基于CFD的虹吸式坐便器冲水过程数值模拟

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1、山东豪迈化工技术基于CFD的虹吸式坐便器冲水过程数值模拟刘庆荣，山东豪迈化工技术引言坐便器，俗称马桶，是人类历史上最伟大的发明之一。美国诗人弗罗斯特曾经说过：人的出生和死亡都在床上，但其余的时间都在马桶上思考。随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，社会总用水量将不断攀升,而在生活用水总量中,有20%为厕所用水,其中大部分为坐便器。因此开展坐便器的冲洗原理研究，设计节水型坐便器势在必行。设计冲洗性能优良的节水型坐便器，对我国的节水事业将是一个重大贡献。另一方面，日本马桶盖突然走红,在很大程度上对中国厂家敲响了警钟,值得我们深思。国外发达国家对于

2、坐便器产品的研究起步比中国早得多，在数值模拟方面，一些卫生洁具企业开始采用CFD研发坐便器新产品。例如世界著名的卫生洁具制造商美国“美标”(Americanstandard)公司推出的命名为“冠军”的坐便器系列产品，声称有世界上最好的排污系统，不仅冲水量少(6升)，排污性能好，而且无堵塞。据称，该产品的一个最重要的特色就是在开发过程中应用了CAD/CAE技术，在产品设计阶段采用了CFdesign来模拟坐便器冲水流动过程，产品结构得到优化的同时减少了开发周期。本文以某虹吸式坐便器为研究对象，运用CFD技术对虹吸式坐便器不带污物的冲水过程进行数值模

3、拟，研究虹吸式坐便器的冲洗原理，获取关键质点的速度场及整个坐便器压力场等参数，并根据模拟结果对坐便器内部结构进行优化。1.虹吸式坐便器的结构坐便器的三维模型存在复杂的曲面及特征，本文采用的计算模型是逆向设计的实体模型，通过Pro/E逆向造型，最大限度地保留了坐便器的真实形状。如图1所示，数值模拟的求解域为虹吸式坐便器的整个冲水区域，该求解域由水箱、坐圈、水包、排污管和内流道组成。图1计算模型及求解域2.坐便器的流场分析2.1控制方程及RNGκ−ε紊流模型虹吸式坐便器内流场喷射口流道、出水流道等处处都是弯道流动，在弯道中常伴随着强烈的二次流。为了

4、很好对流场中弯道流动特别是对虹吸出水管内流场进行模拟，文中计算时选择能反映流动各向异性的RNGk−ε模型。1山东豪迈化工技术连续方程：（1）动量方程：（2）紊流脉动动能方程(k方程)：（3）紊动能耗散率方程（4）RNGk−ε模型中5个系数之值是由理论分析给出的。RNGk−ε模型中各系数是:2.2VOF模型为了能够有效地求解坐便器冲洗过程中流场内的复杂自由液面，在RNGk−ε紊流模型中引入可用于分层流求解自由面的流体体积分数法。流体体积分数(VOF)模型由Hirt提出，它可用于研究几种互不相溶的流体之间的交界面位置。VOF模型涉及两相或多相流理论

5、，但是它引入的是单流体模型来解决问题，即水气两相流场中水和气服从同一组动量方程。与单相流相比，水和气的体积分数在整个流场中都作为单独变量且多一个体积分数（水或气的体积分数）变量。如果αw表示水的体积分数，则气的体积分数αa可表示为：αa=1−αw。只要流场中各处的水和气的体积分数都已知，所有其它水和气共有的未知量和特性参数都可用体积分数的加权平均值来表示。水气界面的跟踪通过求解连续方程来完成,可以得知自由水面的位置。2.3网格生成及计算方法坐便器流场计算区域较为复杂，本文采用分块结构化网格生成方法生成计算区域的三维贴体网格。分块结构化网格生成方

6、法首先根据计算区域空间特点按分块原则对复杂计算区域分成若干个区域，然后采用椭圆型微分方程方法生成单块三维贴体网格，最后利用连接技术将各子块网格连接在一起形成计算区域的整体三维网格。通过分块可将复杂的三维区域分解成一系列简单的三维子块，而在每个子块中可根据流场特性方便地采用不同的网格疏密布置。2.4求解算法采用SIMPLEC算法在建立压力－速度代数校正方程时考虑了相邻节点的影响。实际计算时为保证速度场和压力场的耦合并防止出现压力锯齿波现象，采用了交错网格。离散时用二阶中心差分离散扩散项和源项，用混合差分离散对流项。用交替方向隐式法(ADI)求解离

7、散后的线性方程组。2山东豪迈化工技术2.5边界条件(1)压力边界条件在SIMPLEC算法中，压力场的校正值p′在除了进口的整个计算域保持零梯度特征。对于所有将要计算的压力只需要在一个点上定义压力，压力的绝对数值没有意义，只有压力差是流场迭代的动力，在这种边界条件下，所有其他的流动属性都从内部推断。(2)固壁条件固体壁面上的速度分量采用无滑移边界，但因采用壁面函数法时，速度求解时又有一定的特殊处理。在近壁区域紊流具有边界层特性，RNGk−ε模型在壁面处受到限制，引用壁面函数法可解决这一问题。2.6计算结果及其分析（1）冲水过程流场分布a)水的初始

8、相位b）t=0.6秒c)t=1.4秒d)t=2.5秒e）t=3.5秒图2不同时刻水流分布云图水自水箱流出，一方面通过圈眼对水包内壁进行冲刷，一方面使水