虹吸式卫生洁具不同冲水模式的速度流场分析*

刘福明 潘晓涛

(广东工业大学材料与能源学院 广州 510006)

虹吸式卫生洁具不同冲水模式的速度流场分析*

刘福明 潘晓涛

(广东工业大学材料与能源学院 广州 510006)

卫生洁具水包壁的水流速度能反映水流对水包壁的冲刷性能，排污管内的水流速度能反映虹吸现象的持续时间、虹吸力大小及排污管高度的设计要求。利用VOF模型，非稳态气、液多相流的N－S方程，对普通虹吸式、喷射虹吸式、漩涡虹吸式卫生洁具3种不同冲水模式的速度流场进行了三维数值模拟，对水包壁与排污管内的速度流场进行了定量计算，分析了不同冲水模式速度流场的数值区别和对虹吸现象的影响，为不同冲水模式虹吸式卫生洁具的出水流道水力设计优化提供了理论依据。

卫生洁具 冲水模式 速度流场 虹吸

近年来，随着人们生活水平的提高和节水意识的增强，人们在选择卫生洁具时，越来越趋向于使用用水量少、噪音小、冲洗性能和防臭性能比较好的虹吸式卫生洁具。为满足广大消费者的需求，不少卫生洁具生产企业在虹吸式卫生洁具上的研究与开发投入了大量的人力和物力。因此，市场上虹吸式卫生洁具种类繁多，但这些卫生洁具主要是依靠水的虹吸现象产生的抽力将污物排出。

根据其水流特点的不同，虹吸式卫生洁具可以分为普通虹吸式、喷射虹吸式以及漩涡虹吸式3类。为了进一步研究不同种类的虹吸式卫生洁具，笔者运用商用CFD软件，在水箱水量为6 L时，对3种水流现象及流场内部结构进行了模拟预测，预测出了整个水道上的速度流场，为卫生洁具的流体设计和结构设计提供了更加可靠的设计依据。

1 不同虹吸式卫生洁具简述

1.1 普通虹吸式

普通虹吸式卫生洁具的构造复杂，水箱水经过坐圈内流道，从坐圈下密布的布水眼冲出流入水包，流速较快，但在排污的过程中只依靠虹吸产生的吸力排污，在冲污开始时是以大量的水漫过污物，然后再将污水吸入排污管道达到排污效果，其结果是污水漫过的地方都会留下污迹，时间一长就会结垢。其内部水流道结构如图1所示。

图1 普通虹吸式卫生洁具求解域CAD模型

1.2 喷射虹吸式

图2 喷射虹吸式卫生洁具求解域CAD模型

喷射虹吸式卫生洁具增设了喷射流道，一部分水从坐圈下的布水眼冲出流入水包，另一部分水从喷射流道正对存水弯处喷射口喷出，使存水弯道迅速充满并排水。由于结合了水的吸力和冲力作用，因此在虹吸排污的同时，利用冲力将漫溢的污物冲走，可以防止污物结垢。因其虹吸作用和排污能力强，所以不易附着污物和散发臭气，而且冲洗用水量较少，在防臭、防止溅水方面有良好的效果，其冲水时的射流是在水下进行的，非但没有增加噪音，反而使冲洗噪声降低，且冲洗性能较好。喷射虹吸式与普通虹吸式卫生洁具比较，布水眼尺寸小，结构更复杂。喷射虹吸式卫生洁具内部水流道结构如图2所示。

1.3 漩涡虹吸式

漩涡虹吸式卫生洁具的水箱水从坐圈内流道的主、附冲水出口流出，以弧形水流沿切线冲出，形成强大的漩涡。漩涡能产生强大的向心力，将污物迅速卷入漩涡中，又随着虹吸的生成，形成一个向下旋涡作用，将漂浮的污物带入排污管入口处，在入口底部反作用力的影响下，很快进入排污管道。其设计利用了漩涡和虹吸2种作用，因此冲洗水头低，冲水过程迅速、彻底，气味小，噪声小，但结构复杂，价格较高。漩涡虹吸式卫生洁具内部水流道结构如图3所示。

图3 漩涡虹吸式卫生洁具求解域CAD模型

2 冲水过程的数值模拟

2.1 求解域的几何建模和网格处理

笔者通过对实际3种冲水模式的虹吸式卫生洁具进行测量，通过Pro/E进行曲面造型，根据Fluent软件计算要求，对求解域中的水箱进行了简化处理，从而得到求解域的三维几何模型。

由于文章所涉及的数值计算求解域具有模型尺寸大、几何形状复杂等特点，综合考虑求解域结构、计算时间、精度及稳定性等因素，采用结构化与非结构化网格相结合的混合网格。其中水箱部分结构较规则，采用六面体网格，其余部分(如坐圈、水包和排污管等)都采用四面体网格。

2.2 运用Fluent软件进行计算

虹吸式卫生洁具的冲水过程是带复杂流道和混合边界条件的三维非稳态气、液多相流动，可用连续性方程和雷诺时均N－S(Navier－stokes)方程来描述。虹吸式卫生洁具的冲水过程涉及到水箱水、污水、空气三相组分的混合流动，且流动求解域中含自由面，因此，计算模型采用Euler－euler法多相流中的VOF模型。VOF模型的流动相之间的界面跟踪通过求解一个或者多个容积组分的连续性方程来实现。求解控制方程采用有限容积法(FVM)，通过对流体运动体积域的离散来构造积分型离散方程。为了数值求解的稳定性，按照负坡线性化原则对模型方程的各源项进行处理，时间差分采用全隐式格式。离散方程组的求解采用交替方向隐式法(ADI法)，动量方程、湍动能方程以及湍动耗散率方程的离散采用一阶迎风格式。用PISO两步校正算法实现压力与速度的协调一致。非计算网格点处变量值用幂函数插值求得。边界插值采用高精度的几何重构方案。

3 计算结果及分析

3.1 不同冲水模式下，水包壁上的速度流场分析

如图4所示，3条曲线是不同冲水模式的卫生洁具坐圈下40mm处一点的时间历程曲线。3条速度一时间曲线在t=0.5～1.2 s时速度迅速达到最大值，随后就缓慢下降，直到冲水过程结束，速度并没有立即归零。水包壁上流体速度的这种走向是由于水箱水大量流入水包时，水箱水位增高，水包壁上流速最大;随着水箱中水位的下降，水压减小，水包壁上的流速逐渐降低，在虹吸现象结束后，由于水圈内壁和水箱内壁上还粘附少量残余水，水包壁上会形成一层低速流动的水膜，所以水包壁上流速不会急剧下降，仍会维持数秒。

图4 不同冲水模式卫生洁具水包壁上某点流体速度的时间历程图

从图4可以看出，喷射虹吸式和漩涡虹吸式卫生洁具比普通虹吸式卫生洁具在水包壁上的流体速度总体上要大。这是因为，水箱水在自重作用下，迅速流入坐圈内流道后，普通虹吸式卫生洁具水箱水只能从坐圈下的布水眼流入水包，且在坐圈内流道流动受阻，水的机械能损失较大，从布水眼流出的水流速度相对较低。喷射虹吸式卫生洁具水箱水首先从布水眼流入水包，由于布水眼孔比普通虹吸式的小得多，水圈流道内的水箱水流入水包较少，且水箱水在坐圈流道内流动顺畅，所以布水眼处的水压大，从布水眼流出水的流速会比普通虹吸式的快;而漩涡虹吸式卫生洁具水箱水从坐圈下的主、附冲水出口流出，以弧形水流沿切线冲出，水箱水在流入水包的过程中，机械能的损失比普通虹吸式少得多，所以漩涡虹吸式水包壁上的流速较普通虹吸式卫生洁具大，且水箱水对水包的冲刷时间也差不多，故在整个冲水过程中，喷射虹吸式和漩涡虹吸式卫生洁具对水包壁的冲刷性能较普通虹吸式卫生洁具要好。

3.2 不同冲水模式下，排污管上升段的速度流场分析

从图5可以看出，3条曲线是不同冲水模式卫生洁具排污管上升段(距存水弯底面80mm)上一点流体速度的时间历程曲线。3条曲线在t=2.5 s附近急剧升高，达到一定值后，维持1.5 s后，又急剧下降，下降到一定值时，就开始上下波动。这是因为在t=2.5 s时，排污管中的水开始大量越过排污管最高处，直到虹吸现象形成后1 s。在这个过程中，水包中混合水大量补进排污管，排污管上升段的流体速度急剧增加;当虹吸现象产生稳定的抽力将污水稳定排出时，排污管上升段的水流速度达到一定值，并维持到1.5 s左右;当在排污管驼峰断面处出现大量空气时，流过排污管最高处的水迅速减少，直到虹吸现象结束。在这一时间段，排污管上升段的水流速度急剧下降;在虹吸结束后，残余水会在存水弯中来回晃动，所以排污管上升段的流体速度曲线在这个时间段就出现上下波动。

图5 不同冲水模式卫生洁具排污管上升段某点流体速度的时间历程图

从图5还可以看出，漩涡虹吸式卫生洁具在排污管上升段流体整体流动速度要比普通虹吸式和喷射虹吸式卫生洁具小一些。这是由于水箱水流入包后，水的势能转化为动能。普通虹吸式和喷射虹吸式中卫生洁具的水箱水都是直接冲到存水弯中，再在存水弯底部的反作用力下，冲入排污管。而漩涡虹吸式水箱水从坐圈下的主、附冲水出口流出，以弧形水流沿切线冲出，形成强大的漩涡，流入水包中的水箱水并没有直接冲入存水弯中，大部分动能以漩涡的形式存在。所以漩涡虹吸式排污管上升段流体的整体流动速度要比普通虹吸式和喷射虹吸式卫生洁具小一些。

3.3 不同冲水模式下，排污管驼峰断面中心点的速度流场分析

图6为不同冲水模式卫生洁具排污管驼峰断面中心点的流体速度的时间历程图，图6中的曲线在前面一段递增速度不断加快，达到一定值后，维持1.5 s，就会急剧下降，直到接近于零。这种现象是因为在形成稳定的虹吸前，随着水箱水大量流入水包，排污管内的流体被挤出的体积量不断增加，直到产生稳定的虹吸现象，驼峰断面中心点的流体速度就会不断增加;当产生稳定的虹吸后，虹吸抽力均匀地把水包中的混合水排出，驼峰断面中心点的流体速度基本保持平稳;但在驼峰断面出现大量空气时，流过驼峰断面的流体迅速减少，直到虹吸现象结束。在这一时间段，驼峰断面中心点的流体速度会急剧降低直到接近于零。

从图6中可以看出，普通虹吸式在排污管驼峰断面中心点的整体速度要比漩涡虹吸式和喷射虹吸式卫生洁具小得多。这是因为，普通虹吸式排污管内的流体越过驼峰处，主要是靠布水眼中流出来的水箱水的冲力。水箱水经坐圈内流道再流入水包中，由于水箱水在坐圈流道内不能及时流入水包，流动受阻，水箱水的重力势能转化为动能的比例太低，水箱水对排污管的冲力就会减小，故越过驼峰的流体速度就不会太大。喷射虹吸式只有小部分水箱水从坐圈下布水眼中流入水包，大部分水箱水从喷射流道直接冲入存水弯中，水箱水的重力势能转化为动能比例高，流入水包的速度大，对排污管内的污水冲力较大，故驼峰断面的流体速度比较大。漩涡虹吸式水箱水全部从坐圈下主、附冲水出口流出，形成强大的漩涡，水箱水的重力势能转化为动能比例高，虽然流体在排污管上升段的上升速度略小于普通虹吸式，但是冲入排污管的水箱水的动能以漩涡的形式存在，当这些漩涡到达排污管驼峰时，漩涡离心力的作用就会迅速越过驼峰。

图6 不同冲水模式卫生洁具排污管驼峰断面中心点的流体速度的时间历程图

3.4 不同冲水模式下，虹吸现象分析

从图6、图7可知，漩涡虹吸式和喷射虹吸式在驼峰断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时，漩涡虹吸式和喷射虹吸式冲水过程形成的虹吸现象持续的时间要比普通虹吸式要短。

图7 不同冲水模式卫生洁具排污管驼峰断面流体法向方向速度的时间历程图

3.5 不同冲水模式下，洁具的排污结构分析

流体在漩涡虹吸式卫生洁具排污管内的上升速度整体上要比普通虹吸式和喷射虹吸式卫生洁具小，所以漩涡虹吸式卫生洁具排污管驼峰一般比较低。喷射虹吸式卫生洁具由于水箱水通过喷射流道对存水弯中的污水冲力较大，流体在排污管内的上升速度比较快，所以在设计喷射虹吸式卫生洁具时，排污管驼峰应设计得比普通虹吸式略高一些。

4 结论

1)本研究根据对实际模型的测量，建立了不同冲水模式卫生洁具的内部流道CAD模型，对这些流道结构复杂，且带自由表面混合边界条件的卫生洁具的三维非稳态气、液多相流冲水过程采用VOF模型进行了三维数值模拟。

2)根据不同流道内流体的速度－时间曲线，获得了不同卫生洁具冲水过程的速度流场变化情况，以及不同冲水模式速度流场的区别。

3)根据不同冲水模式下在排污管上升段和驼峰断面处的流体速度－时间曲线，对于等量水箱水的冲水过程，该曲线是衡量虹吸现象持续时间、虹吸力大小的依据和设计排污管驼峰高度的重要参考数值。

4)对不同卫生洁具在冲水过程中流道内速度流场的研究，可以作为洁具的设计与开发的数值依据，也可在其他工程领域中应用推广。

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2 潘晓涛，孙友松，等.卫生洁具形成虹吸现象的VOF模型判定方法.中山大学学报(自然科学版)，2007，46(4)：36～40

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5 孔一伦.试谈多核并行运算.电脑编程技巧与维护，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

刘福明(1986－)，硕士研究生;主要从事材料成形加工的CAD/CAE分析、模具及设备的研究。E－mail：fmingliu@126.com