基于CFD 技术的智能马桶盖流体仿真分析

韩运动 陈 勇 刘难生 谢海旭

（1、合肥荣事达电子电器集团有限公司博士后科研工作站，安徽 合肥230000 2、中国科学技术大学 博士后科研流动站，安徽 合肥230000）

随着居民生活水平的不断提高、科技的快速发展，家居智能化越来越普遍，其中智能马桶盖替代普通马桶盖，是当下最为流行且关注度较高的卫生洁具产品。据调查，智能马桶盖产品目前主要存在的质量问题是智能马桶盖座圈耐热和耐燃，安全水位技术要求、水箱安全水位、输入功率和电流、产品暖风发热、接地措施等质量问题，这些问题的出现都需要从流体力学的角度对其结构进行优化设计。

国内学者钟博[1]运用有限元分析软件ABAQUS 和显示静力学模块对智能座便器座圈进行CBMF15-2016 和JC/T764-2008中的静力学试验仿真分析。利用有限元仿真来评价产品在实验过程中的易失效位置进行了研究。周述璋等[2]对智能马桶盖综合试验机的造型及结构设计进行研究，优化了现有产品的造型及结构，提高了其使用性能、设备的整体质量及使用人员的舒适感。谢祖通等[3]开展了智能马桶盖耐久性试验分析研究，设计了一种通用性强、安装方便的一种基于机械手的智能马桶盖耐久性测试系统。

目前国内学者对于智能马桶盖的研究大多是试验验证方面的研究，而采用计算流体动力学对智能马桶盖的性能进行分析研究的较少。对于实际工程中大量存在的边界形状复杂的流动，由于其流体运动的复杂性而难于测量。物理模型实验具有局限性，实验往往只能给出总流的参数，而数值模拟则能给出相关流场的具体信息。正是因为数值模拟具有较多的优点，日渐成为研究与流体相关机械的重要手段。

本文以产品开发市场需求为导向，以智能马桶盖性能优化技术的发展为背景，紧密贴合产品研发实际需要，围绕基于CFD 技术的智能马桶盖流体仿真分析及优化关键技术开展研究，通过仿真计算不断优化产品性能，提升产品市场竞争力，研究成果具有理论意义和工程实用价值。

1 数值计算方法

1.1 计算模型搭建

采用三维造型软件CATIA 搭建智能马桶盖的三维几何结构，见图1 所示。根据智能马桶盖的工作原理，提取出水流流经管路的内部流域，最终简化得到的喷管内部流域结构图见图2所示。

图1 智能马桶盖三维几何外形图

图2 喷管内部水流域结构提取

1.2 网格划分

采用切割体网格对计算域进行有限体积划分。由于喷管内部结构尺寸较为细小，因此网格划分采用较小的尺寸，面网格的最小尺寸为0.01mm，最大尺寸为0.5mm，整体面网格数量为504 万。体网格采用Trimmer 网格，网格总体数量为835 万。喷管内流域体网格划分结果见图3 所示。

图3 喷管内部水流域体网格划分结果

1.3 求解计算

使用有限体积法，基于Navier-Stokes 方程对控制体内的流动参数进行求解[4]。流场的控制方程为

xi为坐标的三分量，分别代表x、y、z 三个方向坐标。

由于上述方程组不封闭，仅仅依靠式（1）对流场进行求解是不足够的。需引入适当的湍流模型。模型采用Simple 压力场修正算法。考虑黏性时, 打开能量方程，并开启黏性生成热选项,计算由于湍流而产生的热量。考虑到喷嘴内流场湍流强度很大，且喷嘴入口附近流线弯曲程度比较大，湍流模型采用RNGk-ε 模型。由于喷嘴内导向面和密封座面处流场长和宽的尺度远大于其厚度，壁面对流场的影响很大，所以采用非平衡壁面函数修正RNGk-ε 模型。设定湍流动能和湍流耗散率采用二阶迎风格式差分计算，其余参数使用一阶迎风格式。

1.4 进、出口边界设置

进、出口采用压力边界条件，进口水压为0.1～1MPa，出口压力为一个大气压（101325Pa）。进水恒流阀控制，出水量约0.6～0.8 升/分钟（在0.1～1MPa 水压下）。

由于智能座便器喷嘴内流场湍流强度很大，所以对流场入口处湍流参数的设置较敏感。模型选用湍流强度和水利直径作为设定参数，并依照以下公式计算：

湍流强度I=0.16（Re）1/8

式中：Re 为按水利直径计算的雷诺数。

计算时设定入口处的水温分别为“24℃”、“34℃”、“37℃”、“40℃”，监测喷管出口的水温以及出口的流量。

2 结果及分析

将计算结果进行后处理分析，可以得到喷管内部不同结构的流场信息，包括内流域的压力云图、速度云图、温度场、速度流线图等，见图4～图7 所示。由图4～图7 可以看出，喷嘴前端区域的水流极为紊乱，出现了大小不等的涡流，表现为显著的湍流。沿着水流方向，流道内的压力逐步减小，流速逐渐增大，到达喷嘴处的压力达到最小值，流速达到最大值。

图4 入口水压1MPa 时不同结构内部流域表面的压力云图

图5 入口水压1MPa 时内部流域切面上的速度云图

图6 喷管内部流域整体流线图

图7 喷管内部水流域的温度场分布

图8 喷孔出口处的温度监测

GB/T 23131-2019《家用和类似用途电坐便器便座》中对于清洗流量规定如下：电便座最大清洗流量的实际测量值应不小于明示值的95%。该标准试验测量方法如下：选择最大流量清洗模式，用容器（如图9 所示）收集清洗用水60s ，称重并计算流量（水密度按1g/mL）。取3 次算术平均值，作为最大清洗流量。

智能马桶盖的最大清洗流量的明示值为0.0100kg/s～0.0133kg/s。由表1 可以看出，不同入口水压下，出口水流量均满足标准要求，数值计算与试验测量值误差最大为3.92%，小于5%的误差，该误差满足工程需求，验证了仿真计算的可靠性。

图9 试验测量水量收集示意图

表1 不同入口水压下出口水流量及试验测量结果

GB/T 23131-2019《家用和类似用途电坐便器便座》中对于出水温度的稳定性规定如下：整个清洗周期水温波动值在5K以内。计算监测出口处的水温，并进行均值化处理。试验测量采用高精的温度传感器。

由表2 可以看出出口处计算值与试验测量值最大偏差为0.75%，小于5%的误差，验证了仿真计算精度的可靠性，出口处水温值的稳定性小于5K，满足标准要求。

表2 不同设定温度下出口水温及试验测量结果

3 结论

3.1 不同入口水压下，数值计算与试验测量值误差最大为3.92%，小于5%的误差，该误差满足工程需求，验证了仿真计算的可靠性，出口水流的冲洗流量均满足标准要求。

3.2 出口处计算值与试验测量值最大偏差为0.75%，小于5%的误差，验证了仿真计算精度的可靠性，同时出口处水温值的稳定性也满足标准要求。

3.3 仿真计算与试验测量结果均表明该智能马桶盖型号满足清洗流量以及出水温度稳定性要求，后续可采用计算流动力学的方法深入综合分析智能马桶盖冷、热水混合、暖风的流动特性以及加热丝的散热特性，系统优化产品结构性能，提升产品竞争力。