（廈門城市職業(yè)學(xué)院 福建廈門 361008）

引言

目前傳統(tǒng)的水龍頭方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般分為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、樣機(jī)制作、產(chǎn)品測(cè)試、產(chǎn)品修改及定型這四個(gè)主要階段，如果產(chǎn)品測(cè)試不和格（主要是流量和試水、壓力等項(xiàng)目），就得修改設(shè)計(jì)，然后重新制作樣品，再進(jìn)行測(cè)試，這樣導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期大大延長(zhǎng)。將Flow Simulation這一計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于水龍頭產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中，借助計(jì)算機(jī)分析計(jì)算，可以確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性，減少樣機(jī)制作和設(shè)計(jì)修改的成本；縮短設(shè)計(jì)周期；模擬各種試驗(yàn)方案，減少試驗(yàn)時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。隨著Flow Simulation這一計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，其在水龍頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也越來(lái)越普遍。[1]

一、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)系統(tǒng)三要素

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是以數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)，利用系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際系統(tǒng)或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究的一門綜合技術(shù)。對(duì)于需要研究的對(duì)象，計(jì)算機(jī)一般是不能直接認(rèn)知和處理的，這就要求為之建立一個(gè)既能反映所研究對(duì)象的實(shí)質(zhì)，又易于被計(jì)算機(jī)處理的數(shù)學(xué)模型。系統(tǒng)、數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)共同組成了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)系統(tǒng)。[2]

系統(tǒng)是對(duì)所研究的對(duì)象在某些特定方面的抽象，突出其主要性質(zhì)，忽略其次要性質(zhì)；數(shù)學(xué)模型將研究對(duì)象的實(shí)質(zhì)抽象出來(lái)，計(jì)算機(jī)再來(lái)處理這些經(jīng)過(guò)抽象的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)輸出這些模型的相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)展現(xiàn)研究對(duì)象的某些特質(zhì)。[3]

二、Flow Simulation計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在水龍頭產(chǎn)品中的應(yīng)用

Flow simulation屬于CFD仿真系統(tǒng)，可用于計(jì)算流體力學(xué)的仿真，與SolidWorks集成在一起，設(shè)計(jì)師可以在同一界面下對(duì)SolidWorks的三維模型直接進(jìn)行流體仿真。一般計(jì)算機(jī)仿真的實(shí)現(xiàn)分為四個(gè)主要步驟：模型的建立、使用“向?qū)А眲?chuàng)建分析項(xiàng)目、輸入數(shù)據(jù)、進(jìn)行仿真分析并得到結(jié)果。

1．模型的建立

做流體仿真首先要精簡(jiǎn)水龍頭三維模型。在不影響模型精度的前提下，盡量簡(jiǎn)化模型，減少產(chǎn)品上的一些不重要的特征，隱藏水龍頭裝配體里與仿真要求不相關(guān)的手柄、填密、填密螺母等零件。在Flow simulation仿真系統(tǒng)中，流體被分為內(nèi)流和外流兩種，本水龍頭仿真項(xiàng)目采用外流分析類型。

2．使用“向?qū)А眲?chuàng)建分析項(xiàng)目

可以跟著“向?qū)А痹O(shè)置一些重要選項(xiàng)：?jiǎn)挝恢啤⒎治鲱愋停ò▋?nèi)流外流）的指定、固體零件是否傳熱、是否瞬態(tài)、默認(rèn)流體是什么、默認(rèn)固體是什么、初始條件。作為水龍頭的仿真項(xiàng)目，單位系統(tǒng)采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，分析類型設(shè)置為外流，固體零件是是絕熱的，不考慮瞬態(tài)，默認(rèn)流體是水，流動(dòng)類型設(shè)置成層流和湍流，初始條件為一個(gè)大氣壓。

3．輸入數(shù)據(jù)

在使用“向?qū)А苯㈨?xiàng)目后，輸入數(shù)據(jù)。主要包括有以下幾種：計(jì)算域、流體子域、組件控制、邊界條件、移動(dòng)邊界條件、初始條件等。計(jì)算域：即需要計(jì)算的區(qū)域范圍。本水龍頭項(xiàng)目屬于外流分析，區(qū)域會(huì)自動(dòng)遠(yuǎn)離模型一段距離，域的設(shè)置要綜合考慮計(jì)算時(shí)間、計(jì)算精度等因素。如果遇到軸對(duì)稱或平面對(duì)稱的情況，計(jì)算域只取1/2或1/4。流體子域：當(dāng)既有內(nèi)流又有外流時(shí)，仿真項(xiàng)目需要定義流體子域。本項(xiàng)目只需要考慮管道里的水流動(dòng)及流出后的一定計(jì)算域，所以流體子域不用設(shè)置。組件控制：可禁用與仿真項(xiàng)目無(wú)關(guān)的手柄等零部件，用于細(xì)化網(wǎng)格。邊界條件：常用邊界條件包括：流動(dòng)進(jìn)口邊界，流動(dòng)出口邊界，給定壓力邊界，壁面邊界，對(duì)稱邊界，周期性（循環(huán)）邊界。

4．仿真分析結(jié)果

通過(guò)Flow simulation分析，可以得到水流的流動(dòng)軌跡，也可以渲染成動(dòng)畫。水流的流動(dòng)軌跡提供了一個(gè)非常好的3D流體流動(dòng)的圖像，可以用于測(cè)試水從水龍頭流出的形狀是否符合設(shè)計(jì)要求，水流落到水槽后濺起的水珠的軌跡可以測(cè)試出水流的速度和壓力是否符合設(shè)計(jì)規(guī)范。動(dòng)畫：各種切面圖和流動(dòng)軌跡都可以以動(dòng)畫的形式顯示，并可以保存為avi文件，可以很直觀地顯示出水流的狀況，從而反映出水龍頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否合理。[4]

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上對(duì)Flow simulation計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用，可以看出計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在水龍頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要性，把水龍頭流出的水流這一復(fù)雜的現(xiàn)象用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)模擬再現(xiàn)，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比與驗(yàn)證，從而達(dá)到用較短的時(shí)間找出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)還提高了產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約了產(chǎn)品的成本。[5]