清潔用自吸氣脈沖噴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)的正交試驗(yàn)

劉厚林，張照亮，王勇,2

(1. 江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2. 江蘇大學(xué)鎮(zhèn)江流體工程裝備技術(shù)研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

隨著生活水平的提高，消費(fèi)者越來越青睞于選擇智能馬桶.清洗噴頭對(duì)智能馬桶的性能起著決定性作用，是智能馬桶的核心部件.目前，吸氣式脈沖噴頭作為清洗噴頭中的最新產(chǎn)品，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、清洗舒適及清洗面積大等優(yōu)點(diǎn).

脈沖射流技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于河道治理、工程清潔和石油工程等領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者主要從數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)2個(gè)方面對(duì)脈沖射流產(chǎn)生的機(jī)理和噴頭結(jié)構(gòu)等進(jìn)行研究.MATAOUI等[1]通過研究封閉腔室內(nèi)的脈沖射流，繪制了流動(dòng)脈沖區(qū)域與結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系圖.TANG等[2]采用自主設(shè)計(jì)的自振蕩脈沖噴頭，以砂漿塊為沖蝕試件，試驗(yàn)研究了射流在淹沒條件下的沖蝕效果.MOMBER[3]采用直徑為1.5 mm的氣液射流噴頭，對(duì)抗壓強(qiáng)度為39 MPa的混凝土進(jìn)行沖蝕試驗(yàn).SAMIS等[4]對(duì)赫爾姆茲振蕩器產(chǎn)生的脈沖射流進(jìn)行研究，認(rèn)為腔體內(nèi)射流流束的擾動(dòng)頻率與空腔的固有頻率相近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，從而加劇射流擾動(dòng).高傳昌等[5-7]基于大量試驗(yàn)分析了自脈沖噴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)脈沖射流性能的影響，總結(jié)了自脈沖噴頭性能最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和穩(wěn)定運(yùn)行參數(shù)范圍.倪紅堅(jiān)等[8]采用試驗(yàn)與大渦模擬相結(jié)合的方法分析得到最佳脈沖射流裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并對(duì)比研究了自吸氣式脈沖射流與純水脈沖射流，表明自吸氣式脈沖射流性能明顯優(yōu)于純水脈沖射流.李雨[9]對(duì)脈沖噴頭在吸氣條件下和不吸氣條件下進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明，相比于不吸氣條件，吸氣條件下脈沖噴頭的擊打力和射流脈沖振蕩幅值均顯著提高.文獻(xiàn)[10-12]研制了多種新型自混氣脈沖噴嘴，有效提高了智能馬桶清洗噴頭的沖洗能力.

目前，國內(nèi)外對(duì)應(yīng)用于河道清淤及采礦等領(lǐng)域的大尺寸脈沖噴頭進(jìn)行了大量研究，但是對(duì)應(yīng)用于智能馬桶等領(lǐng)域的小尺寸清潔用脈沖噴頭研究較少，并且國內(nèi)智能馬桶用脈沖噴頭相比于國外TOTO等品牌的成熟產(chǎn)品，在射流脈沖頻率上還有差距.文中設(shè)計(jì)一款可用于智能馬桶的自吸氣脈沖噴頭，基于正交試驗(yàn)方法研究噴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)清潔用脈沖噴頭射流擊打力和脈沖頻率的影響，從而為提高脈沖噴頭射流性能提供一定參考.

1 自吸氣脈沖噴頭及試驗(yàn)裝置

1.1 自吸氣脈沖噴頭工作原理

圖1為清潔用自吸氣脈沖噴頭結(jié)構(gòu)示意圖.噴頭工作過程中，由于射流卷吸作用在腔體內(nèi)兩側(cè)能夠產(chǎn)生壓力脈動(dòng)渦環(huán)，腔體內(nèi)兩側(cè)產(chǎn)生脈動(dòng)負(fù)壓區(qū)，使外界空氣從進(jìn)氣孔處被卷吸入腔體內(nèi)，從而產(chǎn)生自吸氣.吸入的空氣與高速水射流混合產(chǎn)生氣液渦環(huán)，在噴頭出口處形成氣液脈沖射流.噴頭腔體內(nèi)“渦量的擾動(dòng)-放大-吸氣-液氣渦環(huán)產(chǎn)生-釋放-新的渦量脈動(dòng)產(chǎn)生”這個(gè)循環(huán)過程周期性發(fā)展，從而產(chǎn)生連續(xù)脈沖射流.

圖1 智能馬桶用自吸氣脈沖噴頭結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 試驗(yàn)裝置

圖2為自吸氣脈沖噴頭多功能性能測(cè)試裝置示意圖.

圖2 多功能性能試驗(yàn)測(cè)試裝置示意圖

試驗(yàn)裝置主要由水循環(huán)系統(tǒng)、噴頭射流特征采集系統(tǒng)、擊打力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和清潔率測(cè)試系統(tǒng)等構(gòu)成.水循環(huán)系統(tǒng)包括供水管路、電磁調(diào)節(jié)閥、離心泵、集水箱、儲(chǔ)能器，用于噴頭供水和廢水收集.噴頭射流特征采集系統(tǒng)由高速相機(jī)及電腦采集軟件組成，用于拍攝噴頭射流流動(dòng)特征.擊打力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由壓力脈動(dòng)傳感器、透明防水罩、DASP主機(jī)構(gòu)成，用于擊打力數(shù)據(jù)采集.清潔率測(cè)試系統(tǒng)由擋水罩、砂紙、透明防水罩、數(shù)碼相機(jī)及電腦圖像處理軟件構(gòu)成，用于清洗面積采集及后續(xù)清潔率分析.

2 正交試驗(yàn)

2.1 正交因素及其水平選取

為研究噴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)自吸氣噴頭性能的影響，在不改變噴頭運(yùn)行工況的條件(噴頭進(jìn)水口壓力為0.12 MPa)下，根據(jù)自吸氣脈沖噴頭工作原理，選取2個(gè)直接影響進(jìn)氣效果的結(jié)構(gòu)參數(shù)——進(jìn)氣孔直徑d0(因素A)和進(jìn)氣孔中心線距噴頭腔體左右兩壁面距離S0(因素B)，作為優(yōu)化變量.同時(shí)考慮空氣通過進(jìn)氣孔進(jìn)入噴頭腔體與噴頭內(nèi)射流混合后，混合射流碰撞噴頭腔體下壁面，將影響進(jìn)氣效果，選取噴頭腔體下壁面傾角β(因素C)為優(yōu)化變量.

對(duì)影響噴頭性能的3個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)分別選取3個(gè)水平，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)的因素水平表如表1所示.

表1 試驗(yàn)因素及水平

2.2 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

考慮自吸氣脈沖噴頭進(jìn)氣結(jié)構(gòu)3個(gè)因素之間可能存在的交互作用，設(shè)計(jì)L27(313)正交試驗(yàn)如表2所示.

表2 L27(313)正交表及試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)27組試驗(yàn)方案的模型噴頭進(jìn)行加工并進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)量噴頭射流的擊打力F和射流脈沖主頻率f，結(jié)果見表2的第15列和第16列.

2.3 極差分析

對(duì)各方案的結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表3所示，表中：kj為同一因素同一水平試驗(yàn)結(jié)果的平均值；R為極差，表示同一因素n個(gè)水平試驗(yàn)結(jié)果的平均值之間差值的最大值.極差反映試驗(yàn)所選取的因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度，極差越大說明這一因素在試驗(yàn)水平變化范圍內(nèi)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響越大，反之越小[13-14].因此，極差最大的因素即為主要因素.

表3 極差計(jì)算表

由表3可以看出，根據(jù)極差大小，自吸氣脈沖噴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴頭性能影響的主次關(guān)系，各因素對(duì)噴頭擊打力影響從大到小依次為A，B，BC，C，即R(d0)>R(S0)>R(S0*β)>R(β)，各因素對(duì)噴頭脈沖主頻率影響從大到小依次為A，C，B，AB，即R(d0)>R(β)>R(S0)>R(d0*S0).

繪制噴頭單因素影響的效應(yīng)趨勢(shì)圖，如圖3所示，其中橫坐標(biāo)為各因素的3個(gè)水平，縱坐標(biāo)為各因素各水平對(duì)應(yīng)的kj.

圖3 單因素影響效應(yīng)趨勢(shì)圖

由圖3a可以看出：噴頭射流擊打力隨進(jìn)氣孔直徑d0和噴頭腔體下壁面傾角β的增大而減小，其中進(jìn)氣孔直徑d0對(duì)噴頭擊打力影響更加明顯；噴頭射流擊打力隨噴頭進(jìn)氣孔距腔體左右壁面距離S0增大而增大.

由圖3b可以看出，噴頭射流脈沖主頻率隨進(jìn)氣孔直徑d0和進(jìn)氣孔距腔體左右壁面距離S0先增大后減小，隨噴頭腔體下壁面傾角β的增大而增大.

根據(jù)設(shè)計(jì)需要，噴頭射流擊打力F需大于0.1 N，同時(shí)根據(jù)已有性能優(yōu)良的智能馬桶用脈沖噴頭射流頻率為110～120 Hz(該脈沖頻率下人體體感較為舒適)，故在噴頭射流擊打力F滿足大于0.1 N時(shí)，射流脈沖頻率f接近120 Hz的噴頭性能更佳.根據(jù)極差分析已知，射流擊打力最佳組合為A1B3C1,射流脈沖主頻率最佳組合為A2B2C3，考慮到各參數(shù)變化后，射流擊打力在0.11～0.15 N變化，變化范圍較射流脈沖主頻率小，因此選擇噴頭性能最佳組合為A2B2C3，即智能馬桶用自吸氣脈沖噴頭進(jìn)氣結(jié)構(gòu)最佳參數(shù)組合為d0=1.2 mm，S0=2.2 mm，β=6°.

3 優(yōu)化驗(yàn)證

與優(yōu)化前不吸氣脈沖噴頭進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，文中分別從噴頭外流場(chǎng)流動(dòng)特征、射流擊打力、噴頭清潔率3個(gè)方面驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果.

3.1 噴頭射流外流場(chǎng)對(duì)比

在實(shí)際應(yīng)用中，清洗水的工作區(qū)間為距噴頭出水口10～16 cm處，因此在試驗(yàn)拍攝中只分析16 cm內(nèi)的射流流束的流動(dòng)特征.由高速攝影拍攝的射流平均速度為

(1)

式中：Δs為位移變化量；Δt為時(shí)間間隔.

圖4為使用高速攝像機(jī)拍攝的優(yōu)化前后脈沖噴頭在一段時(shí)間內(nèi)的射流流動(dòng)特征.

圖4 優(yōu)化前后脈沖噴頭射流流動(dòng)特征對(duì)比

由圖4可以看出，優(yōu)化前后脈沖噴頭均能產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定的脈沖射流，但優(yōu)化前不吸氣脈沖射流相同位移量所需的時(shí)間更長.根據(jù)式(1)計(jì)算得到不吸氣脈沖射流平均流速約為4 m/s，優(yōu)化后的自吸氣脈沖射流流速約為10 m/s，自吸氣脈沖射流流速較不吸氣脈沖射流流速提高150.0%.

3.2 噴頭射流擊打力對(duì)比

圖5為優(yōu)化前后的脈沖噴頭射流擊打性能對(duì)比，可以看出：在相同工況下，優(yōu)化后脈沖噴頭射流擊打力均值有較大提高，為0.13 N，較優(yōu)化前提高約44.4%；優(yōu)化前噴頭射流主要頻率為70～90 Hz，且擊打力幅值較低為0.10 kPa；優(yōu)化后噴頭射流主頻率集中在90～120 Hz高頻區(qū)域內(nèi)，較優(yōu)化前射流主頻率提高33.3%，且擊打力幅值為0.18 kPa, 較優(yōu)化前提高80.0%.這是由于優(yōu)化后自吸氣脈沖噴頭的射流中空氣泡在射流前進(jìn)過程中不斷潰滅釋放能量，提高了射流的振蕩頻率和振蕩幅值，這與外流場(chǎng)流動(dòng)特征相符合.

圖5 優(yōu)化前后脈沖噴頭擊打力時(shí)域圖及頻域圖

3.3 噴頭清潔率對(duì)比

在噴頭清潔率試驗(yàn)過程中分別觀察10，20，30，40，50 s時(shí)砂紙表面黃豆醬的清潔情況，并通過圖像像素占比得到黃豆醬的清潔率C隨時(shí)間變化的曲線，如圖6所示.可以看出：優(yōu)化后自吸氣脈沖噴頭的清潔率明顯高于在優(yōu)化前不吸氣脈沖噴頭的清潔率；在開始試驗(yàn)的10 s內(nèi)，2種噴頭的清潔率相差不大，隨著清洗時(shí)間的增大，優(yōu)化前噴頭在經(jīng)過30 s后清潔率已無明顯變化，閾值為75.0%，優(yōu)化后噴頭在經(jīng)過50 s后清潔率無明顯變化，閾值為98.3%，提高23.3%，接近于完全清潔，這也證明了脈沖噴頭射流性能決定了噴頭的清潔性能.

圖6 優(yōu)化前后脈沖噴頭清潔率

綜上所述，優(yōu)化后自吸氣脈沖噴頭在射流流動(dòng)特征、射流擊打力性能及射流清潔率3個(gè)方面均優(yōu)于優(yōu)化前不吸氣脈沖噴頭.

4 結(jié) 論

1) 應(yīng)用于智能馬桶的清潔自吸氣脈沖噴頭進(jìn)氣效果直接影響噴頭射流性能，其中對(duì)噴頭射流擊打力影響從大到小依次為進(jìn)氣孔直徑d0、進(jìn)氣孔距噴頭腔體左右兩壁面距離S0，S0與β的交互作用、噴頭腔體下壁面傾角β.對(duì)射流脈沖主頻率影響從大到小依次為進(jìn)氣孔直徑d0、噴頭腔體下壁面傾角β、進(jìn)氣孔距噴頭腔體左右兩壁面距離S0以及d0與S0的交互作用.

2) 自吸氣脈沖噴頭進(jìn)氣結(jié)構(gòu)參數(shù)之間存在的交互作用不多，僅進(jìn)氣孔位置和噴頭腔體下壁面傾角存在一定相互作用，參數(shù)間無其他明顯的交互作用.

3) 優(yōu)化后的自吸氣脈沖噴頭較優(yōu)化前不吸氣脈沖噴頭外流場(chǎng)流速衰減更慢，流速提高150.0%，射流范圍更大，擊打力性能佳，擊打力提升44.4%，脈沖主頻率提高33.3%，擊打力幅值提高80.0%，且射流脈沖主頻率更加集中.優(yōu)化后的自吸氣脈沖噴頭清潔率更高，接近于完全清潔.