虹吸式衛(wèi)生潔具不同沖水模式的速度流場(chǎng)分析*

劉福明 潘曉濤

(廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院 廣州 510006)

虹吸式衛(wèi)生潔具不同沖水模式的速度流場(chǎng)分析*

劉福明 潘曉濤

(廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院 廣州 510006)

衛(wèi)生潔具水包壁的水流速度能反映水流對(duì)水包壁的沖刷性能，排污管內(nèi)的水流速度能反映虹吸現(xiàn)象的持續(xù)時(shí)間、虹吸力大小及排污管高度的設(shè)計(jì)要求。利用VOF模型，非穩(wěn)態(tài)氣、液多相流的N－S方程，對(duì)普通虹吸式、噴射虹吸式、漩渦虹吸式衛(wèi)生潔具3種不同沖水模式的速度流場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，對(duì)水包壁與排污管內(nèi)的速度流場(chǎng)進(jìn)行了定量計(jì)算，分析了不同沖水模式速度流場(chǎng)的數(shù)值區(qū)別和對(duì)虹吸現(xiàn)象的影響，為不同沖水模式虹吸式衛(wèi)生潔具的出水流道水力設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

衛(wèi)生潔具 沖水模式 速度流場(chǎng) 虹吸

近年來(lái)，隨著人們生活水平的提高和節(jié)水意識(shí)的增強(qiáng)，人們?cè)谶x擇衛(wèi)生潔具時(shí)，越來(lái)越趨向于使用用水量少、噪音小、沖洗性能和防臭性能比較好的虹吸式衛(wèi)生潔具。為滿足廣大消費(fèi)者的需求，不少衛(wèi)生潔具生產(chǎn)企業(yè)在虹吸式衛(wèi)生潔具上的研究與開發(fā)投入了大量的人力和物力。因此，市場(chǎng)上虹吸式衛(wèi)生潔具種類繁多，但這些衛(wèi)生潔具主要是依靠水的虹吸現(xiàn)象產(chǎn)生的抽力將污物排出。

根據(jù)其水流特點(diǎn)的不同，虹吸式衛(wèi)生潔具可以分為普通虹吸式、噴射虹吸式以及漩渦虹吸式3類。為了進(jìn)一步研究不同種類的虹吸式衛(wèi)生潔具，筆者運(yùn)用商用CFD軟件，在水箱水量為6 L時(shí)，對(duì)3種水流現(xiàn)象及流場(chǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)出了整個(gè)水道上的速度流場(chǎng)，為衛(wèi)生潔具的流體設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了更加可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 不同虹吸式衛(wèi)生潔具簡(jiǎn)述

1.1 普通虹吸式

普通虹吸式衛(wèi)生潔具的構(gòu)造復(fù)雜，水箱水經(jīng)過(guò)坐圈內(nèi)流道，從坐圈下密布的布水眼沖出流入水包，流速較快，但在排污的過(guò)程中只依靠虹吸產(chǎn)生的吸力排污，在沖污開始時(shí)是以大量的水漫過(guò)污物，然后再將污水吸入排污管道達(dá)到排污效果，其結(jié)果是污水漫過(guò)的地方都會(huì)留下污跡，時(shí)間一長(zhǎng)就會(huì)結(jié)垢。其內(nèi)部水流道結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 普通虹吸式衛(wèi)生潔具求解域CAD模型

1.2 噴射虹吸式

圖2 噴射虹吸式衛(wèi)生潔具求解域CAD模型

噴射虹吸式衛(wèi)生潔具增設(shè)了噴射流道，一部分水從坐圈下的布水眼沖出流入水包，另一部分水從噴射流道正對(duì)存水彎處噴射口噴出，使存水彎道迅速充滿并排水。由于結(jié)合了水的吸力和沖力作用，因此在虹吸排污的同時(shí)，利用沖力將漫溢的污物沖走，可以防止污物結(jié)垢。因其虹吸作用和排污能力強(qiáng)，所以不易附著污物和散發(fā)臭氣，而且沖洗用水量較少，在防臭、防止濺水方面有良好的效果，其沖水時(shí)的射流是在水下進(jìn)行的，非但沒(méi)有增加噪音，反而使沖洗噪聲降低，且沖洗性能較好。噴射虹吸式與普通虹吸式衛(wèi)生潔具比較，布水眼尺寸小，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。噴射虹吸式衛(wèi)生潔具內(nèi)部水流道結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3 漩渦虹吸式

漩渦虹吸式衛(wèi)生潔具的水箱水從坐圈內(nèi)流道的主、附?jīng)_水出口流出，以弧形水流沿切線沖出，形成強(qiáng)大的漩渦。漩渦能產(chǎn)生強(qiáng)大的向心力，將污物迅速卷入漩渦中，又隨著虹吸的生成，形成一個(gè)向下旋渦作用，將漂浮的污物帶入排污管入口處，在入口底部反作用力的影響下，很快進(jìn)入排污管道。其設(shè)計(jì)利用了漩渦和虹吸2種作用，因此沖洗水頭低，沖水過(guò)程迅速、徹底，氣味小，噪聲小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較高。漩渦虹吸式衛(wèi)生潔具內(nèi)部水流道結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 漩渦虹吸式衛(wèi)生潔具求解域CAD模型

2 沖水過(guò)程的數(shù)值模擬

2.1 求解域的幾何建模和網(wǎng)格處理

筆者通過(guò)對(duì)實(shí)際3種沖水模式的虹吸式衛(wèi)生潔具進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)Pro/E進(jìn)行曲面造型，根據(jù)Fluent軟件計(jì)算要求，對(duì)求解域中的水箱進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，從而得到求解域的三維幾何模型。

由于文章所涉及的數(shù)值計(jì)算求解域具有模型尺寸大、幾何形狀復(fù)雜等特點(diǎn)，綜合考慮求解域結(jié)構(gòu)、計(jì)算時(shí)間、精度及穩(wěn)定性等因素，采用結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的混合網(wǎng)格。其中水箱部分結(jié)構(gòu)較規(guī)則，采用六面體網(wǎng)格，其余部分(如坐圈、水包和排污管等)都采用四面體網(wǎng)格。

2.2 運(yùn)用Fluent軟件進(jìn)行計(jì)算

虹吸式衛(wèi)生潔具的沖水過(guò)程是帶復(fù)雜流道和混合邊界條件的三維非穩(wěn)態(tài)氣、液多相流動(dòng)，可用連續(xù)性方程和雷諾時(shí)均N－S(Navier－stokes)方程來(lái)描述。虹吸式衛(wèi)生潔具的沖水過(guò)程涉及到水箱水、污水、空氣三相組分的混合流動(dòng)，且流動(dòng)求解域中含自由面，因此，計(jì)算模型采用Euler－euler法多相流中的VOF模型。VOF模型的流動(dòng)相之間的界面跟蹤通過(guò)求解一個(gè)或者多個(gè)容積組分的連續(xù)性方程來(lái)實(shí)現(xiàn)。求解控制方程采用有限容積法(FVM)，通過(guò)對(duì)流體運(yùn)動(dòng)體積域的離散來(lái)構(gòu)造積分型離散方程。為了數(shù)值求解的穩(wěn)定性，按照負(fù)坡線性化原則對(duì)模型方程的各源項(xiàng)進(jìn)行處理，時(shí)間差分采用全隱式格式。離散方程組的求解采用交替方向隱式法(ADI法)，動(dòng)量方程、湍動(dòng)能方程以及湍動(dòng)耗散率方程的離散采用一階迎風(fēng)格式。用PISO兩步校正算法實(shí)現(xiàn)壓力與速度的協(xié)調(diào)一致。非計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)處變量值用冪函數(shù)插值求得。邊界插值采用高精度的幾何重構(gòu)方案。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 不同沖水模式下，水包壁上的速度流場(chǎng)分析

如圖4所示，3條曲線是不同沖水模式的衛(wèi)生潔具坐圈下40mm處一點(diǎn)的時(shí)間歷程曲線。3條速度一時(shí)間曲線在t=0.5～1.2 s時(shí)速度迅速達(dá)到最大值，隨后就緩慢下降，直到?jīng)_水過(guò)程結(jié)束，速度并沒(méi)有立即歸零。水包壁上流體速度的這種走向是由于水箱水大量流入水包時(shí)，水箱水位增高，水包壁上流速最大;隨著水箱中水位的下降，水壓減小，水包壁上的流速逐漸降低，在虹吸現(xiàn)象結(jié)束后，由于水圈內(nèi)壁和水箱內(nèi)壁上還粘附少量殘余水，水包壁上會(huì)形成一層低速流動(dòng)的水膜，所以水包壁上流速不會(huì)急劇下降，仍會(huì)維持?jǐn)?shù)秒。

圖4 不同沖水模式衛(wèi)生潔具水包壁上某點(diǎn)流體速度的時(shí)間歷程圖

從圖4可以看出，噴射虹吸式和漩渦虹吸式衛(wèi)生潔具比普通虹吸式衛(wèi)生潔具在水包壁上的流體速度總體上要大。這是因?yàn)?，水箱水在自重作用下，迅速流入坐圈?nèi)流道后，普通虹吸式衛(wèi)生潔具水箱水只能從坐圈下的布水眼流入水包，且在坐圈內(nèi)流道流動(dòng)受阻，水的機(jī)械能損失較大，從布水眼流出的水流速度相對(duì)較低。噴射虹吸式衛(wèi)生潔具水箱水首先從布水眼流入水包，由于布水眼孔比普通虹吸式的小得多，水圈流道內(nèi)的水箱水流入水包較少，且水箱水在坐圈流道內(nèi)流動(dòng)順暢，所以布水眼處的水壓大，從布水眼流出水的流速會(huì)比普通虹吸式的快;而漩渦虹吸式衛(wèi)生潔具水箱水從坐圈下的主、附?jīng)_水出口流出，以弧形水流沿切線沖出，水箱水在流入水包的過(guò)程中，機(jī)械能的損失比普通虹吸式少得多，所以漩渦虹吸式水包壁上的流速較普通虹吸式衛(wèi)生潔具大，且水箱水對(duì)水包的沖刷時(shí)間也差不多，故在整個(gè)沖水過(guò)程中，噴射虹吸式和漩渦虹吸式衛(wèi)生潔具對(duì)水包壁的沖刷性能較普通虹吸式衛(wèi)生潔具要好。

3.2 不同沖水模式下，排污管上升段的速度流場(chǎng)分析

從圖5可以看出，3條曲線是不同沖水模式衛(wèi)生潔具排污管上升段(距存水彎底面80mm)上一點(diǎn)流體速度的時(shí)間歷程曲線。3條曲線在t=2.5 s附近急劇升高，達(dá)到一定值后，維持1.5 s后，又急劇下降，下降到一定值時(shí)，就開始上下波動(dòng)。這是因?yàn)樵趖=2.5 s時(shí)，排污管中的水開始大量越過(guò)排污管最高處，直到虹吸現(xiàn)象形成后1 s。在這個(gè)過(guò)程中，水包中混合水大量補(bǔ)進(jìn)排污管，排污管上升段的流體速度急劇增加;當(dāng)虹吸現(xiàn)象產(chǎn)生穩(wěn)定的抽力將污水穩(wěn)定排出時(shí)，排污管上升段的水流速度達(dá)到一定值，并維持到1.5 s左右;當(dāng)在排污管駝峰斷面處出現(xiàn)大量空氣時(shí)，流過(guò)排污管最高處的水迅速減少，直到虹吸現(xiàn)象結(jié)束。在這一時(shí)間段，排污管上升段的水流速度急劇下降;在虹吸結(jié)束后，殘余水會(huì)在存水彎中來(lái)回晃動(dòng)，所以排污管上升段的流體速度曲線在這個(gè)時(shí)間段就出現(xiàn)上下波動(dòng)。

圖5 不同沖水模式衛(wèi)生潔具排污管上升段某點(diǎn)流體速度的時(shí)間歷程圖

從圖5還可以看出，漩渦虹吸式衛(wèi)生潔具在排污管上升段流體整體流動(dòng)速度要比普通虹吸式和噴射虹吸式衛(wèi)生潔具小一些。這是由于水箱水流入包后，水的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。普通虹吸式和噴射虹吸式中衛(wèi)生潔具的水箱水都是直接沖到存水彎中，再在存水彎底部的反作用力下，沖入排污管。而漩渦虹吸式水箱水從坐圈下的主、附?jīng)_水出口流出，以弧形水流沿切線沖出，形成強(qiáng)大的漩渦，流入水包中的水箱水并沒(méi)有直接沖入存水彎中，大部分動(dòng)能以漩渦的形式存在。所以漩渦虹吸式排污管上升段流體的整體流動(dòng)速度要比普通虹吸式和噴射虹吸式衛(wèi)生潔具小一些。

3.3 不同沖水模式下，排污管駝峰斷面中心點(diǎn)的速度流場(chǎng)分析

圖6為不同沖水模式衛(wèi)生潔具排污管駝峰斷面中心點(diǎn)的流體速度的時(shí)間歷程圖，圖6中的曲線在前面一段遞增速度不斷加快，達(dá)到一定值后，維持1.5 s，就會(huì)急劇下降，直到接近于零。這種現(xiàn)象是因?yàn)樵谛纬煞€(wěn)定的虹吸前，隨著水箱水大量流入水包，排污管內(nèi)的流體被擠出的體積量不斷增加，直到產(chǎn)生穩(wěn)定的虹吸現(xiàn)象，駝峰斷面中心點(diǎn)的流體速度就會(huì)不斷增加;當(dāng)產(chǎn)生穩(wěn)定的虹吸后，虹吸抽力均勻地把水包中的混合水排出，駝峰斷面中心點(diǎn)的流體速度基本保持平穩(wěn);但在駝峰斷面出現(xiàn)大量空氣時(shí)，流過(guò)駝峰斷面的流體迅速減少，直到虹吸現(xiàn)象結(jié)束。在這一時(shí)間段，駝峰斷面中心點(diǎn)的流體速度會(huì)急劇降低直到接近于零。

從圖6中可以看出，普通虹吸式在排污管駝峰斷面中心點(diǎn)的整體速度要比漩渦虹吸式和噴射虹吸式衛(wèi)生潔具小得多。這是因?yàn)?，普通虹吸式排污管?nèi)的流體越過(guò)駝峰處，主要是靠布水眼中流出來(lái)的水箱水的沖力。水箱水經(jīng)坐圈內(nèi)流道再流入水包中，由于水箱水在坐圈流道內(nèi)不能及時(shí)流入水包，流動(dòng)受阻，水箱水的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的比例太低，水箱水對(duì)排污管的沖力就會(huì)減小，故越過(guò)駝峰的流體速度就不會(huì)太大。噴射虹吸式只有小部分水箱水從坐圈下布水眼中流入水包，大部分水箱水從噴射流道直接沖入存水彎中，水箱水的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能比例高，流入水包的速度大，對(duì)排污管內(nèi)的污水沖力較大，故駝峰斷面的流體速度比較大。漩渦虹吸式水箱水全部從坐圈下主、附?jīng)_水出口流出，形成強(qiáng)大的漩渦，水箱水的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能比例高，雖然流體在排污管上升段的上升速度略小于普通虹吸式，但是沖入排污管的水箱水的動(dòng)能以漩渦的形式存在，當(dāng)這些漩渦到達(dá)排污管駝峰時(shí)，漩渦離心力的作用就會(huì)迅速越過(guò)駝峰。

圖6 不同沖水模式衛(wèi)生潔具排污管駝峰斷面中心點(diǎn)的流體速度的時(shí)間歷程圖

3.4 不同沖水模式下，虹吸現(xiàn)象分析

從圖6、圖7可知，漩渦虹吸式和噴射虹吸式在駝峰斷面的水流速度比普通虹吸式的要大得多，所以在水箱水量相等時(shí)，漩渦虹吸式和噴射虹吸式?jīng)_水過(guò)程形成的虹吸現(xiàn)象持續(xù)的時(shí)間要比普通虹吸式要短。

圖7 不同沖水模式衛(wèi)生潔具排污管駝峰斷面流體法向方向速度的時(shí)間歷程圖

3.5 不同沖水模式下，潔具的排污結(jié)構(gòu)分析

流體在漩渦虹吸式衛(wèi)生潔具排污管內(nèi)的上升速度整體上要比普通虹吸式和噴射虹吸式衛(wèi)生潔具小，所以漩渦虹吸式衛(wèi)生潔具排污管駝峰一般比較低。噴射虹吸式衛(wèi)生潔具由于水箱水通過(guò)噴射流道對(duì)存水彎中的污水沖力較大，流體在排污管內(nèi)的上升速度比較快，所以在設(shè)計(jì)噴射虹吸式衛(wèi)生潔具時(shí)，排污管駝峰應(yīng)設(shè)計(jì)得比普通虹吸式略高一些。

4 結(jié)論

1)本研究根據(jù)對(duì)實(shí)際模型的測(cè)量，建立了不同沖水模式衛(wèi)生潔具的內(nèi)部流道CAD模型，對(duì)這些流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且?guī)ё杂杀砻婊旌线吔鐥l件的衛(wèi)生潔具的三維非穩(wěn)態(tài)氣、液多相流沖水過(guò)程采用VOF模型進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。

2)根據(jù)不同流道內(nèi)流體的速度－時(shí)間曲線，獲得了不同衛(wèi)生潔具沖水過(guò)程的速度流場(chǎng)變化情況，以及不同沖水模式速度流場(chǎng)的區(qū)別。

3)根據(jù)不同沖水模式下在排污管上升段和駝峰斷面處的流體速度－時(shí)間曲線，對(duì)于等量水箱水的沖水過(guò)程，該曲線是衡量虹吸現(xiàn)象持續(xù)時(shí)間、虹吸力大小的依據(jù)和設(shè)計(jì)排污管駝峰高度的重要參考數(shù)值。

4)對(duì)不同衛(wèi)生潔具在沖水過(guò)程中流道內(nèi)速度流場(chǎng)的研究，可以作為潔具的設(shè)計(jì)與開發(fā)的數(shù)值依據(jù)，也可在其他工程領(lǐng)域中應(yīng)用推廣。

1 馬亮，劉沛清，聶建軍.馬桶沖洗過(guò)程的流體模型.水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，2004，19(6)：783 ～787

2 潘曉濤，孫友松，等.衛(wèi)生潔具形成虹吸現(xiàn)象的VOF模型判定方法.中山大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，46(4)：36～40

3 田濤，孟憲舉.衛(wèi)生潔具三維數(shù)值模擬.河北理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，30(1)：89 ～91

4 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社，2004

5 孔一倫.試談多核并行運(yùn)算.電腦編程技巧與維護(hù)，2010，16：118～119

The Velocity Flow Field Analysis of DifferentW ater－rinsing M odels of Siphon Sanitary W are

Liu Fuming，Pan Xiaotao(Guangdong University of Technology，Guangzhou，510006)

The water flow velocity in the bowl of ceramic sanitary ware reflects the wash out capability ofwater flow towall ofwater bowl.And the flow velocity in trap reflects the duration and force of siphon and the design requirements of trap.Using the VOFmodel and the gas liquid multi－phase flow of the unsteady N－Sequations，the velocity flow field of sanitary in differentwater－rinsingmodel is3D numerical simulated.The difference of velocity flow field in differentwater－ rinsingmodels are gained.And the data of velocity flow field can be used for the theoretical basis of the optimization of the hydraulic design of ceramic sanitary wares.

Ceramic sanitary ware;Water－rinsingmodel;Velocity flow field;Siphon

TQ174.76+9

A

1002－2872(2011)11－0022－04

劉福明(1986－)，碩士研究生;主要從事材料成形加工的CAD/CAE分析、模具及設(shè)備的研究。E－mail：fmingliu@126.com