喻永康，何雪明

（1.江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，江蘇 無(wú)錫 214153；2.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122）

0 前言

CFD作為一門具有強(qiáng)大生命力的邊緣科學(xué)，涉及流體力學(xué)、數(shù)值計(jì)算方法以及計(jì)算機(jī)科學(xué)等諸多領(lǐng)域，CFD以有限單元離散化思想為指導(dǎo)，計(jì)算機(jī)為輔助工具，對(duì)實(shí)際物理問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)?zāi)M以及計(jì)算模擬分析，快速且準(zhǔn)確地解決流體力學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域中的實(shí)際物理問(wèn)題[1]。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD求解流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等物理模型的基本思想是：先將連續(xù)的物理整體離散為有限個(gè)單元離散點(diǎn)，再根據(jù)一定的原則以及方法為有限個(gè)離散點(diǎn)建立關(guān)系方程組，最后通過(guò)求解關(guān)系方程組就能獲得實(shí)際問(wèn)題的近似值[2]。

由美國(guó)FLUENT公司于1983推出的流體仿真分析軟件FLUENT是目前適用性最廣、功能最全面的CFD軟件之一，它在流體力學(xué)分析，熱傳遞分析及化學(xué)反應(yīng)分析等方面應(yīng)用非常廣泛，比如航空航天工業(yè)、汽車設(shè)計(jì)工業(yè)、石油天然氣工業(yè)等。

FLUENT軟件系統(tǒng)一般求解步驟為：（1）構(gòu)建幾何模型及網(wǎng)格模型；（2）檢查網(wǎng)格是否符合精度要求；（3）選取求解器并確定運(yùn)行環(huán)境；（4）選取求解方案和計(jì)算模型：層流或湍流（或無(wú)黏流）、傳熱模型等；（5）其他需要計(jì)算的模型，如風(fēng)扇、熱交換器、多孔介質(zhì)模型等；（6）輸入流體的材料特性；（7）設(shè)計(jì)邊界類型及邊界條件；（8）設(shè)置條件計(jì)算參數(shù)；（9）流場(chǎng)的初始化；（10）進(jìn)行求解；（11）后置處理。

1 洗碗機(jī)噴淋系統(tǒng)流道建模

洗碗機(jī)被譽(yù)為繼洗衣機(jī)之后第二次解放人類雙手的家電產(chǎn)品，從1850年誕生發(fā)展到現(xiàn)在，技術(shù)已經(jīng)非常成熟，在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家普及率一般在50%以上[3-4]。目前常用洗碗機(jī)的工作原理是將溶解了洗滌劑的水，加熱加壓，沖向待清洗的餐具，洗滌后排水，然后換清水沖洗，如此沖洗餐具數(shù)遍，完成一次洗碗。洗凈后利用自身余熱或加熱元件加熱的空氣把餐具烘干，所以有的國(guó)家又稱其為碗碟干燥機(jī)。目前我國(guó)市場(chǎng)上出售的洗碗機(jī)大部分是采用噴淋方式對(duì)餐具進(jìn)行清洗的，對(duì)餐具的形狀、大小和放置有一定的要求[5]。

根據(jù)國(guó)內(nèi)某公司所提供的洗碗機(jī)進(jìn)行測(cè)繪，該洗碗機(jī)的噴淋系統(tǒng)由清洗出口和兩道漂洗出口組成，涉及的流道建模主要有清洗出口（圖1）和漂洗出口（圖2）。

圖1 清洗出口視圖

圖2 漂洗出口視圖

為了保證流道的真實(shí)性，保證仿真的準(zhǔn)確性，在建模過(guò)程中對(duì)于一些出口的參數(shù)要仔細(xì)研究，其形狀位置角度大小都要保證。流道是除去壁面之后的所有水流經(jīng)的部分，應(yīng)用UG NX軟件三維建模功能做出了三維流道模型。在清漂洗流道模型的建立過(guò)程中，必須由個(gè)體到整體逐步建立，并加以仿真，在能得到初步仿真結(jié)果之后，再增加模型的復(fù)雜程度。在逐步建模的過(guò)程中，上一步的建模仿真分析結(jié)果是下一步建模的基礎(chǔ)。最終建立的洗碗機(jī)清漂洗系統(tǒng)的流道模型如圖3和圖4。

圖3 清洗出口流道模型

圖4 漂洗出口流道模型

2 洗碗機(jī)噴淋系統(tǒng)的Fluent分析研究

商用洗碗機(jī)的噴淋系統(tǒng)比較復(fù)雜，管道繁多，但起到?jīng)Q定性作用的就是噴頭出口的大小和角度，開口過(guò)大，導(dǎo)致水流噴射的速度過(guò)小，不能高效的清洗油污的碗盤，開口過(guò)小，導(dǎo)致水流噴射壓力過(guò)大，對(duì)于水泵和噴淋管道質(zhì)量有特殊要求。噴頭開口的角度直接影響到清洗的面積，決定漂洗是否完全和潔凈。

2.1 清洗流道仿真及其計(jì)算結(jié)果分析

把建立好的模型導(dǎo)入并設(shè)置參數(shù)之后，就仿真出結(jié)果（殘差圖、壓力圖、溫度圖和速度矢量圖等），仿真的步驟也可以在殘差圖中看出。

通過(guò)最終的模型仿真可以得知，這臺(tái)洗碗機(jī)在清洗的時(shí)候水泵提供五兆帕的壓力水流，它從上下噴淋管出口噴出的速度為40～60 m/s之間。水流的整體偏向?yàn)橄蛩鬟M(jìn)來(lái)的一方反向偏移。可以推測(cè)站在洗碗機(jī)工作的時(shí)候，靠近洗碗機(jī)水流進(jìn)來(lái)的一方的碗盤沖刷的效率不高。還可看出清洗系統(tǒng)中水流速度最大的部分為水泵和下噴水管道相結(jié)合的部分，此處為沖刷較為激烈應(yīng)該注意保養(yǎng)的部位。針對(duì)水流的偏移情況，應(yīng)該從結(jié)構(gòu)的改進(jìn)來(lái)解決。

圖5 殘差圖

圖6 壓力圖

圖7 溫度圖

圖8 速度矢量圖

圖9 漂洗大出口溫度圖

圖10 漂洗大出口速度矢量圖

圖11 漂洗小出口溫度圖

圖12 漂洗小出口速度矢量圖

2.2 漂洗出口仿真及其計(jì)算結(jié)果分析

在這臺(tái)洗碗機(jī)中，漂洗系統(tǒng)有兩個(gè)部分，一個(gè)部分是漂洗出口開口較大的緊接清洗之后的漂洗管道，所進(jìn)行的工作是初步漂洗，另一個(gè)部分為漂洗出口開口較小的最后的漂洗管道。兩部分漂洗都分為上下噴淋管。

漂洗大出口整體模型仿真結(jié)果如圖9、10所示。

漂洗小出口整體模型仿真結(jié)果如圖11、12所示。

通過(guò)分析漂洗大出口和小出口的仿真結(jié)果，可以看出漂洗小出口水流射的速度要大于漂洗大出口的噴射速度，因此可以推測(cè)，漂洗出口的開口的大小和方向?qū)娚涑龅纳钚螤顝?qiáng)度面積起到?jīng)Q定的作用。

3 結(jié)論

利用Fluent軟件對(duì)所建立的洗碗機(jī)的清漂洗模型進(jìn)行仿真和分析，最終表現(xiàn)的形式為清漂洗模型的殘差圖、壓力圖、溫度圖和速度矢量圖。通過(guò)這些云圖，可以分析出清洗管道水流整體向水流進(jìn)來(lái)的一方反向偏移，可以推測(cè)站在洗碗機(jī)工作的時(shí)候，靠近洗碗機(jī)水流進(jìn)來(lái)的一方的碗盤沖刷的效率不高。此即為該商用洗碗機(jī)洗凈度不高的主要原因。還可以看出清洗系統(tǒng)中水流速度最大的部分為水泵和下噴水管道相結(jié)合的部分，此處為沖刷較為激烈應(yīng)該注意保養(yǎng)的部位。

［1］徐昉.計(jì)算流體力學(xué)（CFD）在可持續(xù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.建筑學(xué)報(bào)，2004（8）：65-67.

［2］趙秉文，姜坪，陳曉春.CFD技術(shù)及其在水處理研究中的應(yīng)用［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2006（6）：77-78.

［3］孫愛東.洗碗機(jī)行業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展前景［J］.電器制造商，2001（12）：44-45.

［4］劉旭輝，王小平.家用洗碗機(jī)碗藍(lán)和外形的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2010（4）：67-68，93.

［5］孫嘉燕，李保紅，王述洋.洗碗機(jī)現(xiàn)狀及實(shí)現(xiàn)中國(guó)洗碗機(jī)普及新探索［J］.現(xiàn)代科學(xué)儀器，2012（1）：137-141.

［6］韓占忠.FLUENT：流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.

［7］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.