（材料加工工程专业论文）虹吸流旋涡动力学机制与卫生洁具性能的关系研究.pdf

摘要 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a 1 0 4 0 2 0 1 ) 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。 关键词：坐便器；虹吸；旋涡；冲水模式；布水眼；多相流 广东工业大学硕士学住论文 a b s t r a c t s a n i t a r yw a r ei sa ni n d i s p e n s a b l ep a r to f m o d e r na r c h i t e c t u r ei nt h ei n d o o r , a n dt h e t o i l e tp a ni st h em o s tc o m p l e xs t r u c t u r ea n dh i g h - t e c hc e r a m i cs a n i t a r yw a r e i nt h i sn e w e r a ，t h es a n i t a r yw a r ei sn o to n l yn e c e s s a r yt om e e tu s e r sf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，b u t a l s ot a k es a v i n ge n e r g ya n dw a t e ri n t oa c c o u n t i ti sd i f f i c u l tt od e v e l o pah i g hq u a l i t yo f n e wp r o d u c t sj u s tb yh a n ds k i l l sa n de x p e r i e n c e w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f c o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h ec o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sh a v eo p e n e du pt h en e w a v e n u e s f o rs t u d yo ff l u s h i n gp r o c e s sa n dh i g hf l u s h i n gp e r f o r m a n c ep r o d u c t s t h ef l o wm o d e lo f t h et o i l e tp a n ，t h er e s e a r c hm e t h o d sa n dt h en u m e r i c a la n a l y s i se s t a b l i s h e di nt h i sp a p e r h a v eg r e a ts i g n i f i c a n c ei nt h ek e yp a r to fd i g i t a lm a n u f a c t u r i n go fs a n i t a r yw a r e t h e m a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s u l t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： t h e3 dm o d e lo fs i p h o nt o i l e tp a ni st h er e s e a r c ho b j e c ti nt h i sp a p e r t h ef l u s h i n g p r o c e s so fu n s t e a d ym u l t i p h a s em o d e li n c l u d i n gw h o l ef l o wf i e l do ft o i l e tp a n h a sb e e n e s t a b l i s h e di nt h i sp a p e r t h em u l t i p h a s ei n c l u d e sa i r ( g a sp h a s e ) ，w a t e r ( 1 i q u i dp h a s e ) ， a n ds e w a g e ( 1 i q u i dp h a s e ) w i t ht h ep r e v i o u ss t u d i e so ft h i ss c i e n c ea n dt e c h n o l o g y p r o je c t s ，t h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o do ft o i l e tp a nf l u s h i n gp r o c e s sh a v eb e e n i d e n t i f i e d t h ef l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i c s ，t h es t a t ed i s t r i b u t i o na n ds i p h o nl a wc u r v eo f d i f f e r e n tf l u s h i n gm o d eh a v eb e e no b t a i n e db yn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n s t h r o u g ht h e i m p a c tv e l o c i t ya n dr o t a t i o n a ls p e e do ft h es i p h o nv o r t e xf l o wo nt h ew a l lo fw a t e rb o w l t or e f l e c tt h ew a s hc a p a b i l i t y a n db yt h ep e r c e n t a g eo fr e s i d u a ls e w a g ea f t e rt h es i p h o n v o r t e xp h e n o m e n o nt or e f l e c tt h et r a n s p o r t a t i o nc a p a b i l i t y t h en u m e r i c a le v a l u a t i o n m e t h o do fs i p h o np a nf l u s h i n gp e r f o r m a n c eh a v e b e e ne s t a b l i s h e d b yc h a n g i n gt h e w a t e ro u t l e tt i l ta n g l et oc h a n g et h ev o r t e xs t r e n g t ho fw a t e rf l o wi n t ot h ew a t e rb o w l ， t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nw a t e rv o r t e xa n dw a s h i n gp e r f o r m a n c eo ft o i l e tp a nh a v eb e e n g a i n e d 。t h ew a t e rh o l et i l ta n g l eo nt h et o i l e tp a n o u t f a l ls t r u c t u r ed e s i g nr e q u i r e m e n t s h a v eb e e np r o p o s e d t h i ss t u d yf r o mt h es i p h o na n dv o r t e xp h e n o m e n o ni nf l u s h i n gp r o c e s st oo b t a i n w a s h i n gp e r f o r m a n c e ， s i p h o np e r f o r m a n c ea n dt h ed r a i n a g e p i p es t r u c t u r ed e s i g n i l a b 蛐1 c t r e q u i r e m e n t s o nt h eb a s i so ft h i ss t u d y , t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nc o m b i n e dw i t hm o r e e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n ，t h en u m e r i c a lm e t h o d sa n dv a l u ej u d g m e n t so ft o i l e tp a n f l u s h i n gp e r f o r m a n c ec o u l db ef u r t h e ri m p r o v e d a n di ti sai m p o r t a n tr e f e r e n c eo f d e s i g nt h e o r y a n d m e t h o d o l o g yf o rt o i l e tp a ns t r u c t u r ed e s i g no fh i g hf l u s h i n g p e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：t o i l e tp a n ；s i p h o n ；v o r t e x ；f l u s hm o d e ；w a t e ro u t l e t ；m u l t i p h a s ef l o w i l l c o n 阿i 1 、s c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i i c o n t e n t s ( c h i n e s e ) i v c o n t e n t s ( e n g l i s h ) ：v i i c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 1 1 1p r o j e c to r i g i na n ds i g n i f i c a n c e s 1 1 2c u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o n sh o m ea n da b r o a di nt h ea r e a 2 1 2 1c u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o n so fs a n i t a r yw a r e 2 1 2 2c u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o n so fv o r t e x 4 1 3s u b l j e c ts o u r c e 4 1 4m a i nr e s e a r c hc o n t e n t s 5 1 4 1d i f f e r e n tf l u s hm o d er e s e a r c ho fs i p h o nt o i l e tp a n 5 1 4 2r e l a t i o nb e t w e e nv o r t e xf l o wa n ds a n i t a r yw a r ep e r f o r m a n c e 5 c h a p t e r2 r e l e v a n tt h e o r i e sf o rs i m u l a t i o no ff l u s hp r o c e s s 6 2 1s u m m a r i z a t i o no ff l u i dm e c h a n i c s 6 2 1 1t h ed e v e l o p m e n to ff l u i dm e c h a n i c s 6 2 1 2a n a l y s i so ff l u i dm o t i o n 。6 2 2s u m m a r i z a t i o no fv o r t e xd y n a m i c s 9 2 2 1t h ed e v e l o p m e n to fv o r t e xd y n a m i c s 9 2 2 2t h eb a s i cc o n c e p to fv o r t e xm o t i o n 9 2 3v o r t e xd y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c s 12 2 3 1v o r t e xd y n a m i c se q u a t i o n 1 2 2 3 2v o r t e xe n s t r o p h y 1 3 2 3 3h e l i c i t y 1 3 2 3 4g e n e r a t i o na n dd i f l u s i o no fv o r t e x 1 ：； 2 4s u m m a r i z a t i o no fc f d 1 4 2 5i n t r o d u c t i o no ff l u e n t 1 6 2 6 s u m m a r y 1 7 v i i c h a p t e r3n u m e r i c a lc a l c u l a t i o no ft h ep r o c e s so fs i p h o nt o i l e tp a n 18 3 1r e s e a r c ho b j e c t i o n 一18 3 2m o d e l i n go fs o l u t i o nd o m a i n 1 9 3 3m e s h i n gg r i d ：2 1 3 4p a r a l l e lc o m p u t i n g 2 2 3 4 1m u l t i m a c h i n ep a r a l l e lc o m p u t i n g 2 3 3 4 2m u l t i c o r ep a r a l l e lc o m p u t i n gi ns i n g l ec o m p u t e r 2 3 3 5s u m m a r i z a t i o no fm u l t i p h a s ef l o w 2 4 3 5 1m u l t i p h a s ef l o wt y p e s 2 4 3 5 2m a t h e m a t i c a lm o d e l v o fm o d e lo fm u l t i p h a s ef l o w 2 5 3 6g a s - l i q u i dt h r e e p h a s ef l o wc a l c u l a t i o nc o n d i t i o n so ff l u s hp r o c e s s 2 6 3 6 1m a t e r i a lp r o p e r t i e sa n db o u n d a r yc o n d i t i o n s 2 6 3 6 2 s o l v i n go fs o l u t i o nc o n t r o l se q u a t i o n 2 7 3 7 s u m m a r y 2 7 c h a p t e r4f l u s h i n gm o d er e s e a r c ho fs i p h o nt o i l e tp a n 2 9 4 1c l a s s i f i c a t i o no fs i p h o nt o i l e t p a n 2 9 4 2n u m e r i c a la n a l y s i so fs i p h o np h e n o m e n o n 3 0 4 2 1b e g i n n i n g - e n d i n gt i m ea n dd u r a t i o no f s i p h o np h e n o m e n o n 3 0 4 2 2s i p h o np h e n o m e n o na n a l y s i so fd i f f e r e n tf l u s hm o d e 3 1 4 3v e l o c i t yf l o wf i e l da n a l y s i so fd i f f e r e n tf l u s hm o d et o i l e tp a n 3 1 4 3 1v e l o c i t yf l o wf i e l da n a l y s i so nw a t e rb o w ls u r f a c e 3 1 4 3 2v e l o c i t yf l o wf i e l da n a l y s i si nr i s i n ga r e ao f d r a i n a g ep i p e 3 3 4 3 3v e l o c i t yf l o wf i e l da n a l y s i si nc r e s ts e c t i o nc e n t e ro fd r a i n a g ep i p e 3 4 4 4f l u s h i n gp e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n tf l u s hm o d et o i l e tp a n 3 4 4 4 1a n a l y s i so fw a s h i n gc a p a b i l i t y 3 4 4 4 2a n a l y s i so f c a p a b i l i t yo ft r a n s p o i r t a t i o n 3 7 4 4 3c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ff l u s h i n gp e r f o r m a n c e 3 8 4 5 s u m m a r y 3 9 c h a p t e r5r e l a t i o nb e t w e e nv o r t e xa n dp e r f o r m a n c eo fs i p h o nt o i l e tp a n 4 0 5 1t h ec h o i c eo fd i r e c t i o no fr o t a t i o no fw a t e rv o r t e x 4 0 v i l l c o n t e n t s 5 2r e l a t i o nb e t w e e nw a t e ro u t l e tt i l ta n g l ea n dw a t e rv o r t e x 41 5 3n u m e r i c a la n a l y s i so fs i p h o np h e n o m e n o n 4 3 5 4r e l a t i o nb e t w e e ns i p h o nv o r t e xf l o wa n dw a s h i n gc a p a b i l i t y 4 5 5 5r e l a t i o nb e t w e e ns i p h o nv o r t e xf l o wa n dc a p a b i l i t yo f t r a n s p o r t a t i o n 4 7 5 6c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sb e t w e e ns i p h o nv o r t e xf l o wa n df l u s h i n gp e r f o r m a n c e 4 9 1 ；7 s u m m a r y 4 9 c h a p t e r6o p t i m i z e da n a l y s i so fd r a i n a g ep i p es t r u c t u r eo fs i p h o nt o i l e tp a n 5 0 6 1f o r m i n gp r i n c i p l eo fs i p h o np h e n o m e n o n 5 0 6 2s t r u c t u r a ld e s i g no fd r a i n a g ep i p e 51 6 2 1 a n a l y s i so fd r a i n a g ep i p ed i a m e t e r 51 6 2 2a n a l y s i so fc r e s th e i g h to fd r a i n a g ep i p e 5 2 6 3 s u m m a r y 5 4 c o n c l u s i o n sa n de x p e c t a t i o n s ：i 7 5 5 r e f e r e n c e s ! ；7 p a p e r sd u r i n gg r a d u a t es t u d y 6 0 d e c l a r a t i o n 6 1 s t a t e m e n to nu s ei nc o p y r i g h ta u t h o r i z e do ft h ed e g r e et h e s i s 6 1 a c k n o w l e d g e m e n t 6 2 i x 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 ， 近二十多年来，我国卫洁具行业得到了快速发展，产量与出口量大幅度增 长，已成为世界上最大的生产国和消费国。2 0 0 9 年，卫生洁具的产量达到1 7 7 亿 件，其中出口量达到了2 7 。洁具类企业也不断增多，其规模、机械设备、生产 工艺、制造水平、品质、配套设施等都有快速提升。但从整体来看，我国本土洁具 企业的规模与质量都参差不齐，与国际知名品牌还有较大的差距。但由于价格相对 较低，许多外国商人来我国定货加工。目前国内洁具产品的出口，看来红红火火， 但主要是靠o e m ( 全称：o r i g i n a le q u i p m e n t e n t r u s t e dm a n u f a c t u r e ) j j i y 生产，赚取 的是微薄的利润上u 。 目前，国内对卫生洁具产品的理论研究很少，企业自主创新开发能力不足， 产品以仿制为主，产品结构不合理，新产品完全依赖于制作人员的手工技巧，一般 要通过重复多次产品原型与模具的制作修改、产品样品的生产与冲水性能测试，才 能获得通过国家标准冲水性能测试的产品，因此，整个研发周期长，研发费用多。 同时，市面上不合格的产品比率较大，造成卫生间用水的浪费很严重，其中最主要 的质量问题就是冲水性能不合格乜，。所以对卫生陶瓷产品的冲水过程进行理论与实 验研究，可突破依赖经验的定型思维，开发出先进的节水型卫生陶瓷，且可作为数 字制造中的卫生陶瓷产品的冲水性能的预测手段，能减少实际产品研发的试验次数 和模具修改次数，大大缩短开发周期、节省开发成本，从而推动整个卫生陶瓷行业 升级，使之实现由手工制模向数字化制造迈进。 在g b t 6 9 5 2 2 0 0 5 卫生陶瓷标准中规定，不管是哪种坐便器，其冲水性能 都必须既冲洗得干净，节水效果又好，同时又有很好的隔臭、防堵塞能力，简要内 容如下 3 1 4 1 ( 1 ) 节水性能：一次冲水用量不得超过6 l 。 ( 2 ) 排污性能：采用水冲聚丙烯球的方法来衡量，即在坐便器中放入1 0 0 个直 径为1 9 m m ，密度为o 8 5 - - 0 9 0 9 c m 3 的聚丙烯球，以规定水量的水去冲，连续进 行3 次，3 次冲出聚酯球数的平均值不小于7 5 。 广东_ z _ k 大学硕士学位论文 ( 3 ) 冲刷性能：在一定量水箱水的冲刷下，将粘附于坐便器表面污物冲洗干 净：测试方法是以规定量的水冲届0 软笔在水包内壁划的墨痕，冲完后累计残留的墨 痕不大于5 0 毫米。 ( 4 ) 隔离性能：冲水完成后，水封高度不得低于5 0 m m ，防止下水管道内异味进 入室内。 ( 5 ) 防堵塞性能：衡量指标是坐便器排污水道的最小直径，标准中规定至少能 通过直径为4 5 m m 的固体球。 节水型产品技术条件与管理通则( g b t 1 8 8 7 0 2 0 0 2 ) 【5 】规定了五项技术评 价指标来评价坐便器。分别为：1 ) 用水量，2 ) 固体物排放，3 ) 墨线实验，4 ) 水 封和水封回复、存水弯，5 ) 污水排放实验。 本课题将研究陶瓷坐便器冲水的物理过程，建立了坐便器水流道的三维、非 稳态、多相流模型。运用商用c f d 软件对坐便器的冲水过程进行数值仿真并结合 部分模型定性实验，获得不同冲水模式坐便器虹吸现象的起止时间点、持续时间及 各相流动规律；研究坐便器冲刷性能、输运性能与虹吸旋涡流、冲水模式的关系， 构建高性能卫生洁具产品的设计理论，为获得洁具产品的最佳冲洗性能，实现对产 品结构的设计优化以节约用水。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 卫生洁具研究现状 近二十多年来，随着我国经济的快速增长，人们的生活水平越来越高，我国 卫生洁具产品已从过去人们眼中品种、花色单一，外观简单、粗糙，功能落后，配 套性差的“奢侈品”发展到现如今品种齐全、造型优美、功能先进、配套完善的“日 常生活用品”【6 1 。据中国陶瓷工业协会统谢l 】，我国已成为世界上最大的卫生洁具生 产国和消费国，但出口的价格较低，且基本上为中低档陶瓷产品，占据的只是国内 中低档产品市场1 6 1 。造成这种局面的根本原因可以归结于我国陶瓷行业对卫生陶瓷 产品的研发能力不够，对卫生洁具产品的基础研究缺乏足够重视，尤其对坐便器产 品冲水性能缺乏深入系统的研究【7 1 【s 1 。新产品开发缺乏理论指导，且生产技术还处 于落后水平，基本以仿制、类比为主，从构思到制模，几乎全部手工完成，期间必 然要耗费大量的时间和金钱嗍。 2 第一章绪论 在国内，有关单位对坐便器等复杂卫生洁具的产品开发过程进行了大量研 究，但主要还是在产品c a d 方面，如山东轻工业学院就开发了洁具产品的c a d 辅 助设计系统【，1 ；西南工学院开发了陶瓷洁具产品的模具造型设计系统，并在m d t 平 台上开发了卫生洁具c a d 系统【l o 】。在卫生洁具冲水过程的数值计算方面，西南工学 院在“卫生瓷c a d 系统”中开发了洁具内部流道分析模块，将卫生洁具的冲水过程简 化为2 d 定常粘性流动问题，进行了简单的2 d 数值分析【6 1 。根据卫生洁具的结构， 北京航空航天大学建立了卫生洁具的水动力学数学模型，简要地分析了冲水过程中 各水动力学指标随时间的变化规常】。湖南大学在坐便器噪声控制方面：】，虹吸时 管道内流场状态u 3 1 ，虹吸管吸优化设计方面做了较深的研究l 。但是，这些分析都 仅限于将坐便器冲水过程简化为一维或者二维问题，与坐便器冲水过程复杂流道下 的三维、非稳态、多相流动的实际情况相差尚有距离。广东工业大学材能学院采用 计算流体动力学方法，利用商用软件f l u e n t 中体积流方法( v o l u m eo f f l u i d ，简称 v o f ) 对坐便器冲水过程的自由表面多相流动建立了数学模拟模型，并进行了三维 数值模拟研究，同时采用等效污物概念将冲水排污过程的流固耦合问题进行了简 化；也开发了卫生洁具模具c a d 系统，及洁具数字化r p 制造的研究 1 3 1 。 目前，国外许多世界著名的卫生洁具厂商在产品设计与制作方面都具有较强 的实力，发达国家设计生产新型的卫生洁具产品时，非常注重外观造型设计、流行 色配以及各种功能的配套，有浓厚的地方特色与民族风格1 6 】。西方国家在卫生洁具 低耗与减排方面技术上具有核心竞争力r 1 6 1 7 j ，也实现了卫生洁具的智能化远程控 制引，在陶瓷洁具流道光滑技术方面也比较成熟e 1 9 。总体上来说，国外洁具产品 在功能上，主要研究着重以下五个方面：节水功能洁具、节电功能洁具、自 洁、抗菌功能洁具、智能化、人性化设计、多技术、多功能一体化洁具f 6 】 2 0 1 。 洁具产品的开发非常注重与市场需求紧密结合，极力吸收高新科技元素，重视舒 适，节能及人性化特色，每年都有新品推出，这些特点在伊奈东陶等公司近期公开 上市的产品中都有所反映i 1 1 2 1 1 。2 0 0 7 年信博洁具采用独特的“活塞直排”系统，它改 变了传统坐便器虹吸式的结构，一次冲水量降到了2 3 l ，彻底颠覆了传统坐便器的 工作原理，在国际上引起了“马桶地震”效应，受到节水国家的高度关注 2 1 1 。 国外对坐便器冲水性能方面的研究较多，很多一些国外卫生洁具公司已经开 始采用c f d 软件来设计开发虹吸式坐便器新产品，如世界著名的陶瓷洁具制造商 a m e r i c a ns t a n d a r d 公司，在新产品设计最重要的阶段是采用了c f d 软件c fd e s i g n 来 3 广东工业大学硕士学位论文 数值模拟冲水过程，生产出来的一些系列新产品，大大缩短了开发周期，而且产品 结构也得到优化，声称有全球最好的冲水系统及冲水性能阱，。国内大部分研究都基 于层流模式下，而国外卫生洁具公司在湍流模式下的流场分析技术已经较为成熟了 吨 ，且在陶瓷坐便器的冲水性能可靠性及冲水噪音的测试方面也做了深入而细致 的研究【2 q 【2 5 1 。 1 2 2 旋涡研究现状 流体旋涡运动的研究是研究流体机械的重要组成部分，在国防和国民经济建 设的诸多领域中都有着广泛的应用，但对水流旋涡的研究还比较少。对于水流旋涡 的研究国内外主要集中在以下两个方面。 一是叶轮中旋涡流动研究。华中科技大学的王嘉冰运用了大涡模拟方法，比 较了不同流风机内部旋涡流动的非稳态特征，得到了叶轮表面的压力情况，并对声 场的噪声做了模拟预测，分析了叶轮表面辐射噪声时的频谱分布规律。在研究中指 出，流风机叶尖涡中心位置随时间的推移而变化；叶尖涡与在前缘分离涡一起，在 吸力面叶片表面相应位置形成的压力波动是主要噪声源；低速轴流叶轮由叶轮壁面 辐射的噪声以宽频成分为主，改善旋涡流动可以降低风机的总声压级 2 6 1 。西安交通 大学刘小民对涡流发生器中叶轮产生的涡流进行了流动分析研究1 2 7 。在国外，j a n g 对不同叶轮的三维涡流结构和速度波动的旋转热线探针测量以及数值模拟，发现叶 尖泄漏涡在叶轮中起着重要作用，它在吸力面叶尖前缘附近形成，沿流线方向发 展。叶道内叶尖泄漏涡破裂，形成一个局部回流区1 2 3 】1 2 引。 二是涡流在冷热效应上的研究。哈尔滨工程大学宋福元等用实验方法对涡流 对能量分离特性做了较为深入的研究，实验中以空气为介质分别研究了入口温度、 压力及冷流比对涡流板的制冷效应、制热效应、绝热效率的影响规律 3 0 1 。大连理工 大学胡洪涛以涡流为研究对象，研究了空气以及湿空气在微型涡流管内的制冷特性 【，。在国外，英国一些大学在涡动力学方面与南北半球旋涡演变形成方面做了较多 的研究3 2 。 1 3 本课题来源 本文研究内容来源于校企合作项目“基于c a d c a e r p 技术的陶瓷卫生洁具的 快速制模方法”，项目编号：企2 0 1 0 2 5 2 。其前身为广东省十五攻关重大科技专项 4 第一章绪论 “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a 1 0 4 0 2 0 1 。 1 4 本文主要研究内容 1 4 1 虹吸式坐便器不同冲水模式的研究 在等量冲水条件下，借助商业c f d 软件对普通虹吸式、喷射虹吸式、旋涡虹吸 式三种冲水模式坐便器的冲水过程进行模拟仿真及实验验证，获得不同冲水模式与 虹吸性能、冲洗性能等情况的关系，及整个冲水过程的流场分布。 1 4 2 旋涡与坐便器性能的数值评价研究 以虹吸式坐便器为研究对象，水箱水为6 l ，水箱高度一致，借助商业c f d 软 件对不同布水眼倾斜角度虹吸式坐便器的冲水过程进行三维模拟，并结合部分定性 实验，获得布水眼倾斜角度与旋涡强度的关系；获得了旋涡流的虹吸规律及与坐便 器冲刷性能、输运性能的关系。 广东工业大学硕士学位论文 第二章数值模拟坐便器冲水过程相关理论 虹吸式坐便器的冲水过程是水箱水在势能的作用下，进入坐圈流道分流后，冲 刷水包，最后形成虹吸现象将水包中污物冲出排污管道的过程，整个冲水过程在数 秒内完成，因此可以认为坐便器冲水过程是三维、非稳态、多相耦合流动过程，其 中多相包括空气相、水相和污物相。不同的冲水模式，产生不同水流现象，冲洗效 果也大不相同，一些冲水模式只靠虹吸抽力将污物排出，一些模式在产生虹吸现象 的同时，伴随强大的旋涡将污物排出，因此，在利用计算流体力学进行数值研究 时，既要考虑虹吸现象，还要考虑旋涡现象。 随着计算机技术和现代数值计算技术的飞速发展，c f d 技术现已发展到完全 可以分析三维粘性湍流及旋涡运动等复杂流动问题，已被广泛应用到流体机械、航 空航天、汽车、水利和建筑等行业【，】。 2 1 流体力学概述 2 1 1 发展历史 流体力学作为一门单独的学科始于1 8 世纪。1 7 3 8 年，b e r n o u l l i 将能量守恒方 程运用到流体力学中，得到了伯努利方程。1 7 5 5 年，e u l e r 建立了流体力学的基本 方程e u l e r 方程，奠定了流体力学研究的基础。1 9 世纪上半叶，n a v i e r 和 s t o k e s 建立了n s 方程，n s 方程在欧拉运动方程的基础上还考虑到流体的粘性。 1 8 8 3 年，r e y n o l d 成功区分了流体流动中层流与湍流的流动状态，并于1 8 9 5 年得 出了雷诺方程一平均n