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第 23 卷 第 6 期 2007 年 6 月 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報 T ransactions of the CSA E V o l 23 N o 6 June 2007 淹 沒 水 射 流 清 洗 機 清 洗 蔬 菜 的 作 用 原 理 與 運 動 分 析 王 莉 農(nóng) 業(yè) 部 規(guī) 劃 設(shè) 計 研 究 院 北 京 100026 摘 要 該 文 介 紹 了 淹 沒 水 射 流 蔬 菜 清 洗 機 的 基 本 結(jié) 構(gòu) 特 征 根 據(jù) 水 力 學(xué) 原 理 分 析 了 淹 沒 水 射 流 對 蔬 菜 清 洗 的 作 用 原 理 及 蔬 菜 在 清 洗 過 程 中 的 運 動 狀 態(tài) 通 過 制 作 試 驗 裝 置 進(jìn) 行 試 驗 驗 證 了 蔬 菜 在 淹 沒 水 射 流 作 用 下 的 運 動 規(guī) 律 為 該 類 清 洗 機 的 設(shè) 計 提 供 了 理 論 依 據(jù) 和 試 驗 基 礎(chǔ) 結(jié) 果 表 明 在 噴 口 尺 寸 噴 口 位 置 等 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) 確 定 的 情 況 下 噴 口 射 水 流 速 影 響 蔬 菜 的 運 動 狀 態(tài) 在 該 試 驗 裝 置 的 結(jié) 構(gòu) 尺 寸 下 噴 口 射 水 流 速 達(dá) 到 4 5 5 5 m s 時 可 使 蔬 菜 處 于 良 好 的 攪 動 清 洗 狀 態(tài) 關(guān) 鍵 詞 蔬 菜 清 洗 淹 沒 水 射 流 中 圖 分 類 號 S226 文 獻(xiàn) 標(biāo) 識 碼 A 文 章 編 號 100226819 2007 620130206 王 莉 淹 沒 水 射 流 清 洗 機 清 洗 蔬 菜 的 作 用 原 理 與 運 動 分 析 J 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報 2007 23 6 130 135 W ang L i W o rk ing p rincip le and k inem atic analysis of subm erged jet vegetable w asher J T ransactions of the CSA E 2007 23 6 130 135 in Ch inese w ith English abstract 收 稿 日 期 2006209213 修 訂 日 期 2007204209 基 金 項 目 農(nóng) 業(yè) 部 948 項 目 2005 Z43 作 者 簡 介 王 莉 1963 女 高 級 工 程 師 主 要 從 事 設(shè) 施 農(nóng) 業(yè) 和 果 蔬 加 工 領(lǐng) 域 技 術(shù) 裝 備 的 研 究 及 工 程 設(shè) 計 咨 詢 北 京 市 朝 陽 區(qū) 麥 子 店 街 41 號 農(nóng) 業(yè) 部 規(guī) 劃 設(shè) 計 研 究 院 100026 Em ail w anglicaae 163 com 0 引 言 蔬 菜 清 洗 在 蔬 菜 加 工 中 很 重 要 清 洗 過 的 蔬 菜 既 可 能 是 最 終 產(chǎn) 品 也 可 能 作 為 蔬 菜 深 加 工 中 的 初 級 產(chǎn) 品 清 洗 作 業(yè) 對 于 蔬 菜 加 工 品 的 質(zhì) 量 至 關(guān) 重 要 蔬 菜 通 過 清 洗 可 以 去 除 表 面 污 物 微 生 物 及 殘 留 農(nóng) 藥 清 洗 前 蔬 菜 表 面 上 的 微 生 物 數(shù) 量 在 104 108g 1 1 有 些 葉 菜 類 和 根 菜 類 蔬 菜 由 于 粘 附 泥 土 微 生 物 數(shù) 量 更 高 通 過 正 確 的 清 洗 工 藝 微 生 物 數(shù) 量 會 降 低 到 其 初 始 數(shù) 量 的 2 5 5 左 右 蔬 菜 清 洗 效 果 取 決 于 清 洗 時 間 清 洗 溫 度 機 械 力 的 作 用 方 式 以 及 清 洗 液 體 的 pH 值 硬 度 和 礦 物 質(zhì) 含 量 等 因 素 的 影 響 蔬 菜 的 清 洗 除 通 過 機 械 力 作 用 進(jìn) 行 外 添 加 表 面 活 性 物 質(zhì) 或 清 洗 劑 也 可 以 大 大 提 高 清 洗 效 果 目 前 用 于 蔬 菜 清 洗 的 機 械 設(shè) 備 主 要 采 用 高 壓 噴 淋 式 清 洗 氣 泡 式 清 洗 滾 筒 摩 擦 式 清 洗 毛 刷 式 清 洗 超 聲 波 清 洗 等 方 法 2 高 壓 噴 淋 式 清 洗 主 要 是 依 靠 噴 頭 噴 出 的 高 壓 水 產(chǎn) 生 的 作 用 力 使 附 著 在 蔬 菜 表 面 的 污 物 去 除 氣 泡 式 清 洗 方 式 是 使 空 氣 進(jìn) 入 水 中 不 斷 攪 動 清 洗 水 并 且 產(chǎn) 生 大 量 氣 泡 在 被 清 洗 物 表 面 發(fā) 生 的 氣 蝕 作 用 使 被 洗 物 清 洗 干 凈 毛 刷 式 清 洗 方 法 是 通 過 刷 毛 與 水 中 物 料 的 直 接 接 觸 使 物 料 表 面 的 污 物 刷 除 洗 凈 該 類 清 洗 方 式 適 用 于 馬 鈴 薯 蘿 卜 等 根 莖 類 蔬 菜 的 清 洗 滾 筒 摩 擦 式 清 洗 的 滾 筒 下 部 沉 于 水 中 物 料 放 在 篩 網(wǎng) 式 滾 筒 中 由 于 滾 筒 的 滾 動 作 用 使 物 料 與 物 料 之 間 以 及 物 料 與 滾 筒 之 間 產(chǎn) 生 摩 擦 使 物 料 表 面 泥 土 去 除 并 清 洗 凈 該 類 清 洗 兼 有 去 皮 的 作 用 可 清 洗 的 蔬 菜 有 局 限 性 超 聲 波 清 洗 方 法 是 在 液 體 中 產(chǎn) 生 數(shù) 以 百 萬 計 的 微 小 真 空 氣 泡 這 些 氣 泡 在 聲 壓 作 用 下 急 速 地 大 量 產(chǎn) 生 并 不 斷 地 猛 烈 爆 破 產(chǎn) 生 強 大 的 壓 力 和 負(fù) 壓 吸 力 使 污 物 脫 離 物 體 的 表 面 對 于 被 清 洗 物 不 會 產(chǎn) 生 物 理 損 傷 該 方 法 用 于 清 洗 蔬 菜 技 術(shù) 尚 不 完 全 成 熟 由 于 超 聲 波 的 作 用 是 否 會 對 蔬 菜 組 織 產(chǎn) 生 不 良 影 響 有 待 進(jìn) 一 步 研 究 清 洗 機 種 類 多 種 多 樣 與 蔬 菜 種 類 多 物 料 特 性 不 一 有 關(guān) 也 與 蔬 菜 加 工 批 量 及 蔬 菜 清 洗 要 求 有 關(guān) 有 關(guān) 蔬 菜 清 洗 技 術(shù) 的 研 究 還 較 少 楊 紅 兵 3 4 分 析 了 超 聲 波 和 氣 泡 作 為 蔬 菜 清 洗 動 力 的 機 理 李 云 飛 5 論 述 了 蔬 菜 清 洗 中 氣 流 對 強 化 洗 凈 率 的 作 用 機 理 初 步 試 驗 研 究 氣 流 對 洗 滌 水 和 蔬 菜 的 擾 動 狀 況 以 及 清 洗 效 果 高 英 武 6 對 振 動 噴 淋 式 蔬 菜 清 洗 機 的 工 作 原 理 和 基 本 結(jié) 構(gòu) 進(jìn) 行 了 研 究 并 分 析 了 蔬 菜 在 清 洗 過 程 中 的 運 動 和 受 力 情 況 以 及 葉 類 蔬 菜 的 損 傷 機 理 E M u lugeta 7 采 用 試 驗 方 法 研 究 了 撞 擊 面 上 的 噴 霧 結(jié) 構(gòu) 與 噴 射 效 果 之 間 的 關(guān) 系 通 過 選 擇 噴 嘴 改 變 噴 霧 結(jié) 構(gòu) 進(jìn) 行 試 驗 對 噴 淋 式 蔬 菜 清 洗 機 的 噴 嘴 進(jìn) 行 了 優(yōu) 化 改 進(jìn) 設(shè) 計 袁 巧 霞 8 介 紹 了 GL 2I 型 根 莖 類 蔬 菜 清 洗 機 的 研 制 方 迪 9 對 滾 筒 式 馬 鈴 薯 清 洗 機 設(shè) 計 進(jìn) 行 了 研 究 并 且 通 過 使 用 反 饋 信 息 對 設(shè) 計 進(jìn) 行 了 改 進(jìn) 本 文 提 出 將 淹 沒 水 射 流 理 論 及 其 研 究 方 法 運 用 到 蔬 菜 清 洗 領(lǐng) 域 并 分 析 了 水 射 流 作 為 蔬 菜 清 洗 動 力 的 作 用 機 理 通 過 實 驗 室 試 驗 更 進(jìn) 一 步 明 確 了 蔬 菜 在 淹 沒 031 水 射 流 中 的 運 動 規(guī) 律 性 該 研 究 為 淹 沒 水 射 流 方 式 清 洗 蔬 菜 的 深 入 研 究 和 設(shè) 備 設(shè) 計 奠 定 了 理 論 基 礎(chǔ) 1 淹 沒 水 射 流 清 洗 機 的 結(jié) 構(gòu) 特 征 淹 沒 水 射 流 清 洗 機 主 要 由 水 箱 供 水 系 統(tǒng) 射 水 管 射 水 口 也 稱 噴 口 以 及 盛 菜 槽 組 成 根 據(jù) 清 洗 蔬 菜 種 類 的 不 同 射 水 管 及 射 水 口 的 設(shè) 置 類 型 各 異 主 要 有 上 射 水 設(shè) 置 和 下 射 水 設(shè) 置 為 使 射 流 作 用 能 夠 同 時 達(dá) 到 輸 送 物 料 的 作 用 還 可 將 射 水 管 和 射 水 口 沿 物 料 運 動 方 向 設(shè) 置 見 圖 1 圖 1 清 洗 機 噴 水 管 設(shè) 置 示 意 圖 F ig 1 Sketch show ing the nozzle po sition of w ashers 上 射 水 設(shè) 置 的 射 水 管 接 近 水 面 下 射 水 設(shè) 置 的 射 水 管 接 近 盛 菜 槽 底 由 于 不 同 密 度 蔬 菜 在 水 中 所 處 的 自 然 狀 態(tài) 不 同 呈 現(xiàn) 出 下 沉 水 底 和 上 浮 水 面 的 現(xiàn) 象 將 射 水 口 分 為 上 射 水 和 下 射 水 設(shè) 置 為 適 應(yīng) 清 洗 不 同 蔬 菜 的 需 要 上 射 水 適 合 于 清 洗 浮 于 水 面 的 蔬 菜 下 射 水 適 合 于 清 洗 沉 于 水 底 的 蔬 菜 兼 有 輸 送 物 料 作 用 的 清 洗 機 的 射 水 管 沿 物 料 輸 送 方 向 設(shè) 置 射 水 口 軸 線 與 射 水 管 軸 線 不 垂 直 它 與 射 水 管 軸 線 之 間 的 角 度 在 80 87 之 間 射 水 流 不 但 可 以 攪 動 蔬 菜 進(jìn) 行 清 洗 而 且 可 以 使 蔬 菜 定 向 運 動 實 現(xiàn) 蔬 菜 的 輸 送 產(chǎn) 生 淹 沒 射 流 的 射 水 口 可 以 由 主 干 管 壁 上 開 設(shè) 孔 口 形 成 或 者 在 主 干 管 上 接 出 分 支 管 形 成 射 水 口 直 徑 一 般 為 6 12 mm 射 水 口 在 射 水 主 干 管 上 等 間 距 排 列 間 隔 距 離 為 100 180 mm 射 水 出 口 射 流 流 速 3 8 m s 淹 沒 射 流 清 洗 機 的 供 水 系 統(tǒng) 不 僅 作 為 清 洗 蔬 菜 的 射 水 動 力 而 且 可 以 通 過 加 裝 異 物 過 濾 裝 置 后 對 清 洗 水 進(jìn) 行 過 濾 使 清 洗 水 循 環(huán) 使 用 節(jié) 約 水 資 源 2 清 洗 作 用 原 理 與 蔬 菜 運 動 分 析 有 關(guān) 淹 沒 水 射 流 清 洗 機 的 研 究 尚 未 見 報 道 與 此 相 關(guān) 的 水 下 射 流 技 術(shù) 的 研 究 多 見 于 水 利 工 程 和 環(huán) 境 工 程 等 領(lǐng) 域 2 1 單 噴 口 射 流 的 運 動 特 性 射 流 是 指 流 體 從 排 放 口 或 噴 口 流 入 周 圍 環(huán) 境 流 體 并 同 其 發(fā) 生 混 合 的 流 動 狀 態(tài) 通 常 將 水 從 噴 口 射 入 空 氣 中 形 成 的 水 流 稱 為 水 自 由 射 流 而 水 從 噴 口 射 入 同 一 介 質(zhì) 的 水 中 所 形 成 的 水 流 稱 為 淹 沒 射 流 當(dāng) 射 流 出 流 后 它 的 擴 展 受 到 界 壁 的 限 制 則 叫 受 限 射 流 根 據(jù) 噴 口 的 幾 何 形 狀 可 分 為 圓 形 射 流 矩 形 射 流 條 縫 射 流 等 有 研 究 表 明 10 11 對 于 淹 沒 射 流 射 流 從 噴 口 射 出 后 與 環(huán) 境 水 體 之 間 發(fā) 生 卷 吸 和 相 互 摻 混 使 得 射 流 邊 界 不 斷 向 外 擴 展 射 流 橫 斷 面 相 應(yīng) 擴 大 噴 口 軸 線 流 速 先 呈 迅 速 衰 減 態(tài) 勢 然 后 平 緩 衰 減 無 量 綱 量 uxu j 與 xD 之 間 近 似 表 現(xiàn) 為 負(fù) 指 數(shù) 函 數(shù) 衰 減 規(guī) 律 即 uxu j xD n 冪 指 數(shù) 在 0 9 1 2之 間 10 無 量 綱 量 uxu j 與 xD 之 間 又 可 表 示 為 uxu j 6 1 xD 1 11 式 中 ux 為 對 稱 中 心 線 上 距 噴 口 原 點 的 距 離 為 x 處 的 噴 射 口 軸 線 流 速 u j 為 噴 口 處 射 流 速 度 x 為 縱 向 點 距 噴 嘴 原 點 的 距 離 D 為 噴 口 口 徑 利 用 該 公 式 將 本 試 驗 裝 置 的 邊 界 條 件 即 噴 口 直 徑 為 10 mm 代 入 并 計 算 清 洗 槽 水 域 范 圍 內(nèi) 的 流 速 得 出 曲 線 如 圖 2 所 示 可 看 出 無 量 綱 量 uxu j 隨 x 的 變 化 規(guī) 律 當(dāng) 離 開 噴 口 距 離 為 400 mm 時 噴 射 口 軸 線 流 速 ux 僅 為 噴 口 處 射 流 速 度 u j 的 15 左 右 在 與 噴 口 軸 線 相 垂 直 的 方 向 射 流 與 周 圍 水 的 相 互 摻 混 由 外 向 里 發(fā) 展 流 速 從 軸 心 開 始 向 外 緣 方 向 逐 漸 減 小 射 流 主 體 區(qū) 內(nèi) 與 噴 口 軸 線 垂 直 的 不 同 斷 面 上 流 速 分 布 具 有 良 好 的 自 相 似 性 無 量 綱 速 度 uu x 與 無 量 綱 位 置 尺 寸 yy e 之 間 的 關(guān) 系 近 似 服 從 正 態(tài) 分 布 可 表 示 為 uu x 0 938e 0 944 y y e 2 11 式 中 u 為 縱 向 坐 標(biāo) 為 x 斷 面 上 橫 向 坐 標(biāo) 為 y 處 的 縱 向 流 速 ux 表 示 該 斷 面 上 的 最 大 流 速 也 即 噴 射 口 軸 線 流 速 y e 表 示 該 斷 面 上 流 速 等 于 uxe 處 的 橫 坐 標(biāo) e 為 常 數(shù) e 2 7183 綜 合 上 述 噴 口 軸 線 的 速 度 關(guān) 系 uxu j 6 1 xD 1 和 不 同 斷 面 上 流 速 分 布 關(guān) 系 uu x 0 938e 0 944 y y e 2 得 131 第 6 期 王 莉 淹 沒 水 射 流 清 洗 機 清 洗 蔬 菜 的 作 用 原 理 與 運 動 分 析 出 與 噴 口 處 射 流 速 度 u j 相 關(guān) 的 無 量 綱 速 度 uu j 以 噴 口 中 心 為 原 點 噴 口 軸 線 方 向 為 x 坐 標(biāo) 與 其 相 垂 直 的 水 平 方 向 為 y 坐 標(biāo) 以 本 試 驗 方 案 的 噴 口 直 徑 10 mm 為 例 將 射 流 主 體 區(qū) 內(nèi) 不 同 斷 面 上 的 無 量 綱 速 度 uu j 與 無 量 綱 位 置 尺 寸 yy e 的 關(guān) 系 繪 于 同 一 坐 標(biāo) 圖 上 如 圖 3 所 示 圖 2 本 裝 置 噴 口 軸 線 上 速 度 隨 位 置 的 變 化 曲 線 F ig 2 V elocity along jet axis as a function of the space to center 圖 3 本 裝 置 不 同 截 面 流 速 在 水 平 方 向 的 分 布 F ig 3 V elocity distribution at different sections 2 2 單 排 多 噴 口 射 流 的 運 動 特 性 多 個 噴 口 位 于 同 一 管 子 軸 線 上 同 時 向 水 中 噴 射 水 流 如 清 洗 機 的 射 水 布 置 水 從 噴 口 射 出 后 射 流 邊 界 按 直 線 擴 展 以 bg 表 示 射 流 斷 面 的 特 征 半 寬 度 該 處 流 速 為 uxe bg 與 x 的 關(guān) 系 為 bg 0 107 0 109 x 射 流 的 擴 散 角 變 化 范 圍 為 10 13 11 由 于 射 流 的 擴 散 多 股 射 流 從 噴 口 射 出 后 達(dá) 到 一 定 射 程 相 鄰 兩 股 射 流 的 邊 界 線 便 交 于 一 點 A 如 圖 4 所 示 射 流 在 A 點 之 前 互 不 影 響 每 股 射 流 遵 從 單 噴 口 射 流 的 規(guī) 律 運 動 射 流 在 A 點 之 后 相 鄰 兩 股 射 流 開 始 互 相 干 擾 和 疊 加 并 匯 成 一 片 水 流 其 速 度 圖 形 可 近 似 地 看 作 多 股 射 流 動 量 合 并 的 結(jié) 果 本 試 驗 裝 置 噴 口 直 徑 10 mm 噴 口 間 距 為 150 mm 時 在 射 流 方 向 不 同 截 面 的 流 速 分 布 如 圖 4 所 示 圖 4 本 裝 置 不 同 截 面 的 流 速 分 布 F ig 4 V elocity distribution of m ulti2jets at different sections 2 3 水 射 流 受 到 阻 礙 時 的 運 動 特 點 根 據(jù) 流 體 力 學(xué) 原 理 可 知 流 線 不 能 相 交 也 不 能 轉(zhuǎn) 折 而 只 能 是 一 條 連 續(xù) 光 滑 的 曲 線 液 體 質(zhì) 點 不 可 能 有 橫 越 流 線 的 流 動 清 洗 機 的 清 洗 槽 為 一 有 限 空 間 無 論 噴 水 管 是 上 位 還 是 下 位 設(shè) 置 都 臨 近 水 的 一 個 界 面 在 水 流 前 進(jìn) 的 方 向 還 有 槽 壁 的 阻 擋 因 此 射 流 的 擴 展 會 受 到 多 界 壁 的 限 制 由 于 射 流 受 到 多 界 壁 的 限 制 射 流 直 徑 和 流 量 不 是 一 直 沿 程 增 加 而 是 增 加 到 一 定 程 度 后 又 逐 漸 減 小 當(dāng) 射 流 達(dá) 到 某 一 斷 面 其 運 動 參 數(shù) 會 發(fā) 生 根 本 性 變 化 射 流 流 線 開 始 越 出 邊 界 產(chǎn) 生 回 流 射 流 主 體 流 量 開 始 沿 程 減 少 回 流 區(qū) 流 線 呈 閉 合 狀 射 流 與 回 流 共 同 形 成 旋 渦 中 心 射 流 為 上 位 時 水 槽 上 部 為 射 流 區(qū) 下 部 為 回 流 區(qū) 射 流 為 下 位 時 水 槽 下 部 為 射 流 區(qū) 上 部 為 回 流 區(qū) 無 論 上 位 或 下 位 射 流 都 會 在 清 洗 槽 內(nèi) 形 成 渦 旋 式 流 動 如 圖 5 所 示 圖 5 受 限 射 流 水 流 狀 況 示 意 圖 F ig 5 Sketch show ing the w ater flow 231 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報 2007 年 2 4 蔬 菜 在 清 洗 槽 中 的 運 動 特 點 蔬 菜 在 清 洗 槽 水 中 的 運 動 狀 況 比 較 復(fù) 雜 首 先 蔬 菜 呈 現(xiàn) 出 不 規(guī) 則 的 形 狀 特 征 不 同 蔬 菜 的 密 度 不 同 并 且 蔬 菜 在 水 中 的 運 動 狀 態(tài) 往 往 是 平 動 伴 隨 著 轉(zhuǎn) 動 與 水 流 的 相 對 位 置 時 刻 都 在 發(fā) 生 變 化 根 據(jù) 水 力 學(xué) 原 理 水 流 繞 過 物 體 或 者 物 體 在 流 體 中 以 一 定 速 度 運 動 時 物 體 都 將 受 到 水 流 對 物 體 的 作 用 力 這 個 作 用 力 可 以 分 成 兩 個 分 量 一 個 分 量 與 水 流 方 向 一 致 它 是 水 流 中 物 體 受 到 水 流 方 向 的 作 用 力 也 是 水 流 所 受 物 體 阻 力 的 反 作 用 力 可 稱 為 繞 流 阻 力 另 一 個 分 力 垂 直 于 水 流 方 向 稱 為 升 力 蔬 菜 受 力 有 重 力 浮 力 升 力 和 繞 流 阻 力 如 果 不 考 慮 蔬 菜 在 水 中 由 于 吸 水 作 用 引 起 的 密 度 變 化 可 將 重 力 和 浮 力 視 為 定 值 而 升 力 和 繞 流 阻 力 都 是 變 量 繞 流 阻 力 由 兩 部 分 組 成 即 摩 擦 阻 力 和 壓 差 阻 力 摩 擦 阻 力 指 作 用 在 物 體 表 面 的 切 向 力 摩 擦 力 在 無 窮 遠(yuǎn) 處 來 流 方 向 的 投 影 的 總 和 它 是 由 于 流 體 的 黏 性 在 流 體 與 物 體 之 間 的 摩 擦 而 產(chǎn) 生 的 壓 差 阻 力 指 作 用 在 物 體 表 面 法 線 方 向 的 壓 力 投 影 在 無 窮 遠(yuǎn) 處 來 流 方 向 的 總 和 對 于 理 想 流 體 的 繞 流 壓 力 分 布 前 后 對 稱 故 壓 差 阻 力 為 零 而 當(dāng) 實 際 流 體 流 過 物 體 時 由 于 黏 性 的 關(guān) 系 發(fā) 生 分 離 產(chǎn) 生 旋 渦 在 旋 渦 區(qū) 的 壓 力 未 恢 復(fù) 到 原 來 的 勢 流 時 的 壓 力 旋 渦 區(qū) 的 壓 強 遠(yuǎn) 小 于 物 體 迎 水 面 的 壓 強 在 來 流 方 向 會 形 成 壓 力 差 當(dāng) 水 流 達(dá) 到 一 定 速 度 時 壓 差 阻 力 在 繞 流 阻 力 中 占 主 導(dǎo) 地 位 繞 流 阻 力 可 表 示 為 FD CDA D Qv 2 0 2 1 式 中 FD 繞 流 阻 力 Q 流 體 的 密 度 v 0 不 受 物 體 影 響 處 的 未 被 干 擾 的 流 速 A D 物 體 在 垂 直 水 流 平 面 的 投 影 面 積 CD 繞 流 阻 力 系 數(shù) 繞 流 阻 力 系 數(shù) CD 與 水 流 的 雷 諾 數(shù) R e 物 體 形 狀 以 及 在 水 中 的 相 對 位 置 有 關(guān) 球 體 CD 0 5 垂 直 來 流 方 向 的 圓 平 板 CD 1 12 作 用 在 物 體 表 面 的 切 向 力 摩 擦 力 和 作 用 在 物 體 表 面 法 線 方 向 的 壓 力 投 影 在 與 無 窮 遠(yuǎn) 處 來 流 方 向 垂 直 方 向 的 總 和 稱 為 升 力 升 力 在 流 體 繞 過 不 對 稱 物 體 時 發(fā) 生 如 果 物 體 上 下 表 面 存 在 有 流 線 疏 密 的 差 異 即 存 在 流 速 的 差 異 流 速 小 則 壓 強 大 而 流 速 大 則 壓 強 小 由 于 物 體 上 下 壓 強 的 不 一 致 而 產(chǎn) 生 升 力 升 力 用 類 似 繞 流 阻 力 公 式 的 形 式 可 表 示 為 FL CLA L Qv 2 0 2 2 式 中 FL 升 力 A L 物 體 在 水 流 方 向 水 平 面 的 投 影 面 積 CL 升 力 系 數(shù) 將 淹 沒 水 射 流 清 洗 機 適 合 清 洗 的 蔬 菜 按 形 狀 可 以 分 為 近 似 橢 球 形 如 櫻 桃 番 茄 微 型 馬 鈴 薯 等 正 方 形 根 莖 類 鮮 切 菜 流 線 棍 狀 體 如 毛 豆 豆 莢 類 板 狀 體 葉 類 蔬 菜 以 櫻 桃 番 茄 和 毛 豆 為 例 取 其 平 均 大 小 當(dāng) 噴 口 出 水 流 速 為 5 m s 時 由 前 述 分 析 可 知 在 離 開 出 水 口 一 定 距 離 的 絕 大 部 分 水 體 中 的 流 速 小 于 2 m s 由 流 速 為 2 m s 時 計 算 得 出 單 個 櫻 桃 番 茄 的 繞 流 阻 力 FD 0 98CDN 升 力 FL 0 98CLN 單 個 毛 豆 的 繞 流 阻 力 FD 0 32CDN 升 力 FL 0 32CLN 而 單 個 櫻 桃 番 茄 的 質(zhì) 量 力 和 浮 力 分 別 為 Fm 0 082 N F f 0 080 N 單 個 毛 豆 的 質(zhì) 量 力 和 浮 力 分 別 為 F m 0 014 N F f 0 015 N 由 于 蔬 菜 形 狀 不 規(guī) 則 及 在 水 中 運 動 狀 態(tài) 的 復(fù) 雜 性 CD 和 CL 值 無 法 計 算 或 試 驗 測 得 但 根 據(jù) 以 往 人 們 對 規(guī) 則 物 體 的 研 究 和 分 析 12 13 在 一 定 的 雷 諾 數(shù) 范 圍 內(nèi) 50 R e 300 CD 和 CL 值 為 0 5 CD 1 8 1 5 CL 0 5 可 見 FD FL Fm 和 F f 值 最 多 相 差 一 個 數(shù) 量 級 因 而 對 蔬 菜 的 運 動 無 均 會 產(chǎn) 生 影 響 可 見 水 流 速 度 對 蔬 菜 的 運 動 起 到 關(guān) 鍵 性 作 用 3 淹 沒 水 射 流 清 洗 蔬 菜 試 驗 觀 察 本 研 究 根 據(jù) 國 外 蔬 菜 清 洗 機 產(chǎn) 品 的 結(jié) 構(gòu) 特 點 設(shè) 計 制 作 了 一 淹 沒 射 水 清 洗 裝 置 進(jìn) 行 蔬 菜 清 洗 試 驗 為 便 于 觀 察 采 用 玻 璃 水 箱 水 箱 體 積 720 mm 580 mm 510 mm 本 試 驗 裝 置 采 用 主 干 管 接 出 分 支 管 的 噴 口 射 流 形 式 共 設(shè) 4 個 噴 口 分 支 噴 口 管 軸 線 與 主 干 管 軸 線 垂 直 噴 口 直 徑 10 mm 噴 口 間 距 150 mm 參 與 清 洗 作 用 的 水 體 范 圍 上 平 面 460 mm 530 mm 下 平 面 270 mm 530 mm 高 度 250 mm 見 圖 6 本 試 驗 裝 置 流 量 可 以 調(diào) 節(jié) 采 用 本 試 驗 裝 置 對 毛 豆 櫻 桃 番 茄 小 白 菜 油 菜 菠 菜 白 蘿 卜 胡 蘿 卜 馬 鈴 薯 圓 白 菜 等 蔬 菜 進(jìn) 行 了 試 驗 毛 豆 櫻 桃 番 茄 為 整 個 果 實 小 白 菜 油 菜 和 菠 菜 為 整 棵 和 切 段 兩 種 狀 態(tài) 白 蘿 卜 胡 蘿 卜 馬 鈴 薯 圓 白 菜 為 切 割 狀 態(tài) 試 驗 觀 察 到 所 有 上 述 蔬 菜 在 淹 沒 射 流 水 體 中 均 呈 現(xiàn) 渦 旋 運 動 狀 態(tài) 見 圖 6 所 示 為 清 洗 毛 豆 櫻 桃 番 茄 菠 菜 和 胡 蘿 卜 時 的 運 動 狀 態(tài) 通 過 調(diào) 節(jié) 流 量 進(jìn) 行 試 驗 流 量 達(dá) 到 3000 L h 時 蔬 菜 在 水 中 有 輕 微 的 翻 滾 流 量 為 4000 L h 時 水 的 渦 旋 流 動 和 蔬 菜 的 翻 滾 都 比 較 明 顯 當(dāng) 流 量 達(dá) 到 5000 6200 L h 時 水 的 渦 旋 流 動 和 蔬 菜 的 翻 滾 程 度 達(dá) 到 最 佳 狀 態(tài) 當(dāng) 流 量 繼 續(xù) 增 大 時 會 出 現(xiàn) 水 流 抑 制 蔬 菜 翻 滾 并 將 蔬 菜 壓 向 一 邊 的 現(xiàn) 象 圖 6 中 4 種 蔬 菜 清 洗 均 為 射 水 流 量 5800 L h 時 的 記 錄 正 如 理 論 上 分 析 的 射 水 流 量 決 定 了 噴 口 射 水 流 速 噴 口 射 水 流 速 決 定 了 水 體 流 速 的 分 布 從 而 決 定 了 蔬 菜 在 水 中 的 運 動 狀 態(tài) 331 第 6 期 王 莉 淹 沒 水 射 流 清 洗 機 清 洗 蔬 菜 的 作 用 原 理 與 運 動 分 析 圖 6 各 種 蔬 菜 在 清 洗 過 程 中 的 運 動 狀 態(tài) 流 量 5800 L h F ig 6 Sketch show ing the vegetables moving w h ile w ash ing 本 研 究 測 試 了 幾 種 蔬 菜 的 密 度 范 圍 在 0 6 1 1 g cm 3 之 間 毛 豆 0 95 g cm 3 櫻 桃 番 茄 1 05 g cm 3 小 白 菜 0 77 g cm 3 油 菜 0 77 g cm 3 菠 菜 0 65 g cm 3 胡 蘿 卜 1 11 g cm 3 白 蘿 卜 1 01 g cm 3 馬 鈴 薯 1 07 g cm 3 圓 白 菜 0 86 g cm 3 通 過 試 驗 發(fā) 現(xiàn) 蔬 菜 密 度 決 定 了 采 用 上 射 水 還 是 下 射 水 方 式 適 用 于 上 射 水 的 蔬 菜 有 毛 豆 小 白 菜 油 菜 菠 菜 圓 白 菜 適 用 于 下 射 流 的 蔬 菜 為 櫻 桃 番 茄 胡 蘿 卜 和 馬 鈴 薯 白 蘿 卜 上 射 水 和 下 射 水 均 可 但 上 射 水 更 為 適 合 由 于 蔬 菜 的 密 度 接 近 水 的 密 度 因 此 蔬 菜 在 水 中 很 容 易 隨 波 逐 流 水 流 的 運 動 狀 態(tài) 基 本 限 定 了 蔬 菜 的 運 動 試 驗 觀 察 與 理 論 分 析 結(jié) 果 一 致 本 試 驗 裝 置 盛 菜 槽 為 梯 形 截 面 兩 側(cè) 斜 面 底 面 和 上 水 面 使 水 流 受 限 與 水 射 流 的 共 同 作 用 蔬 菜 在 水 中 呈 整 體 旋 轉(zhuǎn) 而 由 于 個 體 形 狀 的 差 異 和 水 體 流 速 的 不 均 勻 性 單 個 蔬 菜 呈 直 徑 變 化 的 螺 旋 運 動 平 動 同 時 還 伴 隨 著 自 身 的 轉(zhuǎn) 動 另 外 在 梯 形 截 面 盛 菜 槽 的 銳 角 處 容 易 產(chǎn) 生 蔬 菜 滯 留 的 現(xiàn) 象 因 此 在 進(jìn) 行 盛 菜 槽 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 時 應(yīng) 予 以 考 慮 4 結(jié) 論 淹 沒 水 射 流 清 洗 機 可 用 于 清 洗 蔬 菜 清 洗 水 體 中 水 流 速 度 直 接 影 響 蔬 菜 的 運 動 繼 而 影 響 蔬 菜 的 洗 凈 效 果 可 以 通 過 噴 口 直 徑 的 選 擇 噴 射 口 位 置 的 設(shè) 置 以 及 噴 射 水 流 速 度 的 改 變 建 立 起 需 要 的 流 場 噴 口 直 徑 和 噴 射 口 分 布 影 響 流 場 中 各 質(zhì) 點 的 運 動 速 度 分 布 本 研 究 用 選 定 的 噴 口 直 徑 10 mm 噴 口 布 置 間 距 150 mm 的 清 洗 裝 置 改 變 噴 口 出 水 流 量 對 小 白 菜 毛 豆 櫻 桃 番 茄 等 蔬 菜 進(jìn) 行 了 清 洗 試 驗 試 驗 表 明 上 下 噴 口 射 水 的 適 用 范 圍 取 決 于 蔬 菜 的 密 度 下 噴 水 口 設(shè) 置 適 合 于 密 度 大 的 下 沉 于 水 底 的 蔬 菜 上 噴 水 口 設(shè) 置 適 合 于 密 度 小 的 上 浮 于 水 面 的 蔬 菜 當(dāng) 蔬 菜 運 動 的 水 體 體 積 限 定 在 460 mm 530 mm 250 mm 范 圍 內(nèi) 噴 口 射 水 流 速 達(dá) 到 4 5 5 5 m s 時 可 獲 得 良 好 的 蔬 菜 運 動 狀 態(tài) 保 證 蔬 菜 能 夠 比 較 均 勻 地 充 滿 整 個 水 體 并 且 使 蔬 菜 在 淹 沒 射 流 水 體 中 做 渦 旋 運 動 或 者 做 行 進(jìn) 螺 旋 運 動 使 蔬 菜 處 于 良 好 的 運 動 狀 態(tài) 或 按 照 設(shè) 計 者 的 要 求 進(jìn) 行 物 料 輸 送 是 該 類 清 洗 機 設(shè) 計 的 技 術(shù) 核 心 蔬 菜 在 水 中 運 動 會 產(chǎn) 生 蔬 菜 之 間 的 碰 撞 蔬 菜 與 清 洗 槽 之 間 的 碰 撞 以 及 蔬 菜 與 水 流 之 間 的 摩 擦 這 些 作 用 促 使 蔬 菜 表 面 污 物 與 蔬 菜 脫 離 使 蔬 菜 清 洗 干 凈 參 考 文 獻(xiàn) 1 杜 朋 果 蔬 汁 飲 料 工 藝 學(xué) M 北 京 農(nóng) 業(yè) 出 版 社 1992 2 賀 曉 光 湯 鳳 霞 李 海 峰 清 洗 技 術(shù) 在 食 品 生 產(chǎn) 上 的 應(yīng) 用 現(xiàn) 狀 J 寧 夏 農(nóng) 學(xué) 院 學(xué) 報 2001 22 1 65 69 3 楊 紅 兵 丁 為 民 新 型 蔬 菜 清 洗 機 的 研 制 J 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報 2005 21 1 92 96 4 楊 紅 兵 新 型 蔬 菜 清 洗 機 的 研 制 與 試 驗 研 究 D 南 京 南 京 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 2004 431 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報 2007 年 5 李 云 飛 張 青 蔬 菜 清 洗 中 氣 流 強 化 作 用 研 究 J 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報 2001 17 1 97 104 6 高 英 武 劉 毅 君 任 述 光 等 振 動 噴 淋 式 蔬 菜 清 洗 機 的 研 究 J 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報 2000 16 6 92 95 7 M ulugeta E Geyer M Characterising the w ash ing p rocesses of vegetables and patatoes J B isystem s Engineering 2005 91 4 441 453 8 袁 巧 霞 張 華 珍 GL 2I 型 根 莖 類 蔬 菜 清 洗 機 的 研 制 J 農(nóng) 機 與 食 品 機 械 1996 3 25 9 方 迪 滾 筒 式 馬 鈴 薯 清 洗 機 的 設(shè) 計 研 究 J 森 林 工 程 2003 19 6 36 37 10 熊 鰲 魁 詹 德 新 全 貴 均 等 近 水 面 淹 沒 噴 嘴 射 流 流 場 特 性 的 實 驗 研 究 J 水 動 力 學(xué) 研 究 與 進(jìn) 展 1995 10 4 429 433 11 華 明 動 水 中 射 流 特 性 研 究 D 南 京 河 海 大 學(xué) 2001 12 許 衛(wèi) 疆 車 得 福 徐 通 模 非 球 形 顆 粒 的 阻 力 系 數(shù) 與 升 力 系 數(shù) 的 數(shù) 值 求 解 J 西 安 交 通 大 學(xué) 學(xué) 報 2006 40 3 298 301 13 張 耀 先 水 力 學(xué) M 北 京 化 學(xué) 工 業(yè) 出 版 社 2005 14 劉 樹 紅 吳 玉 林 應(yīng) 用 流 體 力 學(xué) M 北 京 清 華 大 學(xué) 出 版 社 2006 15 趙 海 燕 中 國 蔬 菜 加 工 業(yè) 的 現(xiàn) 狀 及 其 發(fā) 展 策 略 J 湖 南 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報 社 會 科 學(xué) 版 2005 6 3 9 11 16 高 翔 陸 兆 新 張 立 奎 等 超 聲 波 氣 泡 清 洗 鮮 切 西 洋 芹 的 應(yīng) 用 研 究 J 食 品 工 業(yè) 科 技 2003 24 11 27 29 W ork ing pr inc iple and k inematic analysis of subm erged jet vegetable washer W a ng L i Ch inese A cad em y of A g ricu ltu ral E ng ineering B eij ing 100026 Ch ina Abstract T h is paper in troduces the structu re and characteristic of subm erged jet vegetab le w asher T he w ash ing m echan ism w as analyzed T he flow field of clean ing w ater and the mo tion state of vegetab les distu rbed by subm erged jets w ere p rim arily investigated T he experim en t verified the k inem atic law of vegetab les under the condition of subm erged jets of w ater w h ich p rovided theo retical and test ab sis fo r the design of the vegetab le w ashers T he resu lts show that nozzle dim en sion po sition and velocity of flow mo stly influence the clean ing effects fo r vegetab le In p resen t test w hen the velocity of flow from nozzle reaches 4 5 5 5 m s the vegetab le can be w ashed w ell Key words vegetab le w ash ing subm erged jets of w ater 531 第 6 期 王 莉 淹 沒 水 射 流 清 洗 機 清 洗 蔬 菜 的 作 用 原 理 與 運 動 分 析