基于CFD坐便器虹吸流道的優(yōu)化設(shè)計

熊新林，張廣文，侯智慧

(華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063210)

0 引言

全世界的淡水只占所有水資源的7%，而可以飲用的淡水僅有0.8%，世界80個國家正面臨著水資源危機。我國不僅是用水總量最多的國家，而且還處于可用水量較少的區(qū)域，所以節(jié)水問題必須重視。在人們生活中，家庭與公共區(qū)域坐便器用水量消耗巨大，因此對坐便器工作原理的研究與結(jié)構(gòu)優(yōu)化尤為重要，具有優(yōu)良沖洗性能的節(jié)水型坐便器將改善我國的缺水現(xiàn)狀。

文獻[1]進行了坐便器快速設(shè)計平臺的研究。文獻[2]對坐便器流道優(yōu)化進行了研究，主要研究了虹吸的形成原理、流道參數(shù)對虹吸的影響、各種優(yōu)化算法對虹吸的實用性等。文獻[3]基于CFD數(shù)值模擬對坐便器虹吸效果進行了驗證。但坐便器的沖水過程復(fù)雜多變，沖洗效果與多種因素有關(guān)，包括水量的多少、水箱的高度、水的流速和流態(tài)、虹吸效應(yīng)、沖洗方式、固體污物的狀態(tài)等。所以簡化的數(shù)學模型無法完全分析出虹吸過程中流體的運動規(guī)律。

虹吸坐便器相較于其他坐便器具有節(jié)水、防臭、噪聲小、排污效果好、舒適性高等優(yōu)點。本文以某款虹吸坐便器為研究對象，在固定水量的限制下優(yōu)化管道使其實現(xiàn)更優(yōu)的虹吸性能，采用ANSYS中的IECM、CFD、CFD-POST等軟件模擬坐便器的沖水過程，研究其工作原理，分析各時刻的流態(tài)等，以此為基礎(chǔ)優(yōu)化虹吸流道達到最好的虹吸性能[4-6]。

1 建立虹吸坐便器的模型

為了精準獲取虹吸坐便器內(nèi)部的幾何模型，采用三坐標測量儀與實物測量相結(jié)合的方法獲得虹吸坐便器內(nèi)部的幾何數(shù)據(jù)，在SolidWorks中建立的虹吸坐便器三維線框圖如圖1所示。其中水箱容量為6 L，水箱底面距地面的高度為400 mm。國家標準規(guī)定坐便器虹吸流道中水封高度最少為50 mm，而且至少要能通過直徑為41 mm的固體球[7]。

圖1 虹吸坐便器的三維線框圖

2 模型計算結(jié)果分析與優(yōu)化

采用紊流模型SST k-o及VOF法對坐便器內(nèi)部三維紊流流動進行數(shù)值模擬計算，在不考慮固體污物影響的情況下，獲得虹吸坐便器沖水過程中的速度矢量圖、密度分布圖、靜壓等值線分布圖、速度等值線圖等，其中的密度分布圖如圖2所示。經(jīng)過對圖2流場中各時刻的密度分布分析得出沖水過程大致如下：水箱水流到主出水口高速射入盆腔底部，迫使污物粉碎并沿流道向外流出(見圖2(a) )；當水面上升到虹吸流道水封控制點時，水流就會越過控制點變成過堰溢流(見圖2(b) )，在水流的帶動下，流道中的空氣被排出管外；隨著水面的不斷上升，彎管內(nèi)壓力值由正轉(zhuǎn)負，在豎直流道處形成封閉的水面為后續(xù)的虹吸效應(yīng)做好了準備(見圖2 (c))；最終形成了穩(wěn)定的虹吸(見圖2 (d))，絕大部分污物在這時被虹吸流道排出；隨著盆內(nèi)水量的不斷減少，空氣逐漸進入虹吸流道，當空氣進入的量達到一定界限，使得壓力的差值不符合虹吸條件時就會出現(xiàn)斷流，虹吸過程停止(見圖2 (e))。坐便器在1 s時刻形成虹吸現(xiàn)象，1.75 s達到虹吸穩(wěn)定階段，可以看出在流道出口處大漩渦擠占了部分空間，使得有效出流面積變??；豎直段虹吸流道直徑大小無明顯變化，不易形成封閉的水柱面，產(chǎn)生了不必要的水流流失，不利于虹吸效應(yīng)的產(chǎn)生。

基于上述分析得出以下3點優(yōu)化：減少流道內(nèi)的大漩渦、提高有效出流面積、盡早形成封閉水柱面節(jié)約水流。綜合多方面因素對虹吸流道做如圖3所示的設(shè)計：改變流道的仰角，由27°變?yōu)?1°；調(diào)整流道的彎曲曲率、適當改變豎直段流道直徑，由Φ55 mm逐漸變小為Φ51 mm，再變回Φ55 mm。通過對優(yōu)化的模型仿真計算得到速度矢量圖、密度分布圖、靜壓等值線分布圖、速度等值線圖等，其中的密度分布圖如圖4所示。

對比圖2、圖4后分析發(fā)現(xiàn)：優(yōu)化后的虹吸坐便器在1.25 s時形成穩(wěn)定的虹吸，相比原坐便器提前了0.5 s，減少了不必要的水流流失；大漩渦較之前也有了改善，雖然仍存在氣泡，不過其范圍和強度減少了許多。坐便器優(yōu)化前、后的速度矢量圖、速度等值線圖、虹吸開始時的靜壓等值線分布圖如圖5～圖7所示。

圖2 原虹吸坐便器沖水過程中的密度分布圖

圖3 流道優(yōu)化前、后的結(jié)構(gòu)變化

由圖5可以看出：原流道在a1、b1、c1處存在方向混亂的大漩渦，優(yōu)化后的流道速度矢量基本沿管壁走向，也存在少許小漩渦，但較之前有了明顯改善。

從圖6可以看出：模型優(yōu)化前，a2、b2、c2處速度由0.4 m/s變化到0.6 m/s，速度變化較慢且不均勻，水流能量較低；模型優(yōu)化后，a3、b3、c3處速度由0.5 m/s變化到0.9 m/s，其變化較快且均勻，水流能量較高。比較相同時刻相同位置的速度大小等值線得出：優(yōu)化后流道有較大的改善，使形成虹吸的有效水流增大，從而提高了虹吸坐便器的排污效果。

從圖7可以看出：優(yōu)化前壓力值由300 Pa變化到400 Pa,在流道拐彎處變?yōu)?500 Pa,然后衰減到-200 Pa、-100 Pa;優(yōu)化后壓力值由10 Pa變化到-210 Pa,在流道拐彎處變?yōu)?870 Pa然后衰減到-540 Pa、-100 Pa;在流道內(nèi)相同位置的負壓值均有增大，最大負壓由優(yōu)化前的-500 Pa變化到優(yōu)化后的-870 Pa，其負壓區(qū)域也變得更加寬廣。虹吸流道里的負壓值越高虹吸效果持續(xù)的時間就會越長，虹吸效應(yīng)的必要條件就是較大的壓差，流道優(yōu)化后的虹吸效應(yīng)時間更持久，排污效果更好。

圖4 優(yōu)化后虹吸坐便器沖水過程中的密度分布圖

圖5 坐便器優(yōu)化前、后的速度矢量分布

圖6 坐便器優(yōu)化前、后的速度等值線圖(m/s)

圖7 優(yōu)化前、后坐便器虹吸開始時的靜壓等值線分布圖(Pa)(x、y為坐便器空間)

3 結(jié)論

本文采用SST k-o湍流模型與VOF氣液兩相流自由液面追蹤的方法對虹吸坐便器內(nèi)流場進行數(shù)值分析，得到了壓力場、速度場等多組對比數(shù)據(jù)。經(jīng)過對數(shù)據(jù)的整理分析，得出了速度、壓力的分布對虹吸效果的影響，在此基礎(chǔ)上提出了本款虹吸坐便器虹吸流道的優(yōu)化設(shè)計方法：適當減小虹吸流道豎直段的直徑有利于虹吸效果的產(chǎn)生。經(jīng)工廠實際應(yīng)用，驗證了數(shù)值計算結(jié)果的準確性和可靠性，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果大體相同。

基于ANSYS中的CFD等流體軟件在虹吸坐便器優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用，可以準確地得到其內(nèi)部流動的多種數(shù)據(jù)，從而改進坐便器的性能、縮短其開發(fā)周期、節(jié)約能源和水資源。這種流態(tài)的分析方法對坐便器的優(yōu)化和改進有著很大的意義，為虹吸流道的優(yōu)化改進提供了依據(jù)。