基于數(shù)值模擬技術(shù)坐便器虹吸流道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究.pdf

1、我國是水資源十分短缺的國家，人均水資源僅占世界平均水平的四分之一。隨著人口增長、生活水平和城市化率的提高，人們對(duì)生活用水量急劇增加。其中，衛(wèi)生潔具用水占生活用水的40％，因此，開發(fā)、推廣和使用節(jié)水型坐便器是解決水資源缺乏的一種有效途徑。 目前，我國尚未像發(fā)達(dá)國家一樣強(qiáng)制執(zhí)行6升標(biāo)準(zhǔn)的坐便器沖水量，主要原因是我國陶瓷行業(yè)包括坐便器在內(nèi)的大多數(shù)衛(wèi)生潔具產(chǎn)品的開發(fā)、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程，基本上還是采用傳統(tǒng)的手工制作模式，新產(chǎn)品的開發(fā)完全依賴

2、于制作人員的手工技巧和經(jīng)驗(yàn)，難以開發(fā)出高品質(zhì)、節(jié)水型的坐便器。 隨著計(jì)算機(jī)和計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展，蓬勃發(fā)展的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)為研究坐便器沖水過程、開發(fā)節(jié)水型坐便器產(chǎn)品開辟了新的途徑。應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，可以方便、直觀地了解坐便器沖水過程中的流場(chǎng)(壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)等)的分布情況，分析不同產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、不同沖水量對(duì)坐便器的沖涮和排污性能的影響，為開發(fā)和設(shè)計(jì)高品質(zhì)、節(jié)水型坐便器產(chǎn)品提供依據(jù)，大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。因此，坐

3、便器沖水過程數(shù)值模擬是改變坐便器產(chǎn)品開發(fā)落后現(xiàn)狀的關(guān)鍵，越來越得到人們的重視。 按照排污方式不同，坐便器一般分為沖落式和虹吸式兩種。沖落式是由水向下的沖擊力將污物沖出便器，而虹吸式是水在便器中形成虹吸，靠虹吸產(chǎn)生的抽力將污物排出便器。本文以虹吸式等截面坐便器、虹吸式變截面坐便器為研究對(duì)象，采用CFD軟件分別對(duì)其沖水過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。主要研究內(nèi)容包括： (1)由虹吸現(xiàn)象產(chǎn)生的原理，結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)的基本知識(shí)，對(duì)虹吸式坐便

4、器的流道進(jìn)行設(shè)計(jì)，并針對(duì)其成形技術(shù)提出了一些新方法，為后續(xù)的數(shù)值模擬提供了原型。 (2)通過分析虹吸式坐便器沖水過程的特點(diǎn)，確定其物理模型為帶自由表面的三維非穩(wěn)態(tài)多相耦合流，其中多相包括空氣相、水相和固體污物相，考慮到流固耦合問題的復(fù)雜性，本文采用簡化物理模型的方法，初步忽略水箱以及坐圈的情況下，在水包入口速度一定的時(shí)候，數(shù)值模擬虹吸坐便器流道內(nèi)的流體流動(dòng)。 (3)采用商用有限元分析軟件ADINA中的多相流模型—VOF，

5、分別對(duì)兩種坐便器帶自由表面的氣一液兩相流進(jìn)行了數(shù)值模擬。首先，暫不考慮水箱及坐圈的情況下，數(shù)值模擬了虹吸式坐便器內(nèi)清水流動(dòng)過程，考察了壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)、水包壁面流場(chǎng)沖涮范圍以及排污管道截面的變化等對(duì)虹吸式坐便器沖涮和排污性能的影響；然后，在上一步的基礎(chǔ)之上，全面考慮水箱、坐圈的條件下，數(shù)值模擬了虹吸式坐便器內(nèi)清水流動(dòng)過程。 本文通過簡化虹吸式坐便器沖水過程的物理模型，利用有限元分析軟件ADINA對(duì)虹吸式坐便器的沖水過程進(jìn)行了數(shù)值模