节水坐便器CFD仿真检测分析

节水坐便器CFD仿真检测分析

林文堂

林文堂

南安市质量计量检测所福建省泉州南安市362300

摘要：通过流体力学的研究，利用现代计算机仿真技术，采用CFD软件FLUENT对坐便器冲水过程进行气—液两相流分析，得出了坐便器冲水过程的水流范围分布、选定点水流速度变化、总压分布情况，用于分析坐便器的冲洗功能，在设计阶段即对坐便器的冲洗能力、质量进行分析，并对坐便器进行优化设计，从而提高坐便器的产品质量，提高坐便器的检验合格率。

关键词：坐便器；网格；CFD

引言

我国是坐便器消费大国，同时也是生产大国，调查显示卫生陶瓷年生产量已经过亿，成为世界卫生陶瓷生产第一大国。据统计，城市家庭的用水量有超过一半都消耗在卫生间，特别是消耗在坐便器上。发展节水型坐便器能够减少水的取用和不必要的排放，提高城市的合理用水水平。当前，我国坐便器的生产量稳居世界第一，但是在坐便器的开发方面，技术还相对落后，大多数企业产品的设计还是采用仿制，开发设计方面还是采用传统的手工制作工艺，开发的周期长，成本高，冲水量大，并且很难保证坐便器的冲水量达标，严重制约了行业的发展和企业的竞争力，又造成了水资源的大量浪费。因此采用新的计算机仿真技术，使用CFD软件对坐便器的冲水过程模拟研究，在此基础上进行节水型坐便器的科学研究，具有重大的现实和经济意义。

1.CFD软件介绍

CFD是所有计算流体力学的软件的简称。CFD是用来进行流场计算、流场分析、流场预测的软件。使用CFD软件，可以显示和分析发生在流场中的现象。在很短的时间内就能预测性能并通过修改各种参数来达到最佳设计效果。CFD软件结构由前处理、求解器、后处理组成。即前处理，计算和结果数据生成以及后处理。前处理通常需要生成计算模型所必需的数据，这一过程通常包括建模，数据录入（或从CAD中导入），生成网格等；做完前处理后，CFD的核心求解器将根据具体的模型，完成相应的计算任务，并生成结果数据；后处理过程一般是对生成的结果数据进行组织和诠释，以直观可视的图形形式输出。

CFD软件可用于求解很多种问题，例如非定常流动、层流、紊流、定常流动、不可压缩流动、可压缩流动、传热、化学反应等。对每一种物理问题的流动特点，都有适合它的数值解法，用户可对显式或隐式差分格式进行选择，以便在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳效果。目前比较常见的CFD软件有：FLUENT、PHOENICS、CFX、STAR-CD等，其中FLUENT是当前国际上最常用的CFD软件，本文采用的是FLUENT软件进行分析。

2.流体力学的控制方程

流体运动都要遵守物理守恒定律，这些物理守恒定律的数学描述称为控制方程，基本的控制方程包括：质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程，CFD就是在流动控制方程控制下对流动问题的数值模拟。下面列出本文所涉及到的控制方程：连续方程、雷诺平均方程以及标准的二方程湍流模型。

3.坐便器的冲水过程仿真

3.1几何建模

坐便器的形状构造比较复杂，其CAD模型存在复杂的特征和曲面，造型难度比较大。本文使用三维软件按照坐便器的实际形状尺寸，建立包含水箱、水包、水圈以及排污管道的几何模型，能够较真实、全面的反映坐便器的冲水通道，如图1。

3.2网格划分

网格是CFD软件的几何表达形式，模拟与分析的载体，模型合理的划分初始网格对于后面的求解过程和求解结果有重大的意义。本文综合考虑计算时间、计算精度及稳定性等因素，采用结构网格与非结构网格相结合的混合网格，如图2。具体采用分块划分网格的方法，以控制模型网格划分的疏密，在关键部位产生过少网格，在非关键部位又产生过多网格，影响软件计算效率和精度。

3.3坐便器模型仿真计算

坐便器模型采用的水箱长、宽、高尺寸为390mm×120mm×170mm，排污管道直径为70mm。初始时水箱中盛有5.4L水，弯管模拟实际情况充满水封水。

3.3.1水流范围分布

冲水过程中，水自坐便器水箱通过水圈口流出，并以一定的速度冲刷水包壁面，为了达到较好的效果，要求从水圈中冲出的水流，一部分对准污物，将污物冲出坐便器，另一部分应通过整个水包壁面，并将水包壁面冲洗干净。下图3显示冲洗3.7s后坐便器的水流分布，其中，深色代表水，浅色代表空气。通过冲水过程中不同时刻水流范围分布情况，可以看出哪些区域冲洗时间比较长，哪些区域冲洗时间较短或者根本没有冲洗到，从而判断坐便器模型不同位置的冲洗状况。

3.3.2总压分布

通过不同时刻坐便器模型冲洗表面的总压分布情况，可以看出冲洗过程的总压状况，从而判断坐便器各个位置的冲洗效果，如图4。

3.3.3水流速度

在坐便器模型冲洗表面设定3个比较有代表性的点，一个在水包前部壁面上的点b，一个在后部壁面的点c，一个在侧面上部的点d。通过选定位置的水流速度随时间变化来判断所在位置的冲洗效果，如图5。

（下转第411页）

4.总结

本文以简化的坐便器物理模型为基础，利用CFD商用软件FLUENT对坐便器模型的冲水过程进行了气—液两相流分析，考察了水包壁面流场冲刷范围、压力分布及速度场等，在设计阶段对坐便器的冲洗性能进行了预检测，为产品的结构优化提供了宝贵的依据。今后坐便器的开发和设计可以采用这种方式预先进行模拟检测分析，降低开发中样品冲水性能的测试次数及分析时间与成本，提高坐便器开发的效率和水平，提高坐便器的产品质量水平。

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