蹲便器冲水过程数值模拟与优化设计研究

2018-08-15朱梦楠胡金源赵俊杰

陶瓷 2018年5期

朱梦楠季均曹云胡金源赵俊杰

(江苏大学能源与动力工程学院江苏镇江 212013 )

前言

随着我国经济的快速发展，越来越多的卫浴产品进入普通百姓的家中。其中，便器几乎是每家必备的卫浴类产品。相比于国外便器，国产便器用水量高一直为人们所诟病。究其原因，国外卫浴产品生产厂家(如：KOHLER公司)利用CFD软件优化设计排污管道，使其产品的冲水量降至6 L[1]。而国内卫浴企业很多仍然沿用手工建模方式进行开发和设计新产品。造成便器用水量过大的原因有很多，但其中冲水过程的流体力学设计不合理是最重要的因素之一[2]。国内一些研究学者已经开始相关研究工作，但是研究对象大多是家庭所用虹吸式便器，对于在公共场所更常见的蹲便器，相关的科技文献资料还很少。因此，有必要对蹲便器进行节水优化研究。

1 蹲便器冲水基本过程

蹲便器主要由水箱、水流通道、污物池和排污管道4部分组成。根据排污方式的不同，主要分为冲落式、虹吸式、喷射虹吸式3种。冲落式便器主要依靠水的势能产生冲击力将污物冲出便器[3]。水箱中的水在重力作用下，经水流通道流入污物池，依靠水的动能将污物冲入排污管道，整个冲水过程持续时间很短。综上所述，便器冲水过程为带自由表面的三维瞬态三相流动过程，其中三相分别是：气相、水相和固相。总体上来看，便器的冲水过程，属于液相、固相，两相域部分或全部重叠在一起，难以明显地分开，使描述物理现象的方程，特别是本构方程需要针对具体的物理现象来建立，其耦合效应通过描述问题的微分方程而体现[4]。考虑到流固耦合问题的复杂性，笔者对蹲便器的冲水过程进行了适当的简化，将其简化成气液两相流动问题，即在冲水过程中，污物池中无污物。简化后模型降低了模拟难度，利用ANSYS Fluent中湍流模型对冲水过程进行数值模拟,保留了流动过程的主要特征，对冲水过程仍有解释和说明的作用。

2 冲水过程数值模拟与分析

蹲便器的三维模型含有复杂曲面，笔者使用UG三维建模软件对所研究的便器进行了三维造型，最大程度地保留了蹲便器的实际三维特征。数值模拟的求解域如图1所示，模型所采用的水箱尺寸为400 mm×160 mm×100 mm，水流通道直径为54 mm。水箱中装有6 L水，水箱底部距离地面550 mm。使用ICEM CFD对模型进行非结构网格划分，划分后的网格总数约为45万，网格最小角度为25°，网格最低质量为0.39，可满足计算要求，划分后的网格如图2所示。

图1 求解域Fig.1 Solution field

图2 计算模型图Fig.2 Computational model

考虑便器冲水过程中的实际流动情况，在设计边界条件时，在水箱顶部设置为压力边界入口，在排污管道出口设置为压力出口边界，并在模拟过程中考虑了重力的影响[5]。其余边界条件为Wall边界条件。湍流模型采用能够更好处理大曲率壁面的Realizable κ-ε模型，Near-Wall Treatment选择Standard Wall Functions。压力-速度耦合方式选择SIMPLEC算法，压力耗散率方程选择Standard形式，动量方程选择First Order Wind形式。在Solution Control中设置动量一栏的值为0.5。

污物池壁面上的水流速度决定了便器的冲刷效果，污物池壁面上水流速度大且高速冲刷持续的时间长，则便器的冲刷效果良好。对于虹吸管道，虹吸过程中的虹吸负压大，则虹吸抽力大[6]。流场中某处的压力代表着流体可用的能量，压力的降低可以用来表征能量的损失。本项目在计算模型的污物池底面和虹吸管道中分别设置a点和b点，用于检测上述参数变化。其中模型Ⅰ的运动参数用圆点线型表示；模型Ⅱ的运动参数用短划线线型表示；模型Ⅲ的运动参数用实线线型表示。检测a点和b点的位置如图3所示。

图3 检测点位置Fig.3 Monitor points

图4 蹲便器优化结构图Fig.4 The optimized structure of the squatting pan

关于虹吸管道的优化设计，陕西科技大学的梁江波已经做过相关研究[7]。笔者在其研究的基础上做了相关改进，由于所设计的虹吸管道计算模型曲率变化较大，造成水流流动过程中能量损失较多。因此笔者采用大曲率圆角平滑过渡的方式，避免了尖端和死角，减少了空气残留，有利于虹吸的形成。蹲便器优化后的结构如图4所示。我们共设计了3组数值模拟，在保证总体几何尺寸不变的情况下，这3组计算模型的基本特征表1所示。

表1 计算模型基本特征Tab.1 The basicfeature of thecomputational model

2.1 a点的速度

图5 a点速度-时间变化曲线Fig.5 The velocity-time curve of the point a

图5为污物池底面点a的速度-时间曲线图。由图5可知，模型Ⅱ在0.55 s时流速达到最大值2.10 m/s；在0.85 s之后速度快速降低；在1.20 s后速度稳定于1.20 m/s左右。模型Ⅲ在0.20 s达到速度最大值1.80 m/s，在0.30 s以后速度逐渐降低，在0.95 s以后速度稳定于1.30 m/s。模型Ⅰ从冲水过程开始到结束，速度在1.40 m/s左右微小波动。模型Ⅱ在该点的速度最大，为2.10 m/s，且高速冲刷持续的时间最长，约为0.85 s。模型Ⅲ在该点的速度次之，为1.80 m/s，高速冲刷持续时间0.40 s左右。模型Ⅰ的速度最低，且无高速冲刷区。应用渐缩型管道与常规圆形直管道相比，模型Ⅲ的水流出流速度提高约1.25倍，模型Ⅱ的水流出流速度提高约1.51倍。

2.2 a点压力

图6为污物池底面点a的压力-时间曲线图，模型Ⅰ的压力一直在以50 000 Pa为中心上下较大的范围内波动，模型Ⅱ的压力由10 000 Pa在0.65 s内迅速上升至55 300 Pa，并且之后稳定在53 600 Pa。模型Ⅲ的压力在1.10 s之前分别在0.30 s时有一个极大值点33 500 Pa和在0.70 s有一个极小值点17 000 Pa，在0.25 s之后，稳定在54 000 Pa。

图6 a点压力-时间变化曲线Fig.6 The pressure-time curve of point a

2.3 b点压力的变化

图7 b点压力-时间变化曲线Fig.7 The pressure-time curve of point b

图7为b点压力-时间变化曲线。从图7可知，模型Ⅰ的压力一直在以4 000 Pa为中心上下较大的范围内波动。模型Ⅱ在0.70 s之前，压力由2 500 Pa缓慢下降至-1 000 Pa；而后压力迅速下降至-8 137 Pa；在1.25 s后，压力稳定于-1 625 Pa。模型Ⅲ开始时刻，压力迅速下降，于0.50 s达到最小负压值-5 886 Pa，在0.70 s后压力稳定于-1 623 Pa。模型Ⅱ与模型Ⅲ相比，模型Ⅱ有三个模型中的最小负压值，模型在0.95 s达到虹吸最大负压，为-18 500 Pa。模型Ⅲ在0.45 s达到虹吸最大负压-16 300 Pa，模型Ⅲ形成虹吸的最小负压的时间比模型Ⅱ提前0.50 s。二者稳定后的虹吸负压值相近。分析可知，模型Ⅰ的虹吸效果最差，虹吸负压最低，虹吸抽力最小。模型Ⅱ的最大虹吸抽力大于模型Ⅲ的虹吸抽力，但是最大虹吸抽力形成时间却晚于模型Ⅲ。在这个过程中越早形成虹吸，对排污过程越有利，因此可以认为在3组模型中，模型Ⅲ的排污效果最好。

2.4 0.50 s时的模型总流场和压力场的分布

由0.50 s时刻的速度场可知，模型Ⅰ的水流速度最低，模型Ⅱ和模型Ⅲ的水流速度高，模型Ⅱ略高于模型Ⅲ，二者相差不大。由压力场可知，模型Ⅰ的压力值最大，虹吸不易形成。而且模型Ⅰ在虹吸排污管道“驼峰”处，由于曲率变化大，容易造成存在死角，容易残留空气影响虹吸作用，因此模型Ⅱ和模型Ⅲ在“驼峰”处采用更圆滑的过渡方式。模型Ⅲ与模型Ⅱ相比，模型Ⅲ的负压值更大，有利于虹吸的形成且虹吸抽力更大。

图8 0.50 s时模型Ⅰ的流场和压力场分布Fig.8 The modelⅠdistribution of flow and pressure field at 0.50 s

图9 0.50 s时模型Ⅱ的流场和压力场分布Fig.9 The modelⅡdistribution of flow and pressure field at 0.50 s

图10 0.50 s时模型Ⅲ的流场和压力场分布Fig.10 The model Ⅲ distribution of flow and pressure field at 0.50 s

模型Ⅲ在节约水量的同时，冲水效果也最好。由0.50 s时刻的速度场可知：模型Ⅰ的水流速度最低；模型Ⅱ和模型Ⅲ的水流速度高；模型Ⅱ略高于模型Ⅲ，二者相差不大。由压力场可知，模型Ⅰ的压力值最大，虹吸不易形成。且模型Ⅰ在虹吸排污管道“驼峰”处，曲率变化大，虹吸管道凸起处存在死角，影响虹吸作用，因此模型Ⅱ和模型Ⅲ在“驼峰”处的优化采用更圆滑的过渡方式。模型Ⅲ与模型Ⅱ相比，模型Ⅲ的负压值更大，有利于虹吸的形成且虹吸抽力更大。

从结果分析可知，模型Ⅲ的流体动力学模型最好，冲刷过程中具有一定的高速冲刷区，同时虹吸管道检测点处具有最大的虹吸负压，虹吸抽力最大，虹吸最早形成。在模型Ⅲ计算模型中，水箱中只有5 L水，相比于常见的6 L水便器，每次冲水可节约16.7%的水量。