下，鲜杏放置在了试验平台的托盘上。

图6 鲜杏无水清洗喷嘴测试原理示意图

2.2.2 压力感应测试原理

由伯努利方程导出公式8用来计算气体喷射时内部的压力，其中，p为空气压力，r为空气质量比，v为气流速度，g为重力下的加速度。使用压力感测篇测量相同条件下喷嘴的最大气流速度。

公式8

2.2.3 感压胶片测试原理

感呀胶片主要由聚酯基片、发色层和显色层组成（图7）。发色层涂有一层微囊生色物质，显色层涂有显色物质。使用时，两个胶片在喷嘴下且涂层相对。当高速气流作用在发色层时，微囊生色物质破裂释放生色物质。在生色物质与显色层之间发生化学反应，显示出不同深度的红色。通过这种方式，获取测试过程中的压力分布。测试材料选择为4LW感压胶片，压力范围为0.05MPa~0.2MPa，测试误差小于10%。

图7 4LW压力感应片原理

使用感压胶片获取不同无水清洗喷嘴的试验数据。感压胶片通过扫描仪扫描，用来评估压力分布。最后压力数据通过数字图像分析系统提取，输入到绘图软件中获取Surger软件平滑后的感应压力分布值和分布范围。

2.2.4 测试和验证方法

研究中，喷嘴入口速度设置为80m·s^-1，用来进行压力感应测试。此外，相同的进气脉宽和进气时间被设置。进气脉宽为250ms，重复进气的数量为50。四种喷嘴的仿真和测试结果被对比。四种喷嘴的相同感应区域的数字模拟和试验数据进行了对比分析。空气速度仿真图解和喷嘴测试压力论证仿真结果的准确性。

2.3 清洗效果评估

为了评估不同喷嘴的无水清洗小姑，一个黑色球和白色面粉分别用来代替鲜杏和尘土。黑色球清洗前后的图像通过相机获取。最后， 不同喷嘴无水清洗效果利用MATLAB软件进行分析确定。

清洗效果计算公式如公式9所示，其中，D 为清洗效果，N为清洗前黑色橡胶球图像中的白色像素点个数，n为清洗之后黑色橡胶球的白色像素点个数。

公式9

清洗前后黑色橡胶球图像作为一个组。为了更多的重复试验，每个喷嘴每组进行了10次实验，确定每种喷嘴的平均清洗效果。最佳清洗效果的喷嘴可以最为最佳喷嘴。

3 结果与讨论

3.1 数字仿真结果与分析

3.1.1 喷嘴流动区域数字仿真结果

喷嘴出口气流区域通过FLUENT软件仿真。根据喷嘴气流速度确定无水清洗工作区域的特殊位置。然后，通过仿真结果分析确定最佳喷嘴。

如图8所示为相同条件下四种无水清洗喷嘴出口速度分布。锥柱形喷嘴出口速度最佳，因其在四种喷嘴的主体阶段最长且最宽。图9显示，喷嘴外部流动区域的轴向速度曲线。它展现了极大的不同在喷嘴出口范围0mm到50mm范围。锥柱形喷嘴和柱流喷嘴的轴向速度比扇形喷嘴和柱扇形喷嘴的轴向速度更大。在50mm到-100mm范围。锥柱形喷嘴和柱流喷嘴的轴向速度逐渐下降。所有轴向速度曲线在喷嘴出口150mm之后相对于100mm到150mm范围缓慢下降，锥柱形喷嘴的轴向速度仍大于柱流喷嘴。柱扇形喷嘴的轴向速度接近扇形喷嘴，并且两者低于柱流喷嘴。总体来说，锥柱形喷嘴在四种喷嘴中流速最大。

图8 80m·s-1内部喷射速度下喷嘴和流出区域的速度分布

图9 喷嘴流出区域轴向速度

3.1.2 无水清洗工作空间确定

柱流喷嘴轴向速度数字模拟结果如图10所示。点A坐标为（31,80.09）。根据定义，喷射主体阶段位于喷嘴出口31mm处。结果表明，喷射起始阶段范围为0mm至31mm。

点A的物理意义、图上意思是什么？

图10 柱流喷嘴流出区域轴向速度

根据公式7将仿真结果输入计算得到，a值计算结果如图11所示。B点坐标为（280,0.04419），直线ā=0.044161通过计算B点时a的平均值得到。如图11所示，a和ā的差距在距离大于280mm时逐渐曾嘉。为了确定s'，范围230mm到330mm的射流相关系数标准偏差σ被计算（图12）。如图12所示，C点的坐标为（280,0.000042）。在距离230mm到330mm范围内，最低标准偏差为0.000042。因此，消散阶段s'从喷嘴出口开始为280mm，主体阶段范围从31mm到280mm（图13）。

图11 柱流喷嘴公式7中的粘度系数

图12 柱流喷嘴粘度系数标准偏差

图13 柱流喷嘴三个喷出阶段的分布

根据喷嘴测试平台的试验，喷射有效速度为15m·s^-1。有效区域为速度大于15m·s^-1的所有点。喷射有效宽度必须大于工作宽度60mm。如14表明喷嘴存在的不同距离的有效交叉区域直径曲线。点D和点E坐标分别为（31,60）和（280,61）。由两个坐标可知，工作区域M如图14所示，适合清洗，工作区域在恩最出口280mm处。

图14 柱流喷嘴无水清洗有效区域直径

3.1.3 喷嘴工作空间参数对比

每个喷嘴工作区域速度曲线如图15所示。工作区域在距离从喷嘴出口到280mm处。如上所知，X轴为喷嘴的轴向对称轴，工作宽度为60mm。Y轴为工作区域内喷嘴的速度。锥柱形喷嘴拥有最高的速度，峰值大约为30m·s^-1。接下来为柱形喷嘴，峰值约为28m·s^-1。根据四种喷嘴的结构设计，柱扇形喷嘴、山形喷嘴、柱流喷嘴和锥柱形喷嘴的开口角度分别为-10°，-5°，0°和5°。分析结果表明研究状态下的喷嘴中最大的出口角度、最大的气流速度。

图15 喷嘴工作区域速度

喷嘴工作区域各参数对比如表3所示。对比其他类型喷嘴，锥柱形喷嘴有最小速度最大、最大速度和平均速度，分别为16.23m·s^-1，29.41m·s^-1和24.12m·s^-1。变异系数为0.17，为四种喷嘴中最小，证明了锥柱形喷嘴的速度为工作区域中速度最一致的，更加有利于有效清洗。根据Li的研究知，鲜杏最小表面硬度为约为0.23kg·cm^-2。由此，根据相关计算方法，我们可以得出鲜杏表面所能接受的最小速度为189m·s^-1。工作时的最大速度为29.41m·s^-1。因此，最高速度气流不会损坏鲜杏。总体而言，主流行喷嘴为评估的四种喷嘴中最佳。

表3 工作空间仿真结果对比

3.2 压力感应测试结果

试验平台测量结果为0.5MPa，能够提供80m·s^-1的喷嘴进口气流速度（表4），因此0.5MPa设为测试是的工作压强。为确保测试的准确性，每种喷嘴每次持续喷射相同状态1.2秒喷雾，连续测试50次。测试距离为距离喷嘴出口的距离，因应变片的感应限制设为10mm。脉冲宽度设为250ms。表5给出了压力感应测试时工作参数。

表4 测试平台空气压缩和气流速度相关性

表5 压力感应测试工作参数

图16显示了四种喷嘴感压胶片的压力分布。柱流喷嘴、锥柱形喷嘴、扇形喷嘴和柱扇形喷嘴总压力区域分别为123mm²，142mm²，92mm²和82mm²。压力分布区域大于四种喷嘴0.14MPa时的23mm²，27mm²，6mm²和5mm²。由此可知，总体喷射感压区域锥柱形喷嘴面积最大，四种喷嘴中的喷射区域最集中。在相同感应区域，四种类型喷嘴压力值被计算，用来分析四种喷嘴的不同表现。感应区域为78.5mm²，感应区域的中心为圆心，半径为5mm。并且，数字模拟平均速度数据在出口到10mm时被提取用来对比试验结果。图17显示了试验和仿真结果。数字模拟的速度值顺序为锥柱形喷嘴、柱流喷嘴、扇形喷嘴和柱扇形喷嘴，测试压力的顺序相同。

图16 每个喷嘴压力应变片压力分布

图17 4种类型喷嘴测试压力和仿真速度

3.3 无水清洗效果对比

无水清洗效果通过清洗前后图像相减得到。在作差之前，先用MATLAB软件进行预处理（图18），比如灰度变换、背景分割、边缘提取和边缘填充。图18显示了锥柱形喷嘴比其他喷嘴的无水清洗效果更佳。每种喷嘴进行了10次重复无水清洗试验并取平均值（表6）。锥柱形喷嘴平均清洗效果为99.07%，为四种喷嘴中效果最高。使用SPSS软件进行统计分析，95%置信区间内四种喷嘴无水清洗效果如表6所示。并且，锥柱形喷嘴比其他三个效果更好。试验结果与仿真结果一致。

图18 无水清洗效果图像处理：“XX_A”代表XX喷嘴清洗之前的图像；“XX_B”代表XX喷嘴清洗后的图像

表6 四种类型喷嘴无水效果

4 结论

该研究中，利用FLUENT软件进行了四种不同类型喷嘴的无水清洗主要特征的仿真，确定了鲜杏无水清洗工作区域和最佳清洗效果。感压测试和无水星期效果区分评估了仿真结果。

在研究中，因为在相同条件下，锥柱形喷嘴在工作区域内提供了四种喷嘴中最高且均一性强的气流速度，被认为是最佳喷嘴。四种喷嘴的开口角度是改进无水清洗效果的重要因素。

仿真和试验结果对比的相关性证明了使用方针确定喷嘴效果的可行性。更进一步地，本研究中的方法可以作为接下来工程技术工作和未来研究中优化无水清洗喷嘴的参考。

本研究中，锥柱形喷嘴被确定为无水清洗的最佳喷嘴。进一步研究可以探索鲜杏无水清洗中锥柱形喷嘴的最佳收口角度。

致谢

作者十分感谢国家科学和技术项目支持和石河子大学高层次人才项目。作者同样感谢李硕和冯哲在感压测试中的指导。