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)達國家一樣強制執(zhí)行6升標準的坐便器沖水量，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，難以開發(fā)出高品質(zhì)、節(jié)水型的坐便器。 隨著計算機和計算技術(shù)的迅速發(fā)展，蓬勃發(fā)展的計算流體動力學(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)用計算流體動力學，可以方便、直觀地了解坐便器沖水過程中的流場(壓力場、速度場等)的分布情況，分析不同產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、不同沖水量對坐便器的沖涮和排污性能的影響，為開發(fā)和設(shè)計高品質(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象，采用CFD軟件分別對其沖水過程進行了數(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)合計算流體力學的基本知識，對虹吸式坐便

4、器的流道進行設(shè)計，并針對其成形技術(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，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候，數(shù)值模擬虹吸坐便器流道內(nèi)的流體流動。 (3)采用商用有限元分析軟件ADINA中的多相流模型—VOF，

5、分別對兩種坐便器帶自由表面的氣一液兩相流進行了數(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)清水流動過程，考察了壓力場、速度場、水包壁面流場沖涮范圍以及排污管道截面的變化等對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對虹吸式坐便器的沖水過程進行了數(shù)值模