童 越 周宏志 李占福

(1 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院 天津 300222)

(2 福建理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 福州 350118)

在自然界中,虹吸是根據(jù)液體表面水平差產(chǎn)生的一種特別的力[1～2]。國(guó)內(nèi)大部分的衛(wèi)浴公司在設(shè)計(jì)虹吸管道的時(shí)候大部分都依靠仿制或傳統(tǒng)工藝,缺乏新技術(shù)優(yōu)化虹吸管道,不斷加劇中國(guó)水資源的匱乏。劉少春應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)對(duì)虹吸馬桶沖洗整個(gè)過(guò)程進(jìn)行了仿真研究,但是沒(méi)有進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)變化實(shí)驗(yàn)[3～4]。張榮譽(yù)通過(guò)改變水箱的水量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,參數(shù)單一且沒(méi)有充足的數(shù)據(jù)量[5]。李庚等對(duì)虹吸式馬桶進(jìn)行了負(fù)壓瞬時(shí)抽水的試驗(yàn),數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確,但結(jié)構(gòu)不夠簡(jiǎn)單[6]。虹吸管道的參數(shù)直接影響著坐便器沖洗的性能。

筆者希望通過(guò)實(shí)驗(yàn)的探究來(lái)優(yōu)化虹吸管道。以馬桶虹吸流道為基礎(chǔ)的試驗(yàn)研究,筆者定義并提取了綜合的沖洗性能指標(biāo),并對(duì)4個(gè)對(duì)虹吸力產(chǎn)生影響的因素及與清洗效果的關(guān)系進(jìn)行了分析,利用正交實(shí)驗(yàn)得到4個(gè)參數(shù)的顯著性主次關(guān)系,同時(shí)得到優(yōu)方案的參數(shù)組合,對(duì)虹吸管結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以改善其沖洗效果。

1 虹吸管道的參數(shù)與性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 虹吸管道的主要參數(shù)介紹

圖1是一種虹吸管道的構(gòu)造。其結(jié)構(gòu)由α、d1、H2、d2四個(gè)參數(shù)來(lái)表征,α表示虹吸管道一次水封的傾斜坡度,H1表示虹吸管道一次水封高度,d1為BC-E弧度變化的長(zhǎng),d2為E-F二次水封的高,H2度為E-F二次水封的寬。α、d1、L2、d2分別命名為傾斜坡度、曲率寬、二次水封寬、二次水封高。

圖1 虹吸管道的結(jié)構(gòu)圖

1.2 虹吸管道的沖洗性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)

本實(shí)驗(yàn)采用水沖小球來(lái)檢測(cè)馬桶的沖洗性能。在該研究中規(guī)定水的體積(V)為5.4 L,小球的體積是固定的,沖洗總個(gè)數(shù)為120個(gè)。

綜合沖洗性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)-比沖洗能力:指單位體積水量下虹吸管道的相對(duì)沖洗能力。其中相對(duì)沖洗能力指沖掉小球的體積與被沖小球的總體積的比值。

式中:H——比沖洗能力;n沖——被沖走的小球數(shù)目;

N總——總體的小球數(shù)目;V水——座便器水箱水量。

2 實(shí)驗(yàn)裝置的介紹

為了研究?jī)A斜角度、曲率寬度、曲率長(zhǎng)度、二次水封寬度及二次水封高度等,把虹吸管道放入2個(gè)用機(jī)玻璃板制成的透明平板內(nèi),在水平和豎直方向上各鉆有一定間隔(10 mm)的小孔,利用在螺桿上加一個(gè)圓筒形襯套的方法進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)整,并在此基礎(chǔ)上組裝試水臺(tái)(水量檢測(cè)平臺(tái)),如圖2所示。

圖2 可調(diào)參數(shù)的坐便器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖3 二次水封高與比沖洗能力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 虹吸管道參數(shù)與比沖洗能力的關(guān)系

筆者希望通過(guò)單因素試驗(yàn)法和正交試驗(yàn)法來(lái)篩選出最優(yōu)的一組實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

通過(guò)此組實(shí)驗(yàn)的比較可發(fā)現(xiàn),雖然對(duì)二次水封做的調(diào)整十分微小,但馬桶的沖洗性能改變非常多,由此可看出二次水封高度是一個(gè)重要的影響因素。在此試驗(yàn)中,明顯發(fā)現(xiàn):比沖洗能力與二次水封高度的關(guān)系近似線性函數(shù),隨著二次水封高度的增加,比沖洗能力減少,但是當(dāng)水封高度為0時(shí),二次水封目的失效,所以選擇二次水封能力的高度10 mm 作為最佳參數(shù)。雖然降低二次水封的高度能有很大的效果,但當(dāng)二次水封高度降到10 mm 以下時(shí)較難完成較為有用的二次水封。

3.1 二次水封寬對(duì)沖洗性能的影響

當(dāng)二次水封過(guò)寬時(shí),會(huì)導(dǎo)致沖洗小球所需能量較大。從圖4中可以看出,當(dāng)水封寬大于80 mm 后沖走的小球減少。當(dāng)二次水封寬小于80 mm 時(shí),沖洗過(guò)程因?yàn)樾谐踢^(guò)短,致使小球在二次水封處發(fā)生堵塞,沖洗能量損失較大;當(dāng)水封寬大于60 mm 時(shí),堵塞較為嚴(yán)重,一次水封處也發(fā)成小球堆積現(xiàn)象,沖洗能力明顯降;當(dāng)水封寬增大到70 mm 時(shí),堵塞現(xiàn)象明顯減少,并 在水封寬為80 mm 時(shí),比沖洗能力為最大值。

表1 二次水封高度的實(shí)驗(yàn)設(shè)置

表2 二次水封寬度的實(shí)驗(yàn)設(shè)置

圖4 二次水封寬與比沖洗能力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2 曲率寬對(duì)沖水性能的影響

當(dāng)曲率寬度過(guò)小時(shí)會(huì)造成豎直沖洗過(guò)程太短,勢(shì)能積攢不足而造成一定堵塞,雖然有效減少了第一次沖水消耗的能量,但同時(shí)也使第一次沖水末尾攜帶能量較少的水殘留,第二次沖水能量又較小,因此容易造成較嚴(yán)重的堵塞。同時(shí)從圖5可以看出在曲率寬大約為50 mm 的時(shí)具備最大的比沖洗能力。

圖5 曲率寬與比沖洗能力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3 傾斜坡度對(duì)沖水性能的影響

從本組實(shí)驗(yàn)來(lái)看,一次水封的傾斜坡度對(duì)沖洗性能的影響也較大。分析原因發(fā)現(xiàn):傾斜坡度過(guò)小會(huì)導(dǎo)致水沖小球時(shí),在通過(guò)一次水封時(shí)運(yùn)動(dòng)路程較長(zhǎng),消耗多余的能量。當(dāng)坡度過(guò)大時(shí),第一次沖水的效果會(huì)大打折扣且造成一定堵塞,再進(jìn)行第二次沖水時(shí)便毫無(wú)效果。從圖6可以看出當(dāng)傾斜坡度為45°時(shí),比沖洗能力達(dá)到最大,同時(shí)當(dāng)傾斜坡度增大時(shí),比沖洗能力明顯降低。

圖6 傾斜坡度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 虹吸管道沖洗性能參數(shù)尋優(yōu)

4.1 設(shè)置正交試驗(yàn)表

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步分析得出各個(gè)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)影響的重要程度,劃分出主次因素.A 為曲率寬,B 為傾斜坡度,C為二次水封寬,D為二次水封高。表5中,L9(34)為正交表的記號(hào),正交的符號(hào)可表示為L(zhǎng)n(rm),其中L 為正交代號(hào),n表示正交表行數(shù),r表示因素水平位置,m 為正交表縱列數(shù)。

表3 曲率寬的實(shí)驗(yàn)設(shè)置

表4 傾斜坡度的實(shí)驗(yàn)設(shè)置

表5 正交表L 9(3 4)

4.2 優(yōu)方案的確定

優(yōu)化方案是指在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)找到各因素的最佳組合水平。最佳水平的確定取決于實(shí)驗(yàn)指標(biāo)。當(dāng)指標(biāo)越高越好時(shí),應(yīng)選擇使指標(biāo)最大化的水平,即各列Ki中最大值所對(duì)應(yīng)的水平。相反,當(dāng)指標(biāo)越低越好時(shí),應(yīng)選擇使指標(biāo)最小化的水平。Ki:表中某一列的水平編號(hào)為i(在表5中i的取值為1、2或3)時(shí),計(jì)算該列實(shí)驗(yàn)結(jié)果的總和。

R:在每一列中,將R=Max{K1,K2,K3}-Min{K1,K2,K3}定義為極差,極差最大的一列即為對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生最大影響的因素水平,也是主要因素。

根據(jù)表6設(shè)計(jì)的正交表所計(jì)算出的極差,可直觀地看出二次水封高在這次實(shí)驗(yàn)中為主要因素。二次水封寬與傾斜坡度這2個(gè)因素對(duì)于實(shí)驗(yàn)也有較大影響,曲率寬對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響較小。

表6 正交實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)置

影響因素的主次關(guān)系為D＞C＞B＞A,A 因素列:K2＞K1=K3;B因素列:K1＞K2＞K3;C因素列:K3＞K2＞K1;D 因素列:K1＞K2＞K3,所以優(yōu)方案為:K2,K1,K3,K1,即曲率寬度50 mm,傾斜坡度36°,二次水封寬為90 mm,二次水封高為10 mm。

圖7為優(yōu)化后的管道形狀,為進(jìn)一步驗(yàn)證正交試驗(yàn)所得結(jié)果的可靠性,根據(jù)上表7選擇出來(lái)的4個(gè)因素的最優(yōu)數(shù)據(jù),計(jì)算比沖洗能力后發(fā)現(xiàn)通過(guò)正交試驗(yàn)得出的優(yōu)化數(shù)據(jù)而得到的結(jié)果確實(shí)為上述所有實(shí)驗(yàn)中效果最好的一組。

表7 優(yōu)化方案的實(shí)驗(yàn)設(shè)置

圖7 優(yōu)化后的管道形狀圖

4.3 響應(yīng)面分析

通過(guò)各因素對(duì)變量的影響得出其顯著性,同時(shí)還可以根據(jù)多因素之間的交互作用對(duì)對(duì)個(gè)變量進(jìn)行分析,從而進(jìn)行響應(yīng)曲面優(yōu)化。對(duì)傾斜坡度(B)、二次水封寬(C)、二次水封高(D)3個(gè)影響比較大的因素對(duì)虹吸管道的比沖洗能力進(jìn)行響應(yīng)面分析。

表8為回歸模型方差分析,通過(guò)方差分析,發(fā)現(xiàn)自變量B、C的系數(shù)均顯著不為0,說(shuō)明二次水封寬度和二次水封高度兩個(gè)因素對(duì)比沖洗能力的解釋程度較高,對(duì)比沖洗能力的變化具有更高的影響。而傾斜坡度對(duì)比沖洗能力的變化影響較小。分析結(jié)果顯示,F統(tǒng)計(jì)量的值較大,表明模型的擬合程度較為良好。決定系數(shù)R2=0.9863,說(shuō)明實(shí)際值和預(yù)測(cè)值之間具有較高的相關(guān)性。

表8 回歸模型方差分析

續(xù)表8

圖8為各個(gè)因素對(duì)比沖洗能力的交互作用,可以看出,各個(gè)因素之間的交互作用對(duì)虹吸管道比沖洗能力的影響并不完全一樣。圖a中可以看出,比沖洗能力與傾斜坡度和二次水封寬度呈現(xiàn)凸函數(shù)關(guān)系,傾斜坡度一定時(shí),隨著二次水封寬度的增加,比沖洗能力先增大后減小;當(dāng)二次水封寬度一定時(shí),隨著傾斜坡度的增大,比沖洗能力先增大后減小;在二次水封寬度為60～80 mm 時(shí),比沖洗能力敏感程度較高。圖b中可以看出,傾斜坡度與二次水封高度對(duì)比沖洗能力的交互作用比較復(fù)雜,傾斜坡度在26°～35°和二次水封高度在25～40 mm 范圍內(nèi),比沖洗能力變化較為劇烈。圖c中可以看出,二次水封寬度與二次水封高度之間存在明顯的交互作用,在二次水封寬度為60～80 mm范圍內(nèi),比沖洗能力變化較為劇烈。

圖8 各個(gè)因素對(duì)比沖洗能力的交互作用

5 結(jié)語(yǔ)

本次研究以優(yōu)化虹吸管道從而達(dá)到節(jié)水效果為目的,展開(kāi)實(shí)驗(yàn)研究。筆者引入比沖洗能力這個(gè)概念用以判斷馬桶的沖洗效果。首先采用單因素試驗(yàn)方法確定較為準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)參數(shù),進(jìn)而采用正交試驗(yàn)方法確定主次因素(D為二次水封高＞C為二