南皮 县普森金属制品有限责任公司

我国是水资源十分短缺的国家，人均水资源仅占世界平均水平的四分之一。随着人口增长、生活水平和城市化率的提高，人们对生活用水量急剧增加。其中，卫生洁具用水占生活用水的40%，因此，开发、推广和使用节水型坐便器是解决水资源缺乏的一种有效途径。
目前，我国尚未像发达国家一样强制执行6升标准的不锈钢水冲坐便冲水量，主要原因是我国陶瓷行业包括坐便器在内的大多数卫生洁具产品的开发、设计和生产过程，基本上还是采用传统的手工制作模式，新产品的开发完全依赖于制作人员的手工技巧和经验，难以开发出高品质、节水型的坐便器。
随着计算机和计算技术的迅速发展，蓬勃发展的计算流体动力学(CFD)为研究坐便器冲水过程、开发节水型坐便器产品开辟了新的途径。应用计算流体动力学，可以方便、直观地了解坐便器冲水过程中的流场(速度场、压力场等)的分布情况，分析不同产品结构、不同冲水量对坐便器的冲刷和排污性能的影响，为开发和设计高品质、节水型坐便器产品提供依据，大大缩短产品开发周期，降低开发成本。因此，坐便器冲水过程数值模拟是改变坐便器产品开发落后现状的关键，越来越得到人们的重视。
按照排污方式不同，不锈钢坐便一般分为冲落式和虹吸式两种。冲落式是由水向下的冲击力将污物冲出便器，而虹吸式是水在便器中形成虹吸，靠虹吸产生的抽力将污物排出便器。本文以冲落式坐便器为研究对象，建立采用CFD软件进行冲落式坐便器冲水过程数值模拟的方法。同时，结合实验测量，研究冲落式坐便器的冲水过程，并对试验测量结果与数值计算结果进行对比分析，以验证数值模拟与实际的吻合程度。主要研究内容包括：
(1)通过分析冲落式坐便器冲水过程的特点，确定其物理模型为带自由表面的三维非稳态多相藕合流，其中多相包括空气相、水相和固体污物相，考虑到流固藕合问题的复杂性，本文提出了用不同粘度的流体等效代替固体污物，从而将坐便器冲水过程的多相藕合流动问题简化为气一液多相流问题。
(2)采用商用CFD软件FLUENT中的多相流模型—VOF，建立了数值模拟冲落式坐便器带自由表面的气一液多相流的方法。首先，数值模拟了冲落式坐便器清水流动过程，即水箱水和水封水都是清水时的流动，该流动属于气一液两相流问题。考察了动压场、速度场、水包壁面流场冲刷范围以及水箱冲水量等对冲落式坐便器冲刷和排污性能的影响；然后，在气一液两相流的基础上，通过改变水封水的粘度，数值模拟了清水冲等效污物的流动过程，该流动属于气一液一液三相流问题。分析了不同等效污物粘度对冲落式坐便器排污性能的影响。
(3)根据靶式流量计的工作原理，自行设计了用于测量水包壁面流速的应变片靶式流速计，对不锈钢坐便器水包流速进行测量，并将靶式流速计测量的速度曲线与数值模拟得到的速度曲线进行对比，验证了清水流动数值模拟的准确性。
(4)利用酸碱中和滴定法，测量溶解于水封水和等效污物中碱的浓度，以计算冲水后水封水和等效污物的残余量，研究了不同冲水量、不同等效污物粘度对冲落式坐便器排污性能的影响，并与数值计算结果进行了对比分析。
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