清洁用自吸气脉冲喷头结构参数的正交试验

刘厚林，张照亮，王勇,2

(1. 江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏 镇江 212013； 2. 江苏大学镇江流体工程装备技术研究院，江苏 镇江 212000)

随着生活水平的提高，消费者越来越青睐于选择智能马桶.清洗喷头对智能马桶的性能起着决定性作用，是智能马桶的核心部件.目前，吸气式脉冲喷头作为清洗喷头中的最新产品，具有结构简单、清洗舒适及清洗面积大等优点.

脉冲射流技术已经被广泛应用于河道治理、工程清洁和石油工程等领域，国内外学者主要从数值计算和试验2个方面对脉冲射流产生的机理和喷头结构等进行研究.MATAOUI等[1]通过研究封闭腔室内的脉冲射流，绘制了流动脉冲区域与结构参数关系图.TANG等[2]采用自主设计的自振荡脉冲喷头，以砂浆块为冲蚀试件，试验研究了射流在淹没条件下的冲蚀效果.MOMBER[3]采用直径为1.5 mm的气液射流喷头，对抗压强度为39 MPa的混凝土进行冲蚀试验.SAMIS等[4]对赫尔姆兹振荡器产生的脉冲射流进行研究，认为腔体内射流流束的扰动频率与空腔的固有频率相近时，会产生共振现象，从而加剧射流扰动.高传昌等[5-7]基于大量试验分析了自脉冲喷头结构参数对脉冲射流性能的影响，总结了自脉冲喷头性能最优的结构参数和稳定运行参数范围.倪红坚等[8]采用试验与大涡模拟相结合的方法分析得到最佳脉冲射流装置的结构参数，并对比研究了自吸气式脉冲射流与纯水脉冲射流，表明自吸气式脉冲射流性能明显优于纯水脉冲射流.李雨[9]对脉冲喷头在吸气条件下和不吸气条件下进行对比试验，结果表明，相比于不吸气条件，吸气条件下脉冲喷头的击打力和射流脉冲振荡幅值均显著提高.文献[10-12]研制了多种新型自混气脉冲喷嘴，有效提高了智能马桶清洗喷头的冲洗能力.

目前，国内外对应用于河道清淤及采矿等领域的大尺寸脉冲喷头进行了大量研究，但是对应用于智能马桶等领域的小尺寸清洁用脉冲喷头研究较少，并且国内智能马桶用脉冲喷头相比于国外TOTO等品牌的成熟产品，在射流脉冲频率上还有差距.文中设计一款可用于智能马桶的自吸气脉冲喷头，基于正交试验方法研究喷头结构参数对清洁用脉冲喷头射流击打力和脉冲频率的影响，从而为提高脉冲喷头射流性能提供一定参考.

1 自吸气脉冲喷头及试验装置

1.1 自吸气脉冲喷头工作原理

图1为清洁用自吸气脉冲喷头结构示意图.喷头工作过程中，由于射流卷吸作用在腔体内两侧能够产生压力脉动涡环，腔体内两侧产生脉动负压区，使外界空气从进气孔处被卷吸入腔体内，从而产生自吸气.吸入的空气与高速水射流混合产生气液涡环，在喷头出口处形成气液脉冲射流.喷头腔体内“涡量的扰动-放大-吸气-液气涡环产生-释放-新的涡量脉动产生”这个循环过程周期性发展，从而产生连续脉冲射流.

图1 智能马桶用自吸气脉冲喷头结构示意图

1.2 试验装置

图2为自吸气脉冲喷头多功能性能测试装置示意图.

图2 多功能性能试验测试装置示意图

试验装置主要由水循环系统、喷头射流特征采集系统、击打力数据采集系统和清洁率测试系统等构成.水循环系统包括供水管路、电磁调节阀、离心泵、集水箱、储能器，用于喷头供水和废水收集.喷头射流特征采集系统由高速相机及电脑采集软件组成，用于拍摄喷头射流流动特征.击打力数据采集系统由压力脉动传感器、透明防水罩、DASP主机构成，用于击打力数据采集.清洁率测试系统由挡水罩、砂纸、透明防水罩、数码相机及电脑图像处理软件构成，用于清洗面积采集及后续清洁率分析.

2 正交试验

2.1 正交因素及其水平选取

为研究喷头结构参数对自吸气喷头性能的影响，在不改变喷头运行工况的条件(喷头进水口压力为0.12 MPa)下，根据自吸气脉冲喷头工作原理，选取2个直接影响进气效果的结构参数——进气孔直径d0(因素A)和进气孔中心线距喷头腔体左右两壁面距离S0(因素B)，作为优化变量.同时考虑空气通过进气孔进入喷头腔体与喷头内射流混合后，混合射流碰撞喷头腔体下壁面，将影响进气效果，选取喷头腔体下壁面倾角β(因素C)为优化变量.

对影响喷头性能的3个结构参数分别选取3个水平，设计正交试验的因素水平表如表1所示.

表1 试验因素及水平

2.2 正交试验方案设计

考虑自吸气脉冲喷头进气结构3个因素之间可能存在的交互作用，设计L27(313)正交试验如表2所示.

表2 L27(313)正交表及试验结果

对27组试验方案的模型喷头进行加工并进行试验，测量喷头射流的击打力F和射流脉冲主频率f，结果见表2的第15列和第16列.

2.3 极差分析

对各方案的结果进行极差分析，结果如表3所示，表中：kj为同一因素同一水平试验结果的平均值；R为极差，表示同一因素n个水平试验结果的平均值之间差值的最大值.极差反映试验所选取的因素对试验结果的影响程度，极差越大说明这一因素在试验水平变化范围内对试验结果影响越大，反之越小[13-14].因此，极差最大的因素即为主要因素.

表3 极差计算表

由表3可以看出，根据极差大小，自吸气脉冲喷头结构参数对喷头性能影响的主次关系，各因素对喷头击打力影响从大到小依次为A，B，BC，C，即R(d0)>R(S0)>R(S0*β)>R(β)，各因素对喷头脉冲主频率影响从大到小依次为A，C，B，AB，即R(d0)>R(β)>R(S0)>R(d0*S0).

绘制喷头单因素影响的效应趋势图，如图3所示，其中横坐标为各因素的3个水平，纵坐标为各因素各水平对应的kj.

图3 单因素影响效应趋势图

由图3a可以看出：喷头射流击打力随进气孔直径d0和喷头腔体下壁面倾角β的增大而减小，其中进气孔直径d0对喷头击打力影响更加明显；喷头射流击打力随喷头进气孔距腔体左右壁面距离S0增大而增大.

由图3b可以看出，喷头射流脉冲主频率随进气孔直径d0和进气孔距腔体左右壁面距离S0先增大后减小，随喷头腔体下壁面倾角β的增大而增大.

根据设计需要，喷头射流击打力F需大于0.1 N，同时根据已有性能优良的智能马桶用脉冲喷头射流频率为110～120 Hz(该脉冲频率下人体体感较为舒适)，故在喷头射流击打力F满足大于0.1 N时，射流脉冲频率f接近120 Hz的喷头性能更佳.根据极差分析已知，射流击打力最佳组合为A1B3C1,射流脉冲主频率最佳组合为A2B2C3，考虑到各参数变化后，射流击打力在0.11～0.15 N变化，变化范围较射流脉冲主频率小，因此选择喷头性能最佳组合为A2B2C3，即智能马桶用自吸气脉冲喷头进气结构最佳参数组合为d0=1.2 mm，S0=2.2 mm，β=6°.

3 优化验证

与优化前不吸气脉冲喷头进行试验对比，文中分别从喷头外流场流动特征、射流击打力、喷头清洁率3个方面验证优化结果.

3.1 喷头射流外流场对比

在实际应用中，清洗水的工作区间为距喷头出水口10～16 cm处，因此在试验拍摄中只分析16 cm内的射流流束的流动特征.由高速摄影拍摄的射流平均速度为

(1)

式中：Δs为位移变化量；Δt为时间间隔.

图4为使用高速摄像机拍摄的优化前后脉冲喷头在一段时间内的射流流动特征.

图4 优化前后脉冲喷头射流流动特征对比

由图4可以看出，优化前后脉冲喷头均能产生连续稳定的脉冲射流，但优化前不吸气脉冲射流相同位移量所需的时间更长.根据式(1)计算得到不吸气脉冲射流平均流速约为4 m/s，优化后的自吸气脉冲射流流速约为10 m/s，自吸气脉冲射流流速较不吸气脉冲射流流速提高150.0%.

3.2 喷头射流击打力对比

图5为优化前后的脉冲喷头射流击打性能对比，可以看出：在相同工况下，优化后脉冲喷头射流击打力均值有较大提高，为0.13 N，较优化前提高约44.4%；优化前喷头射流主要频率为70～90 Hz，且击打力幅值较低为0.10 kPa；优化后喷头射流主频率集中在90～120 Hz高频区域内，较优化前射流主频率提高33.3%，且击打力幅值为0.18 kPa, 较优化前提高80.0%.这是由于优化后自吸气脉冲喷头的射流中空气泡在射流前进过程中不断溃灭释放能量，提高了射流的振荡频率和振荡幅值，这与外流场流动特征相符合.

图5 优化前后脉冲喷头击打力时域图及频域图

3.3 喷头清洁率对比

在喷头清洁率试验过程中分别观察10，20，30，40，50 s时砂纸表面黄豆酱的清洁情况，并通过图像像素占比得到黄豆酱的清洁率C随时间变化的曲线，如图6所示.可以看出：优化后自吸气脉冲喷头的清洁率明显高于在优化前不吸气脉冲喷头的清洁率；在开始试验的10 s内，2种喷头的清洁率相差不大，随着清洗时间的增大，优化前喷头在经过30 s后清洁率已无明显变化，阈值为75.0%，优化后喷头在经过50 s后清洁率无明显变化，阈值为98.3%，提高23.3%，接近于完全清洁，这也证明了脉冲喷头射流性能决定了喷头的清洁性能.

图6 优化前后脉冲喷头清洁率

综上所述，优化后自吸气脉冲喷头在射流流动特征、射流击打力性能及射流清洁率3个方面均优于优化前不吸气脉冲喷头.

4 结 论

1) 应用于智能马桶的清洁自吸气脉冲喷头进气效果直接影响喷头射流性能，其中对喷头射流击打力影响从大到小依次为进气孔直径d0、进气孔距喷头腔体左右两壁面距离S0，S0与β的交互作用、喷头腔体下壁面倾角β.对射流脉冲主频率影响从大到小依次为进气孔直径d0、喷头腔体下壁面倾角β、进气孔距喷头腔体左右两壁面距离S0以及d0与S0的交互作用.

2) 自吸气脉冲喷头进气结构参数之间存在的交互作用不多，仅进气孔位置和喷头腔体下壁面倾角存在一定相互作用，参数间无其他明显的交互作用.

3) 优化后的自吸气脉冲喷头较优化前不吸气脉冲喷头外流场流速衰减更慢，流速提高150.0%，射流范围更大，击打力性能佳，击打力提升44.4%，脉冲主频率提高33.3%，击打力幅值提高80.0%，且射流脉冲主频率更加集中.优化后的自吸气脉冲喷头清洁率更高，接近于完全清洁.