基于噴射角信息的淋浴花灑沖擊力場測試方法研究

盧 佩，吳恩銘，李 瑞

(天津科技大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300222)

基于噴射角信息的淋浴花灑沖擊力場測試方法研究

盧 佩，吳恩銘，李 瑞

(天津科技大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300222)

從理論和仿真兩方面分析淋浴花灑噴射沖擊力場的特性，在通過圖像測量技術(shù)獲得噴射角信息的前提下，提出單束沖擊力的測試方法和多束射流沖擊力場的測試結(jié)構(gòu)，并給出測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及上位機(jī)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方法．實(shí)驗(yàn)表明，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)多種規(guī)格淋浴花灑噴射沖擊力場的測試和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)．

淋浴花灑；沖擊力；射流特點(diǎn)；噴射角；測試方法

Abstract：The characteristic of the impact field was discussed through theoretical analysis and simulation. The testing method of single impact and the test structure of impact field was described based on the information of spray angle，which is obtained by the image test technology. And the design of test system and the method of data storage were given. Experiments show that the method can realize the impact filed test of shower outlet of different spec and the real-time data storage.

Keywords：shower outlet；impact；characteristic of jet；spray angle；test method

不同規(guī)格的淋浴花灑有著不同的噴射場特性參數(shù)．噴射水流對人體的沖擊力是淋浴花灑射流場特性的主要參數(shù)，也是衡量淋浴花灑洗浴效果和舒適性的重要參考指標(biāo)．直接測試出花灑出水沖擊力(即單位面積上的平均沖擊力，以下均同)，對花灑的開發(fā)和產(chǎn)品規(guī)格的制定至關(guān)重要，也為設(shè)計(jì)節(jié)水型花灑提供了理論依據(jù)．

對于噴射沖擊力的測試，國內(nèi)外的研究主要集中在工業(yè)和植保領(lǐng)域，多針對高壓單孔射流[1]．而淋浴花灑的噴射場是在較低壓力作用下的多束射流場，因此噴射沖擊力量值較小，屬于微壓信號，相鄰束射流間存在相互影響，且不同規(guī)格的噴頭各束射流間的排列關(guān)系也不相同．

本文在基于圖像處理技術(shù)所得花灑噴射角[2]的基礎(chǔ)上，借鑒工業(yè)和植保噴頭[3]的研究方法，對淋浴花灑單束沖擊力特性進(jìn)行理論分析，通過Fluent軟件仿真分析得到單束射流場的流動(dòng)特點(diǎn)，進(jìn)而給出了單束沖擊力的測試方法和適用于多種規(guī)格淋浴花灑射流沖擊力場的測試結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了沖擊力測試系統(tǒng)并進(jìn)行了通信和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的實(shí)驗(yàn)．

1 噴射沖擊力場的特性分析

1.1 花灑噴射單束沖擊力的理論分析

花灑噴射沖擊力的大小直接影響著洗浴效果和舒適程度，而影響沖擊力的因素主要有以下幾個(gè)方面：系統(tǒng)噴射壓力 Ps、花灑的體積流量 qv、花灑的噴射角α、單個(gè)噴孔半徑r、花灑安裝前傾角 、相鄰兩孔間最短距離d及花灑到測試截面的噴射距離H．花灑垂直安裝的示意圖如圖 1(a)所示．在不考慮空氣影響，花灑垂直安裝時(shí)，各因素與花灑單束噴射沖擊力之間的關(guān)系如下：

根據(jù)伯努利方程可知單束水流的流出速度[4]為

式中，Cd為流速系數(shù)．

單束水流的體積流量為

式中，Sc為單束水流的出流截面積．噴射距離為H處噴射面積S為

式中：α為單束射流噴射角，由圖像測量系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集，以下公式中均同；噴射距離H可通過H=d/2tan求得；由式(3)可知噴射面積與噴射距離的平方成正比．

單束射流對測試截面的總沖擊力為

結(jié)合式(1)—(4)得單位面積上花灑的噴射沖擊力為

式(5)為沖擊力與射流基本參數(shù)間的定性關(guān)系．由式中可以看出，隨噴射角α增大，噴射沖擊力逐漸減小，因而實(shí)際測量時(shí)，噴射角的大小直接影響著測試基準(zhǔn)面的選?。?/p>

圖1 花灑射流噴射示意圖Fig.1 Jet of shower outlet

1.2 花灑噴射單束射流場的仿真分析

根據(jù)GB/T 23447—2009[5]要求及相關(guān)檢測方法，采用 Fluent流體力學(xué)軟件對花灑單束射流場進(jìn)行二維仿真模擬和分析．

1.2.1 噴射速度場分析

圖 2為單束噴射流場速度云圖．單束射流速度場主要由初始段、基本段和消散段構(gòu)成[6]．在射流初始段，射流束的速度基本均勻，散射很小，這部分介質(zhì)組成了等速核心，是射流的精華．射流基本段是射流初始段后較長的一段，主要包括連續(xù)射流區(qū)和部分霧化區(qū)，該段內(nèi)射流束沿軸線方向的流速及動(dòng)壓力逐漸減少，但射流仍保持完整，并有緊密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)．該段區(qū)域是由水射流與空氣介質(zhì)互相摻混而形成的紊流混合區(qū)，平均速度逐漸減少，并且射流束的紊動(dòng)特性充分的表現(xiàn)了出來．由上述理論分析可知，噴射沖擊力與噴射速度成正比．射流在由基本段進(jìn)入消散段后，射流速度明顯減小，沖擊力亦明顯減小．故應(yīng)在射流基本段和消散段的分界線之前，選取若干個(gè)位置對花灑單束噴射沖擊力進(jìn)行檢測．

圖2 單束噴射流場速度云圖Fig.2 Velocity nephogram of single spray field

1.2.2 噴射壓力場分析

單束噴射流場壓力云圖如圖3所示．射流離開噴孔后開始吸卷空氣，在射流的外層邊界上，射流與周圍空氣間產(chǎn)生劇烈的動(dòng)量和能量交換，原來相對靜止或者具有微小層流流動(dòng)的空氣在高速水射流流束的影響下會(huì)出現(xiàn)極不穩(wěn)定的回旋和反吸，造成周圍空氣介質(zhì)出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，并且隨著噴射距離的逐漸增大，壓力值先減小后增大．這是由于在射流轉(zhuǎn)折段與霧化段之間，射流吸卷空氣量達(dá)到最大值，射流場內(nèi)出現(xiàn)最低壓力，此后射流基本失去了吸卷空氣的能力，射流場內(nèi)壓力逐漸回升．

圖3 單束噴射流場壓力云圖Fig.3 Pressure nephogram of single spray field

由此可見，射流束對外部流場的壓力分布影響較大．在淋浴系統(tǒng)中，需要在一個(gè)花灑噴頭上分列多個(gè)噴孔，因此對外部流場的壓力分析為噴孔的合理布局提供理論依據(jù)，在保證淋浴效果的同時(shí)，最大程度上減少由負(fù)壓引起的吸卷空氣的影響和相鄰噴孔射流邊界間的相互影響，達(dá)到節(jié)水的目的．

射流各段在實(shí)際生活和工程中具有不同的功能．基本段區(qū)域是由水射流與空氣介質(zhì)互相摻混而形成的紊流混合區(qū)，在該段中射流束的紊動(dòng)特性充分表現(xiàn)出來，初始段部分較短，消散段沖洗能力較差，所以淋浴花灑主要用到出水射流的基本段擊打皮膚表面，在脈動(dòng)的射流作用下，舒適的達(dá)到清潔作用．

2 沖擊力測試方法

2.1 單束沖擊力測試方法

淋浴花灑射流場是由多個(gè)單束射流按一定規(guī)律排列組成的．隨著噴射距離的增大，相鄰兩束射流將在某一點(diǎn)交叉，稱此交叉點(diǎn)所在的水平截面為檢測基準(zhǔn)面，此時(shí)的噴射距離為H．單束射流沖擊力的測量主要是對基準(zhǔn)面以上射流基本段部分進(jìn)行的測量. 采用微壓傳感器，以交叉處單束射流截面積S作為敏感元件的受力面積，如圖 1(a)所示，當(dāng)單束射流垂直噴射時(shí)，基準(zhǔn)面處射流沖擊力為

式中，F(xiàn)為傳感器檢測壓力值，結(jié)合式(3)得

當(dāng)檢測基準(zhǔn)面以上位置沖擊力時(shí)，實(shí)際受力面積小于S．所以基準(zhǔn)面以上相距dh截面處沖擊力為

花灑外周噴孔單束射流沿β傾斜角噴射情況如圖1(b)所示．由投影定理得水平基準(zhǔn)面截面積為

結(jié)合式(3)、式(6)得噴射距離為H處基準(zhǔn)面的沖擊力為

基準(zhǔn)面以上相距dh的截面處沖擊力為

2.2 沖擊力場的測試結(jié)構(gòu)

隨著噴射距離的增大，相鄰兩垂直射流間會(huì)出現(xiàn)交叉情況，如圖 1(c)所示．仍以交叉點(diǎn)所在截面面積S為敏感元件的受力面積，受力元件的位置由圖像處理技術(shù)獲得的射流邊界確定．兩束射流交匯區(qū)域的沖擊力為

式中：ε1為修正系數(shù)，；S1為與基準(zhǔn)面 S相距為 dh處射流截面積；S2為此處相鄰兩射流交匯部分截面積，下同．由于兩束射流在交匯時(shí)伴隨著相互阻礙和能量損失，且受力元件并未全部置于射流交匯區(qū)域內(nèi)，所以ε1的取值范圍為1～2．

射流未交匯區(qū)域的平均沖擊力為

式中：ε2為修正系數(shù)，，取值范圍為0～1．

淋浴花灑噴射孔的規(guī)格和排列多種多樣，但有一個(gè)共同點(diǎn)——同一圓周方向的噴射孔規(guī)格和間距相同．以圖 4所示的三周噴孔花灑為例，采用圓周和徑向結(jié)合的極坐標(biāo)方法，檢測射流各處的沖擊力，構(gòu)建淋浴花灑噴射沖擊力場．

壓力傳感器安裝在半徑導(dǎo)軌上，根據(jù)圖像處理技術(shù)獲得同一圓周上各孔射流位置，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)半徑導(dǎo)軌繞射流中心作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，檢測同一圓周上 90°圓心角內(nèi)各射流沖擊力；進(jìn)而根據(jù)圖像處理技術(shù)獲得不同圓周上的射流位置，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳感器作徑向運(yùn)動(dòng)，測得另一圓周上 90°圓心角內(nèi)各射流沖擊力．根據(jù)噴射場的中心對稱性，結(jié)合各圓周沖擊力的檢測值構(gòu)建淋浴花灑噴射沖擊力場．

3 系統(tǒng)構(gòu)成及測試數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

結(jié)合上述對沖擊力場及測試方法的分析，設(shè)計(jì)了基于 CAN總線的淋浴花灑噴射沖擊力場測試系統(tǒng)，如圖5所示．系統(tǒng)采用德國Allied Vision Technologies公司的 F032C高速攝像機(jī)，具有高達(dá) 206幀每秒的采集速度，分辨率為640像素×480像素．沖擊力測試模塊以 Atmega128單片機(jī)為核心，與壓力、溫度等其他參數(shù)測量模塊分別作為 CAN總線的子節(jié)點(diǎn)，在總線優(yōu)先級晉升算法調(diào)度下，既可以獨(dú)立完成各自測試任務(wù)，又能通過網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)等信息集中傳入上位 PC機(jī)，形成一個(gè)有機(jī)整體，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和信息融合．

3.2 上位機(jī)軟件開發(fā)和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)

上位機(jī)軟件采用Visual C＋＋ 6.0開發(fā)，并使用SQL 2000作為后臺數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)．編程中利用HS2102適配卡提供的DLL驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)采集，利用ADO數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)對SQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存?。到y(tǒng)進(jìn)行了基于 CAN總線的整體通信測試，并實(shí)現(xiàn)了未經(jīng)標(biāo)度變換的沖擊力等噴射參數(shù)值的存儲(chǔ)，如圖6所示．

圖6 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)示意圖Fig.6 Real-time data storage

4 結(jié) 語

本文在對淋浴花灑單束噴射沖擊力場進(jìn)行理論和仿真分析后，提出單束沖擊力測試方法和沖擊力場測試結(jié)構(gòu)，并構(gòu)建了測試系統(tǒng)．實(shí)驗(yàn)表明，沖擊力測試模塊通過 CAN總線能夠較好地與上位機(jī)進(jìn)行通信，為與其他測量模塊一起構(gòu)成分布式實(shí)時(shí)測控系統(tǒng)提供了可能，便于系統(tǒng)進(jìn)行綜合數(shù)據(jù)處理和信息融合．

［1］ 申娟，曾良才，王毅，等. 新型高壓除鱗噴嘴性能檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008(6)：112–114.

［2］ Lu Pei，Yuan Juntao，Hu Ji. Measuring on spray angle of shower nozzle based on embedded image processing system[C]// Proceedings of the 2009 2nd International Congress on Image and Signal Processing(CISP).Piscataway：IEEE，2009：5301690.

［3］ 柳平增，丁為民，薛新宇，等. 植保噴頭綜合性能測試專用數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測量與控制，2006，14(12)：1602–1604，1619.

［4］ Suh Hyun Kyu，Lee Chang Sik. Effect of cavitation in nozzle orifice on the diesel fuel atomization characteristics[J]. International Journal of Heat and Fluid Flow，2008，29(4)：1001–1009.

［5］ 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB/T 23447—2009衛(wèi)生潔具·淋浴用花灑[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

［6］ 朱學(xué)彪，陳奎生，王毅，等. 高壓除磷噴嘴噴射流場數(shù)值模擬與試驗(yàn)分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009(5)：217–219.

Research on Test Method for the Impact Field of Shower Outlet for Bathing Based on Information of Spray Angle

LU Pei，WU En-ming，LI Rui
(College of Electronic Information and Automation，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China)

TP216

A

1672-6510(2011)01-0051-04

2010–09–01；

2010–09–29

盧 佩（1960—），女，天津人，教授，lup601@tust.edu.cn.