后沖式坐便器流道系統(tǒng)概述
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論文導(dǎo)讀:：節(jié)水型坐便器是生活節(jié)水技術(shù)及器具研究的重要對象。傳統(tǒng)的坐便器噴射口置于盆腔的前方，水流繞行的存在導(dǎo)致大量的沿程損失，影響了坐便器的沖洗性能�；诤缥a(chǎn)生原理的分析，設(shè)計(jì)了一種新型后沖式坐便器沖洗流道，并采用經(jīng)典流體力學(xué)理論與計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）仿真相結(jié)合的方法，采用重正化群（RNG）湍流模型分別建立了前沖式坐便器流道系統(tǒng)和后沖式坐便器流道系統(tǒng)的仿真模型。結(jié)果表明，新型后沖式坐便器沖洗流道系統(tǒng)具有更優(yōu)的沖洗性能。
論文關(guān)鍵詞：后沖式坐便器，流道系統(tǒng)，虹吸，計(jì)算流體力學(xué)
1 引言
坐便器是廣泛使用的衛(wèi)生器具。由于便器用水約占居民日常用水的50%[1]，節(jié)水便器的研究得到了廣泛的關(guān)注，如學(xué)界研究認(rèn)為坐便器優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展是節(jié)水衛(wèi)生系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵[2]，《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》更明確了加強(qiáng)生活節(jié)水技術(shù)及器具開發(fā)是國家重點(diǎn)研究領(lǐng)域及優(yōu)選主題等。公眾、學(xué)界的關(guān)注和國家政策的導(dǎo)向，成為促進(jìn)坐便器節(jié)水減污技術(shù)研究的動力。
目前，提高坐便器沖水性能的方法主要是通過附加裝置為水流加壓，這些改進(jìn)雖然有一定效果，然而通常會增加產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的重要性和成本，降低產(chǎn)品使用的可靠性。國內(nèi)有關(guān)坐便器的研究比較少，已有研究也是集中在生產(chǎn)工藝及相對簡單的流體力學(xué)理論的探討上[3-4] ，現(xiàn)有的針對坐便器性能和節(jié)水目標(biāo)的相關(guān)研究有如下幾點(diǎn)明顯差距: 1) 沒有充分利用發(fā)展迅速的計(jì)算機(jī)仿真、優(yōu)化設(shè)計(jì)等先進(jìn)的數(shù)字化設(shè)計(jì)理論與方法進(jìn)行產(chǎn)品的研發(fā)。2) 沒有從虹吸產(chǎn)生和坐便器工作的基本原理出發(fā),對坐便器沖水過程進(jìn)行有針對性的研究。3）產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新少，僅僅局限于局部修改，總體效果不好。本文從虹吸產(chǎn)生和坐便器工作的流體力學(xué)原理出發(fā)，采用理論分析與計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）相結(jié)合的方法，研究了一款作者設(shè)計(jì)的新型噴射虹吸式坐便器的沖洗性能，使其在滿足國家測試標(biāo)準(zhǔn)的前提下，更加節(jié)約用水。
2 虹吸與虹吸式坐便器工作原理
虹吸是一種常見流體力學(xué)現(xiàn)象，即液體在表面壓強(qiáng)（通常為大氣壓強(qiáng)）作用下升高到曲管最高點(diǎn)虹吸，而后在重力作用下流到比原來液面更低的地方。即先在連接管中創(chuàng)造一個低壓環(huán)境，利用管內(nèi)的氣壓與高位液體液面的大氣壓的氣壓差，將液體導(dǎo)入到連接管中，待液體通過連接管的最高點(diǎn)后，在重力的作用下，高位液體持續(xù)流入低位液體容器，直到高、低位液體的水平高度相同，液體停止流動。
虹吸式坐便器的一般工作過程是：利用蓄水箱與坐便器本體的壓力差，將水的勢能轉(zhuǎn)化為動能，在虹吸管道中產(chǎn)生虹吸，將坐便器中的污物和水從排污管道中排出。
圖1 前沖式噴射虹吸式坐便器剖面圖
如圖1所示，A是水封面上的一點(diǎn)，B為管道排污口上一點(diǎn)，C為虹吸管道進(jìn)水口上一點(diǎn)，D為管道最高點(diǎn)，E為管道水封控制點(diǎn)中國論文下載中心。
在勢能的作用下，水流經(jīng)水箱和沖水管道而下，一方面排出原存在于沖洗管道中的空氣，另一方面經(jīng)由噴射口噴涌而出，當(dāng)虹吸管道內(nèi)出現(xiàn)封閉水柱或局部滿管流時，CD段的水能快速的流向DB段，形成虹吸現(xiàn)象，此時E點(diǎn)處的壓力低于大氣壓力，這種現(xiàn)象稱之為虹吸負(fù)壓。這種由前部向后部沖水的坐便器稱為前沖式坐便器。
由上述分析可知，壓強(qiáng)是產(chǎn)生虹吸的重要條件，與沖洗效果密切相關(guān)[5]，由文獻(xiàn)研究、仿真以及實(shí)驗(yàn)得知，坐便器的節(jié)水效果和沖洗效果的好壞主要取決于能否較早地產(chǎn)生強(qiáng)有力的虹吸負(fù)壓[6]。針對坐便器虹吸過程是非穩(wěn)態(tài)流動這一特征，且DE面為虹吸產(chǎn)生的關(guān)鍵截面，故本文用DE截面負(fù)壓的累積效應(yīng)對虹吸的非穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行分析，并以累積負(fù)壓大小和產(chǎn)生虹吸的時間作為坐便器流動性能優(yōu)劣的判斷依據(jù)。
3 后沖式坐便器的提出
坐便器利用水箱和排污口的高度差，以及沖洗流道系統(tǒng)將水的勢能轉(zhuǎn)化為動能。由于水具有黏性、流道壁面粗糙會產(chǎn)生摩擦阻力，以及流道幾何特性（如彎頭）對流動產(chǎn)生的影響等，這些可以統(tǒng)稱為沿程損失。將坐便器沖洗流體的沿程損失分為兩大類：摩擦阻力損失和局部阻力損失[7]，我們可以從這兩類阻力損失的分析中尋找優(yōu)化坐便器沖洗流道結(jié)構(gòu)的方法。
摩擦阻力損失是水與壁面摩擦而產(chǎn)生的阻力損失。用下式計(jì)算：
，
式中：
為摩擦阻力損失虹吸，單位為Pa；
為液體動壓，單位為Pa，其中，
，
為水的密度，
為管內(nèi)流體的流速；
為管道長度，單位為m；
為橫截面的等效直徑，單位為m，其中，
，
為橫截面的面積，單位為
，
為橫截面的周長，單位為m；
為摩擦阻力系數(shù)。可知當(dāng)d和一定時，越小，越小，由此可通過減小來減小摩擦阻力損失，即在坐便器流道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時減小流體所流過的距離。
當(dāng)固體邊界（流道形狀）急劇變化時，液體內(nèi)部的速度發(fā)生急劇的變化。如流道的轉(zhuǎn)彎、收縮、擴(kuò)大或流體經(jīng)閘閥等局部障礙的地方。在很短的距離內(nèi)，流體為了克服由邊界發(fā)生劇變而引起局部阻力將損失自身的機(jī)械能，即產(chǎn)生了局部損失[8]。
局部損失可表示為：
，式中：為流體速度，m/s ；
為局部阻力系數(shù)，其值主要取決于產(chǎn)生局部損失裝置的幾何特性，對于坐便器的送水管道為彎管的局部損失系數(shù)，隨著彎管中心線的曲率半徑與管徑的比值而變化，并隨著比值的增大而變小[9]，也就是說對于管徑一定的管道，曲率半徑越大，局部損失系數(shù)越小。
注意到現(xiàn)有的噴射虹吸式坐便器，其噴射口都設(shè)置于盆腔前方，水箱全部水流的約70%經(jīng)盆面夾層或沖水管道繞行到噴射口，其余約30%經(jīng)由盆圈下部的一系列小孔流出，沖洗盆面后向虹吸管入水口匯合。顯然，水流繞行的存在大大增加了其流經(jīng)的距離，幾乎是180°急劇的流向改變（見圖2）虹吸，要求沖水管噴射口前部區(qū)域的曲率半徑變得很小，增加了沖洗水流的沿程損失，減少了噴射水流的動能，使坐便器沖洗性能降低。
針對以上問題，本文設(shè)計(jì)的新型坐便器噴射口置于盆面后方，虹吸管道相對地置于盆面前方，主要水流從水箱流出后由噴射口從后向前沖，我們稱采用此種流道布置的坐便器為后沖式坐便器（如圖2所示）。從直觀上看，后沖式坐便器流道既縮短了沖洗流程長度，又避免了繞流導(dǎo)致的水流方向的急劇改變和流道曲率半徑的大幅變小。根據(jù)前面的分析，可以預(yù)測后沖式坐便器應(yīng)當(dāng)可以明顯降低沿程損失，提高坐便器沖洗性能。由于坐便器沖洗流道結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、形狀不規(guī)則，很難用工程流體力學(xué)的解析方法直接描述坐便器的內(nèi)部流場情況。為了驗(yàn)證上述預(yù)測的正確性，本文通過計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）仿真的方法進(jìn)行對比分析。
圖2 后沖式坐便器剖面圖
4 CFD計(jì)算模型和邊界條件
坐便器沖洗過程為一個不可壓縮的、非穩(wěn)態(tài)的、湍流流動，內(nèi)部流道中流體流動具有很高的流線曲率變化。而重整化群（Renormalization Group，RNG）k-ε雙方程模型可模擬仿真非穩(wěn)態(tài)的湍流流動過程，尤其在大曲率、旋渦的流動過程仿真中能提供更準(zhǔn)確的結(jié)果[10-11]。故本文采用RNG k–ε（re-normalization group k–ε）湍流模型求解坐便器內(nèi)流體連續(xù)流動過程中國論文下載中心。
坐便器幾何模型需要被劃分為若干個網(wǎng)格區(qū)域，以滿足計(jì)算的需求。對坐便器虹吸性能影響最大的虹吸管的內(nèi)部水流速度及壓強(qiáng)梯度遠(yuǎn)大于其它區(qū)域，故在虹吸管區(qū)域增大了網(wǎng)格密度，以保證計(jì)算精度。坐便器水箱上端、盆面表面設(shè)置為壓力進(jìn)口，虹吸管出水口設(shè)置為壓力出口條件。在固壁邊界，設(shè)置無滑表面條件和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。
為了求解壓力速度耦合方程，使用基于有限體積法的SIMPLEC算法，仿真過程使用商業(yè)軟件FLUENT。為了保證研究的可比性，建立的后沖式流道計(jì)算模型與前沖式的相比，除了噴射口與虹吸管道方位相反以外，其他結(jié)構(gòu)尺寸均未變化。盆面曲面由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，上沿造型略有改動（請比較圖1和圖2），對流動特性影響很小，可以忽略。
5 仿真結(jié)果及分析
利用本文建立的模型，計(jì)算得出兩種坐便器噴射口和DE面的速度、質(zhì)量流量、壓強(qiáng)隨時間變化的曲線，并將兩者的結(jié)果進(jìn)行對比，如圖3～8所示。
圖3 DE面處速度-時間曲線
圖4 噴射口處速度-時間曲線
圖5 DE面處質(zhì)量流量-時間曲線
圖6噴射口處質(zhì)量流量-時間曲線
圖7 DE面處壓強(qiáng)-時間曲線
圖8 噴射口處壓強(qiáng)-時間曲線
從圖3～圖8可以看出：在工作階段（0s～3.5s）,后沖式坐便器質(zhì)量流量大部分時間中都比同一時段的前沖式對應(yīng)參數(shù)要大，針對坐便器虹吸過程是非穩(wěn)態(tài)流動這一特征，本文用工作階段虹吸管DE截面質(zhì)量流量m(t)對流動時間t進(jìn)行積分，得到累積質(zhì)量M虹吸，后沖式的累積值（6.15818）較前沖式的累計(jì)值（5.5923）大10%，且后沖式坐便器最大速度、最大質(zhì)量流量、最大負(fù)壓發(fā)生時間均較前沖式有所提前，分別約提前了12.5%、13.1%、13.8%，同時，后沖式坐便器虹吸穩(wěn)定階段的持續(xù)時間同樣有所延長，后沖式為1s，前沖式為0.85s，延長了17.6%，在MATLAB中對虹吸發(fā)生面處壓強(qiáng)-時間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到后沖式累積負(fù)壓P1＝－2765.52Pa，而前沖式累積負(fù)壓P2＝－2335.36Pa，提高了18.4%。綜上所述，后沖式坐便器流道沖洗性能較前沖式好。
6 結(jié)論
本文從虹吸原理出發(fā)，分析了坐便器工作原理，以及對沖洗性能具有關(guān)鍵影響的沖洗流道沿程損失因素，設(shè)計(jì)了新型后沖式坐便器流道系統(tǒng)。建立了后沖式坐便器流道仿真模型并與對應(yīng)的前沖式坐便器仿真模型進(jìn)行比較研究。結(jié)果表明，沖洗過程中前者在關(guān)鍵截面的最大速度、最大質(zhì)量流量、最大負(fù)壓發(fā)生時間均優(yōu)于后者分別約12.5%、13.1%、13.8%，虹吸持續(xù)時間延長了17.6%，工作累計(jì)負(fù)壓提高了18.4%，說明后沖式坐便器在沖洗性能方面具有更好的表現(xiàn)。
參考文獻(xiàn):
[1]全國建筑衛(wèi)生陶瓷標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.建筑衛(wèi)生陶瓷標(biāo)準(zhǔn)化助推“節(jié)水革命”[J]. 世界信息標(biāo)準(zhǔn), 2006, 9: 112-113.
[2]Otterpohl R, Grottker M,Lange J. Sustainable water and waste management in urban areas[J]. WaterScience and Technology, 1997, 35(9): 121-133.
[3]尤明慶,陳小敏.實(shí)現(xiàn)虹吸過程的條件[J]. 焦作工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2003, 22(6): 487-489.
[4]趙君健.虹吸坐便器管道結(jié)構(gòu)的分析及改進(jìn)措施.河北陶瓷，1997,25（2）：42～43.
[5]李睿.漢密爾頓坐便器新產(chǎn)品的研制.佛山陶瓷，2004,14（6）：22～24.
[6]李珍珠，基于ANN-GA的虹吸管道優(yōu)化設(shè)計(jì): [湖南大學(xué)碩士畢業(yè)論文]. 長沙: 湖南大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院. 2007, 12.
[7]李靜波，擴(kuò)張室消聲器在座便器噪聲控制中的應(yīng)用研究:[湖南大學(xué)碩士畢業(yè)論文].長沙:湖南大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院.2007,21.
[8]姜興華，禹華謙，陳春光等.流體力學(xué).成都：西南交通大學(xué)出版社，1999，66-88.
[9]孫文策.工程流體力學(xué).大連：大連理工大學(xué)出版社，2000，144-145.
[10]Yakhot V, Orszag S A. Renormalizationgroup analysis of turbulence[J]. Journal of Science Computing, 1986, 1(1): 3-51.
[11]Wilcox David C. Turbulencemodeling for CFD[M]. U.S.A: DCW Industries Inc, 2000, 189-192.
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