虹吸流旋涡动力学机制与卫生洁具性能的关系研究

摘要

卫生洁具是现代建筑中室内配套不可缺少的组成部分，坐便器是其中结构最为复杂技术最高的卫生陶瓷产品之一。在这个既要满足功能要求，又要考虑节能、节水的新阶段，只凭手工技巧和经验很难再开发出性高、质优的洁具新产品。随着计算机技术的迅速发展，计算流体动力学为研究卫生洁具冲水过程、开发高冲洗性能的产品开辟了新途径。本文建立的虹吸式坐便器冲水流道的几何模型，及所创建的数值研究方法，对卫生洁具的数字化制造的关键环节具有重要的意义。本文的主要研究内容和成果有：
　　 本文以三维虹吸式坐便器模型为研究对象，建立了包括水箱、布水眼、水包、排污管的全流场的非稳态、多相流冲水模型，其中多相流包括空气相、液态水相和液态污物相。结合本科技专项(复杂陶瓷产品快速集成制造技术研究及示范基地建设，项目编号A1040201)之前的研究，确定了坐便器冲水过程的数值计算方法。
　　 通过数值计算，获得了普通式、喷射式、旋涡式三种冲水模式冲水过程的特征流场、多相状态分布及虹吸规律。以水流在水包壁面上的冲击速度和旋转速度反映坐便器的冲刷性能。借鉴虹吸旋涡现象结束后存水弯中残余污物相的百分比反映坐便器的输运性能，建立了虹吸式坐便器的冲洗性能的数值评价方法。采用改变布水眼倾斜角度来改变水箱水流入水包产生的旋涡强度，从而建立水流旋涡与坐便器冲洗性能的关系，提出了布水眼倾斜角度对坐便器排污管结构设计要求。
　　 本研究从虹吸现象与旋涡现象分析获得了有关冲洗性能、虹吸性能等的数值判剧及排污管结构的设计要求。在本文研究的基础上，数值模拟再结合更多的实验验证，不仅可以进一步完善判断坐便器冲水性能的数值判断依据和方法，还可以在坐便器结构优化设计中，作为高冲洗性能的设计理论和方法的重要参考依据。