劉福明 潘曉濤

(廣東工業(yè)大學材料與能源學院 廣州 510006)

虹吸式衛(wèi)生潔具不同沖水模式的速度流場分析*

劉福明 潘曉濤

(廣東工業(yè)大學材料與能源學院 廣州 510006)

衛(wèi)生潔具水包壁的水流速度能反映水流對水包壁的沖刷性能，排污管內的水流速度能反映虹吸現(xiàn)象的持續(xù)時間、虹吸力大小及排污管高度的設計要求。利用VOF模型，非穩(wěn)態(tài)氣、液多相流的N－S方程，對普通虹吸式、噴射虹吸式、漩渦虹吸式衛(wèi)生潔具3種不同沖水模式的速度流場進行了三維數(shù)值模擬，對水包壁與排污管內的速度流場進行了定量計算，分析了不同沖水模式速度流場的數(shù)值區(qū)別和對虹吸現(xiàn)象的影響，為不同沖水模式虹吸式衛(wèi)生潔具的出水流道水力設計優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

衛(wèi)生潔具 沖水模式 速度流場 虹吸

近年來，隨著人們生活水平的提高和節(jié)水意識的增強，人們在選擇衛(wèi)生潔具時，越來越趨向于使用用水量少、噪音小、沖洗性能和防臭性能比較好的虹吸式衛(wèi)生潔具。為滿足廣大消費者的需求，不少衛(wèi)生潔具生產企業(yè)在虹吸式衛(wèi)生潔具上的研究與開發(fā)投入了大量的人力和物力。因此，市場上虹吸式衛(wèi)生潔具種類繁多，但這些衛(wèi)生潔具主要是依靠水的虹吸現(xiàn)象產生的抽力將污物排出。

根據(jù)其水流特點的不同，虹吸式衛(wèi)生潔具可以分為普通虹吸式、噴射虹吸式以及漩渦虹吸式3類。為了進一步研究不同種類的虹吸式衛(wèi)生潔具，筆者運用商用CFD軟件，在水箱水量為6 L時，對3種水流現(xiàn)象及流場內部結構進行了模擬預測，預測出了整個水道上的速度流場，為衛(wèi)生潔具的流體設計和結構設計提供了更加可靠的設計依據(jù)。

1 不同虹吸式衛(wèi)生潔具簡述

1.1 普通虹吸式

普通虹吸式衛(wèi)生潔具的構造復雜，水箱水經過坐圈內流道，從坐圈下密布的布水眼沖出流入水包，流速較快，但在排污的過程中只依靠虹吸產生的吸力排污，在沖污開始時是以大量的水漫過污物，然后再將污水吸入排污管道達到排污效果，其結果是污水漫過的地方都會留下污跡，時間一長就會結垢。其內部水流道結構如圖1所示。

圖1 普通虹吸式衛(wèi)生潔具求解域CAD模型

1.2 噴射虹吸式

圖2 噴射虹吸式衛(wèi)生潔具求解域CAD模型

噴射虹吸式衛(wèi)生潔具增設了噴射流道，一部分水從坐圈下的布水眼沖出流入水包，另一部分水從噴射流道正對存水彎處噴射口噴出，使存水彎道迅速充滿并排水。由于結合了水的吸力和沖力作用，因此在虹吸排污的同時，利用沖力將漫溢的污物沖走，可以防止污物結垢。因其虹吸作用和排污能力強，所以不易附著污物和散發(fā)臭氣，而且沖洗用水量較少，在防臭、防止濺水方面有良好的效果，其沖水時的射流是在水下進行的，非但沒有增加噪音，反而使沖洗噪聲降低，且沖洗性能較好。噴射虹吸式與普通虹吸式衛(wèi)生潔具比較，布水眼尺寸小，結構更復雜。噴射虹吸式衛(wèi)生潔具內部水流道結構如圖2所示。

1.3 漩渦虹吸式

漩渦虹吸式衛(wèi)生潔具的水箱水從坐圈內流道的主、附沖水出口流出，以弧形水流沿切線沖出，形成強大的漩渦。漩渦能產生強大的向心力，將污物迅速卷入漩渦中，又隨著虹吸的生成，形成一個向下旋渦作用，將漂浮的污物帶入排污管入口處，在入口底部反作用力的影響下，很快進入排污管道。其設計利用了漩渦和虹吸2種作用，因此沖洗水頭低，沖水過程迅速、徹底，氣味小，噪聲小，但結構復雜，價格較高。漩渦虹吸式衛(wèi)生潔具內部水流道結構如圖3所示。

圖3 漩渦虹吸式衛(wèi)生潔具求解域CAD模型

2 沖水過程的數(shù)值模擬

2.1 求解域的幾何建模和網(wǎng)格處理

筆者通過對實際3種沖水模式的虹吸式衛(wèi)生潔具進行測量，通過Pro/E進行曲面造型，根據(jù)Fluent軟件計算要求，對求解域中的水箱進行了簡化處理，從而得到求解域的三維幾何模型。

由于文章所涉及的數(shù)值計算求解域具有模型尺寸大、幾何形狀復雜等特點，綜合考慮求解域結構、計算時間、精度及穩(wěn)定性等因素，采用結構化與非結構化網(wǎng)格相結合的混合網(wǎng)格。其中水箱部分結構較規(guī)則，采用六面體網(wǎng)格，其余部分(如坐圈、水包和排污管等)都采用四面體網(wǎng)格。

2.2 運用Fluent軟件進行計算

虹吸式衛(wèi)生潔具的沖水過程是帶復雜流道和混合邊界條件的三維非穩(wěn)態(tài)氣、液多相流動，可用連續(xù)性方程和雷諾時均N－S(Navier－stokes)方程來描述。虹吸式衛(wèi)生潔具的沖水過程涉及到水箱水、污水、空氣三相組分的混合流動，且流動求解域中含自由面，因此，計算模型采用Euler－euler法多相流中的VOF模型。VOF模型的流動相之間的界面跟蹤通過求解一個或者多個容積組分的連續(xù)性方程來實現(xiàn)。求解控制方程采用有限容積法(FVM)，通過對流體運動體積域的離散來構造積分型離散方程。為了數(shù)值求解的穩(wěn)定性，按照負坡線性化原則對模型方程的各源項進行處理，時間差分采用全隱式格式。離散方程組的求解采用交替方向隱式法(ADI法)，動量方程、湍動能方程以及湍動耗散率方程的離散采用一階迎風格式。用PISO兩步校正算法實現(xiàn)壓力與速度的協(xié)調一致。非計算網(wǎng)格點處變量值用冪函數(shù)插值求得。邊界插值采用高精度的幾何重構方案。

3 計算結果及分析

3.1 不同沖水模式下，水包壁上的速度流場分析

如圖4所示，3條曲線是不同沖水模式的衛(wèi)生潔具坐圈下40mm處一點的時間歷程曲線。3條速度一時間曲線在t=0.5～1.2 s時速度迅速達到最大值，隨后就緩慢下降，直到沖水過程結束，速度并沒有立即歸零。水包壁上流體速度的這種走向是由于水箱水大量流入水包時，水箱水位增高，水包壁上流速最大;隨著水箱中水位的下降，水壓減小，水包壁上的流速逐漸降低，在虹吸現(xiàn)象結束后，由于水圈內壁和水箱內壁上還粘附少量殘余水，水包壁上會形成一層低速流動的水膜，所以水包壁上流速不會急劇下降，仍會維持數(shù)秒。

圖4 不同沖水模式衛(wèi)生潔具水包壁上某點流體速度的時間歷程圖

從圖4可以看出，噴射虹吸式和漩渦虹吸式衛(wèi)生潔具比普通虹吸式衛(wèi)生潔具在水包壁上的流體速度總體上要大。這是因為，水箱水在自重作用下，迅速流入坐圈內流道后，普通虹吸式衛(wèi)生潔具水箱水只能從坐圈下的布水眼流入水包，且在坐圈內流道流動受阻，水的機械能損失較大，從布水眼流出的水流速度相對較低。噴射虹吸式衛(wèi)生潔具水箱水首先從布水眼流入水包，由于布水眼孔比普通虹吸式的小得多，水圈流道內的水箱水流入水包較少，且水箱水在坐圈流道內流動順暢，所以布水眼處的水壓大，從布水眼流出水的流速會比普通虹吸式的快;而漩渦虹吸式衛(wèi)生潔具水箱水從坐圈下的主、附沖水出口流出，以弧形水流沿切線沖出，水箱水在流入水包的過程中，機械能的損失比普通虹吸式少得多，所以漩渦虹吸式水包壁上的流速較普通虹吸式衛(wèi)生潔具大，且水箱水對水包的沖刷時間也差不多，故在整個沖水過程中，噴射虹吸式和漩渦虹吸式衛(wèi)生潔具對水包壁的沖刷性能較普通虹吸式衛(wèi)生潔具要好。

3.2 不同沖水模式下，排污管上升段的速度流場分析

從圖5可以看出，3條曲線是不同沖水模式衛(wèi)生潔具排污管上升段(距存水彎底面80mm)上一點流體速度的時間歷程曲線。3條曲線在t=2.5 s附近急劇升高，達到一定值后，維持1.5 s后，又急劇下降，下降到一定值時，就開始上下波動。這是因為在t=2.5 s時，排污管中的水開始大量越過排污管最高處，直到虹吸現(xiàn)象形成后1 s。在這個過程中，水包中混合水大量補進排污管，排污管上升段的流體速度急劇增加;當虹吸現(xiàn)象產生穩(wěn)定的抽力將污水穩(wěn)定排出時，排污管上升段的水流速度達到一定值，并維持到1.5 s左右;當在排污管駝峰斷面處出現(xiàn)大量空氣時，流過排污管最高處的水迅速減少，直到虹吸現(xiàn)象結束。在這一時間段，排污管上升段的水流速度急劇下降;在虹吸結束后，殘余水會在存水彎中來回晃動，所以排污管上升段的流體速度曲線在這個時間段就出現(xiàn)上下波動。

圖5 不同沖水模式衛(wèi)生潔具排污管上升段某點流體速度的時間歷程圖

從圖5還可以看出，漩渦虹吸式衛(wèi)生潔具在排污管上升段流體整體流動速度要比普通虹吸式和噴射虹吸式衛(wèi)生潔具小一些。這是由于水箱水流入包后，水的勢能轉化為動能。普通虹吸式和噴射虹吸式中衛(wèi)生潔具的水箱水都是直接沖到存水彎中，再在存水彎底部的反作用力下，沖入排污管。而漩渦虹吸式水箱水從坐圈下的主、附沖水出口流出，以弧形水流沿切線沖出，形成強大的漩渦，流入水包中的水箱水并沒有直接沖入存水彎中，大部分動能以漩渦的形式存在。所以漩渦虹吸式排污管上升段流體的整體流動速度要比普通虹吸式和噴射虹吸式衛(wèi)生潔具小一些。

3.3 不同沖水模式下，排污管駝峰斷面中心點的速度流場分析

圖6為不同沖水模式衛(wèi)生潔具排污管駝峰斷面中心點的流體速度的時間歷程圖，圖6中的曲線在前面一段遞增速度不斷加快，達到一定值后，維持1.5 s，就會急劇下降，直到接近于零。這種現(xiàn)象是因為在形成穩(wěn)定的虹吸前，隨著水箱水大量流入水包，排污管內的流體被擠出的體積量不斷增加，直到產生穩(wěn)定的虹吸現(xiàn)象，駝峰斷面中心點的流體速度就會不斷增加;當產生穩(wěn)定的虹吸后，虹吸抽力均勻地把水包中的混合水排出，駝峰斷面中心點的流體速度基本保持平穩(wěn);但在駝峰斷面出現(xiàn)大量空氣時，流過駝峰斷面的流體迅速減少，直到虹吸現(xiàn)象結束。在這一時間段，駝峰斷面中心點的流體速度會急劇降低直到接近于零。

從圖6中可以看出，普通虹吸式在排污管駝峰斷面中心點的整體速度要比漩渦虹吸式和噴射虹吸式衛(wèi)生潔具小得多。這是因為，普通虹吸式排污管內的流體越過駝峰處，主要是靠布水眼中流出來的水箱水的沖力。水箱水經坐圈內流道再流入水包中，由于水箱水在坐圈流道內不能及時流入水包，流動受阻，水箱水的重力勢能轉化為動能的比例太低，水箱水對排污管的沖力就會減小，故越過駝峰的流體速度就不會太大。噴射虹吸式只有小部分水箱水從坐圈下布水眼中流入水包，大部分水箱水從噴射流道直接沖入存水彎中，水箱水的重力勢能轉化為動能比例高，流入水包的速度大，對排污管內的污水沖力較大，故駝峰斷面的流體速度比較大。漩渦虹吸式水箱水全部從坐圈下主、附沖水出口流出，形成強大的漩渦，水箱水的重力勢能轉化為動能比例高，雖然流體在排污管上升段的上升速度略小于普通虹吸式，但是沖入排污管的水箱水的動能以漩渦的形式存在，當這些漩渦到達排污管駝峰時，漩渦離心力的作用就會迅速越過駝峰。

圖6 不同沖水模式衛(wèi)生潔具排污管駝峰斷面中心點的流體速度的時間歷程圖

3.4 不同沖水模式下，虹吸現(xiàn)象分析

從圖6、圖7可知，漩渦虹吸式和噴射虹吸式在駝峰斷面的水流速度比普通虹吸式的要大得多，所以在水箱水量相等時，漩渦虹吸式和噴射虹吸式沖水過程形成的虹吸現(xiàn)象持續(xù)的時間要比普通虹吸式要短。

圖7 不同沖水模式衛(wèi)生潔具排污管駝峰斷面流體法向方向速度的時間歷程圖

3.5 不同沖水模式下，潔具的排污結構分析

流體在漩渦虹吸式衛(wèi)生潔具排污管內的上升速度整體上要比普通虹吸式和噴射虹吸式衛(wèi)生潔具小，所以漩渦虹吸式衛(wèi)生潔具排污管駝峰一般比較低。噴射虹吸式衛(wèi)生潔具由于水箱水通過噴射流道對存水彎中的污水沖力較大，流體在排污管內的上升速度比較快，所以在設計噴射虹吸式衛(wèi)生潔具時，排污管駝峰應設計得比普通虹吸式略高一些。

4 結論

1)本研究根據(jù)對實際模型的測量，建立了不同沖水模式衛(wèi)生潔具的內部流道CAD模型，對這些流道結構復雜，且?guī)ё杂杀砻婊旌线吔鐥l件的衛(wèi)生潔具的三維非穩(wěn)態(tài)氣、液多相流沖水過程采用VOF模型進行了三維數(shù)值模擬。

2)根據(jù)不同流道內流體的速度－時間曲線，獲得了不同衛(wèi)生潔具沖水過程的速度流場變化情況，以及不同沖水模式速度流場的區(qū)別。

3)根據(jù)不同沖水模式下在排污管上升段和駝峰斷面處的流體速度－時間曲線，對于等量水箱水的沖水過程，該曲線是衡量虹吸現(xiàn)象持續(xù)時間、虹吸力大小的依據(jù)和設計排污管駝峰高度的重要參考數(shù)值。

4)對不同衛(wèi)生潔具在沖水過程中流道內速度流場的研究，可以作為潔具的設計與開發(fā)的數(shù)值依據(jù)，也可在其他工程領域中應用推廣。

1 馬亮，劉沛清，聶建軍.馬桶沖洗過程的流體模型.水動力學研究與進展，2004，19(6)：783 ～787

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5 孔一倫.試談多核并行運算.電腦編程技巧與維護，2010，16：118～119

The Velocity Flow Field Analysis of DifferentW ater－rinsing M odels of Siphon Sanitary W are

Liu Fuming，Pan Xiaotao(Guangdong University of Technology，Guangzhou，510006)

The water flow velocity in the bowl of ceramic sanitary ware reflects the wash out capability ofwater flow towall ofwater bowl.And the flow velocity in trap reflects the duration and force of siphon and the design requirements of trap.Using the VOFmodel and the gas liquid multi－phase flow of the unsteady N－Sequations，the velocity flow field of sanitary in differentwater－rinsingmodel is3D numerical simulated.The difference of velocity flow field in differentwater－ rinsingmodels are gained.And the data of velocity flow field can be used for the theoretical basis of the optimization of the hydraulic design of ceramic sanitary wares.

Ceramic sanitary ware;Water－rinsingmodel;Velocity flow field;Siphon

TQ174.76+9

A

1002－2872(2011)11－0022－04

劉福明(1986－)，碩士研究生;主要從事材料成形加工的CAD/CAE分析、模具及設備的研究。E－mail：fmingliu@126.com