我國是水資源十分短缺的國家，人均水資源僅占世界平均水平的四分之一。隨著人口增長、生活水平和城市化率的提高，人們對生活用水量急劇增加。其中，衛(wèi)生潔具用水占生活用水的40%，因此，開發(fā)、推廣和使用節(jié)水型坐便器是解決水資源缺乏的一種有效途徑。
目前，我國尚未像發(fā)達(dá)國家一樣強(qiáng)制執(zhí)行6升標(biāo)準(zhǔn)的不銹鋼水沖坐便沖水量，主要原因是我國陶瓷行業(yè)包括坐便器在內(nèi)的大多數(shù)衛(wèi)生潔具產(chǎn)品的開發(fā)、設(shè)計和生產(chǎn)過程，基本上還是采用傳統(tǒng)的手工制作模式，新產(chǎn)品的開發(fā)完全依賴于制作人員的手工技巧和經(jīng)驗(yàn)，難以開發(fā)出高品質(zhì)、節(jié)水型的坐便器。
隨著計算機(jī)和計算技術(shù)的迅速發(fā)展，蓬勃發(fā)展的計算流體動力學(xué)(CFD)為研究坐便器沖水過程、開發(fā)節(jié)水型坐便器產(chǎn)品開辟了新的途徑。應(yīng)用計算流體動力學(xué)，可以方便、直觀地了解坐便器沖水過程中的流場(速度場、壓力場等)的分布情況，分析不同產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、不同沖水量對坐便器的沖刷和排污性能的影響，為開發(fā)和設(shè)計高品質(zhì)、節(jié)水型坐便器產(chǎn)品提供依據(jù)，大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。因此，坐便器沖水過程數(shù)值模擬是改變坐便器產(chǎn)品開發(fā)落后現(xiàn)狀的關(guān)鍵，越來越得到人們的重視。
按照排污方式不同，不銹鋼坐便一般分為沖落式和虹吸式兩種。沖落式是由水向下的沖擊力將污物沖出便器，而虹吸式是水在便器中形成虹吸，靠虹吸產(chǎn)生的抽力將污物排出便器。本文以沖落式坐便器為研究對象，建立采用CFD軟件進(jìn)行沖落式坐便器沖水過程數(shù)值模擬的方法。同時，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測量，研究沖落式坐便器的沖水過程，并對試驗(yàn)測量結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，以驗(yàn)證數(shù)值模擬與實(shí)際的吻合程度。主要研究內(nèi)容包括：
(1)通過分析沖落式坐便器沖水過程的特點(diǎn)，確定其物理模型為帶自由表面的三維非穩(wěn)態(tài)多相藕合流，其中多相包括空氣相、水相和固體污物相，考慮到流固藕合問題的復(fù)雜性，本文提出了用不同粘度的流體等效代替固體污物，從而將坐便器沖水過程的多相藕合流動問題簡化為氣一液多相流問題。
(2)采用商用CFD軟件FLUENT中的多相流模型—VOF，建立了數(shù)值模擬沖落式坐便器帶自由表面的氣一液多相流的方法。首先，數(shù)值模擬了沖落式坐便器清水流動過程，即水箱水和水封水都是清水時的流動，該流動屬于氣一液兩相流問題。考察了動壓場、速度場、水包壁面流場沖刷范圍以及水箱沖水量等對沖落式坐便器沖刷和排污性能的影響；然后，在氣一液兩相流的基礎(chǔ)上，通過改變水封水的粘度，數(shù)值模擬了清水沖等效污物的流動過程，該流動屬于氣一液一液三相流問題。分析了不同等效污物粘度對沖落式坐便器排污性能的影響。
(3)根據(jù)靶式流量計的工作原理，自行設(shè)計了用于測量水包壁面流速的應(yīng)變片靶式流速計，對不銹鋼坐便器水包流速進(jìn)行測量，并將靶式流速計測量的速度曲線與數(shù)值模擬得到的速度曲線進(jìn)行對比，驗(yàn)證了清水流動數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。
(4)利用酸堿中和滴定法，測量溶解于水封水和等效污物中堿的濃度，以計算沖水后水封水和等效污物的殘余量，研究了不同沖水量、不同等效污物粘度對沖落式坐便器排污性能的影響，并與數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行了對比分析。
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