喷射虹吸式坐便器的CAD及CAE分析.pdf

1 引 言 喷射虹吸式坐便器的 C A D及 C A E分析 蒋 文辉 王宇华 修 国基 1 佛 山市生产力促进中心 佛山 5 2 8 0 0 0 2 佛 山科学技术学院 机 电工程系 佛山 5 2 8 0 0 0 3 华南理工大学 机械与汽车工程学院 广州 5 1 0 6 4 0 摘要 以实际的喷射虹吸式坐便器 的物理模型为基础 建立了坐便 器冲水过程的三维 数值模拟 方法 得 出了一条从 实物一 C A D逆 向建模一 网格划分一 凡 U E N T数值求解一 结 果显示与分析一 结构 优化一 结果比较与分析 的数值模拟方法 通过考察水包壁面流场水流分布 总压分布及壁面速度 场分布 由计算结果得 到坐便器性能优化的规律 根据分析结果 结合进一步的实验研究 可为高 质量 节水型坐便器的开发和设计提供重要依据 关键词 虹吸式坐便器 逆 向建模 数值模拟 结构优化 当前 制造 业的首要任 务是设计 研究 出能够满 足用 户需要 的新产 品 并 以最快 的速度使之 上市 占领 市场从 而赢得 市场竞争 的胜利 传 统产品开 发模式 的主要 缺点 在于不能在 产品 的开 发设计 阶段 就对其生 命周期 的全过 程 中的各 种 因素考 虑周全 致使在产 品设 计甚至制 造 出 来后才发现 各式各样 的问题 以至于不得 不修改产 品的 最初设 计 从 而延 长 了开发周 期 增加 了成本 最 终丧 失 商机 因此 充分 利用各种 计算机辅 助工具 将 会有效减 少各种问题 如逆 向工程 C A D建模及 C A E技术相结合 的 应用 可有效缩短产 品开发周期 降低成本 提高质 量 逆 向工 程技术历 经几 十年 的研 究与 发展 已经成 为 产 品快速开发过程 的重要 支撑技术 之一 它 与计 算机辅 助设计 优化设计 有限元分析 设计方法学等有机组合 构 成 了现代 设 计理 论 和 方法 的整体 计 算机 辅 助 工程 f C A E 技术是计算 机技术 和工程分析 技术相 结合形 成 的 先进技术 它运用计算 力学 计算 数学 和数 字仿真技 术等 对设计产 品的性 能进行分析 C A E技术是 现代产 品设 计 中创造价 值的 中心 环节 已逐渐 成为企业 实现创新设计 的最 主要保障之一阎 应用产 品 C A D进行模型修改后 可 以进一步进行数值分析 经过这种的 设计一 分析一 再设 计一 再分析 的循 环过程 可 以优化 产品 的结构 提高产 品 质量 减 少对产品原 型和试 验用模具 的反 复修 改 本文 即 以实 际的喷射虹 吸式 坐便器为例 通过对其 逆 向建模一 数 值求 解一 结果显 示与分 析一 结 构优化一 结 果 比较与分 析这 样一个过程来获得最佳性能的产品 降低应用实际洁具 样品进行 冲水性 能试验测试及 分析所需 的时 间与成本 2 喷射虹吸式坐便器模型重构 本文通过 三维激光 抄数机对 喷射虹吸式坐 便器进行 数据采集 利用 I ma g e w a r e对所获取 的三维点云数据进行 数据 的简化 平滑等处理 并构 造线框模型 通 过 P r o E强 大 的曲面造 型功能 对 所导入 的线 框模型进行 了曲面 的 构建 和实体模 型 的重构 把 I m a g e w a r e得 到的线框模 型保存 为 i g s 格式 读人 线框数 据 根据坐标 系的对 齐和相互 间的关系 进行线 框 的对 齐合 并 形成反映坐便器实体 的总线框模 型 数据导 人结果如 图 1 所示 图 1 坐便器线框模型 本 文利 用 P r o E中 自由 曲面造 型 和常 规 的 P r o E曲 面f 例如拉 伸面 填 充特 征 旋转 面 等1 相结合 的方 法建 立 坐便器 曲面 然后让 曲面适应 扫描数据 以获得规定之 内 的误 差 通 过增加 和去除栅格线 可以提供控制 曲面 的光 滑程度和灵活控制 细节 的能力 基于 曲面的方 法可 以快 速建立 光滑 的曲面并 控制 曲面 对扫描数据 的偏 差 使误 差最小 最后在基 于曲面 的基础 上对坐便器进 行实体 建 模 造 型 丁具可 以方便而迅速地创 建 自由生 成的 曲线 和曲面 并将 多个元素 合并成超级特 征 它是在 一个相对 独立 的环境 中完成 的 用户可创建 完全 自由的造型特征 或利用 P r o E其 参数化 和关联 功能 造型特征 非常灵 活 具有 高度弹性化 通 过图 1 所示 的坐便器轮廓线 在 P r o E中利用 自由 曲面造 型功能和其它常 规的 曲面建模 方法对其 进行逆 向 设计 结合 三维模 拟仿真 本文 只对能体 现坐便 器性能 的 最 关键部 分 水包 排 污管 内流道 坐 圈和水 箱 进 行逆 向造型 设计 顺序为排 污管一 水包一 坐圈一 水箱一 内流 道 设计过程 如图 2 所 示 饧 网 2 坐便器实体模型 通 过建立基 于实例 的坐便 器的数字模 型 通过 有限 元分析 软件 对设计 的坐便器模 型进行模 拟仿真 从 而实 现 陶瓷 洁具 的数字化 质量管理 更 加方便地 开发 出节水 效果更好 功 能更 强和造型更丰 富的坐便器新产品 3 坐便器 三维数值模拟 的基本 原理 3 1 喷射虹吸式坐便器流场数值求解方法 在 F L U E N T软件 当 中 有两种 数值方法 可以选择 基 于压力的求解器 和基 于密度 的求解器 从传统上讲 基 于 压力 的求解器是 针对低速 不可压缩 流开发 的 基 于密度 的求解 器是针对高速 可压缩 流开发 的 喷射虹吸式坐便 器 的冲水过程是 复杂流道 带 自由表面的混合边界 条件 下 三维 非稳态 气 液 多相 流 问题 根 据实 际情况 本 文选 用基 于压力 的分离求解器 3 2 湍流数值模拟方法及壁面条件 根据喷射虹 吸式坐便器 的实际情况 本文对数 值模 拟仿 真采用 湍 流粘性 系数法 中 的 R e a l i z a b l e k 一 双 方程 模型 6 1 R e a l i z a b l e k 一 8模型是 对标准 k 一 8模 型和 R N G k 一 的补充 R e a l i z a b l e 表示模 型满足某种数学 约束 和湍流 的物理模 型是一致 的 在 R e a l i z a b l e模型 中输运 方程为 0 t 素 篑 s 呶 呶 j I i 0 t 专 旦O K 簧1 p C l 呶 i 呶 i X J 一 p C 2 c 专c s K V 8 c l ma x 1 0 4 3 l 十3 J S 这里的 k方程与标准模 型和 R N G k s模型 的 k方程 是一样 的 常量除外 而 方 程则大 不相 同 标准 的 k 一 8 模 型 能很好地模 拟一般 的湍 流 R N G k 一 8模型用 于处理 高应变率及 流线 弯曲程度较 大 的流动 R e a l i z a b l e k 一 8模 型在含有 射流和混合 流的 自由流动 管道 内流动 边界层 流动 以及带有分离 的流动 中具有优势 必须指 出的是 以上 模型是针对 湍流发展 非常充分 的湍流流动来 创建 的 是针对高雷 诺数 的湍 流计算 模型 适 用于离开 壁面一定距 离的湍流 区域 这里 的雷诺数是 以湍流脉动动 能的平方根 作为速度 又称湍流 雷诺 数 计 算 的 在雷诺数 比较低 的区域 湍 流发展不充 分 湍流 的 脉动影响可能不 如分子黏性 大 在贴近 壁面 的底层 内 流 动可 能处于层 流状 态 这 里 必须采 用特 殊 的处理 一般 有两种方法 一种 是采用壁 面函数法 另一种是 采用低雷 诺数的模型 本文 主要采 用壁面 函数法 对 于湍流核心 区 的流动使用模 型求解 而在壁 面 区不进行 求解 直 接使用 半经验公式将壁面上 的物理量 与湍流核 心区 内的求解 变 量联 系起来 这样 不 需要对壁 面区 内的流动进行求 解 就可直接得到与壁 面相邻控制体积的节点变量值 在划分 网格时 不需要在壁面区加密 只需要把第一个内节点布置 在对数律成立 的区域 内 即配置到湍流充分发展的区域 3 3 自由表面流动的数值处理方法 喷射虹 吸式坐便器 的冲水过程 属于 自由表面 的流 体 流动 问题 若 要计算这类 问题 必须 能 即时了解流体界 面 的运动及形状 由于 自由表面是一种特 殊的界面 它 的位 置不能预先知 道 而是作 为问题 的一 部分 由求解过程 给 出 这些特点在数 学上表现 为非线性 初边值问题 因此数 值求解并非易事 再加上 自由面可 以随 时发生 变形 即时 表面跟踪存在 大 的困难 而多相 流 V O F模 型是解 决该类 问题的最有效方法 V O F模型是 一种 在固定的欧拉 网格 下的表 面跟 踪方 法 用 当需要得到一种 或多种互 不相融 流体 问 的交 界面 时 可以采用 这种模 型 在 V O F模 型中 不 同的流体 组分 共用着一套 动量方程 计 算时在全 流场 的每个 计算单 元 内 都记 录下各流体组分所 占有 的体积率 所有变量及 其 属性 的区域被各相共 享并且 代表 了容 积平均 值 v o l u m e a v e r a g e d v a l u e s 每一 相 的容积 比率在每 一位置是 可知 的 这样 在任何给定单元内的变量及其属性或者纯粹代 表了一 相 或 者代表 了相 的混合 这 取决 于容积 比率 值 换句话说 在单元 中 如果 第 q相流体 的容积 比率 记为 O t 那么下 面的三个条件是可能 的 1 o c q 0 第 相流体在单元 中是空的 2 仅 1 第 仅 相流体在单元 中是充满 的 3 O c c 1 单 元 中包 含 了第 q相 流体 和一 相 或 者 其它多相流体的界面 基于 的局部值 适 当 的属性 和变量在 一定范 围内 分配给每一控制 容积 跟 踪相之 间的界面是通 过求解一 相或多相的容积 比率 的连续方程来完成 的 3 4 计算条件 在处理器上采 用三维 非稳态计算模 型 计算 时速度 按绝对速度处理 通 过按单元 中的压力梯 度来计算 控制 方程中的导数项 对 于坐便器来 说 时 间相 关项 的计 算方 法采 用一 阶隐式就 已足够 本文设 置 的参考 压力点定 义 在充 满空气 的水箱顶部 即点 3 5 6 5 7 4 一 1 7 0 重力加 速 度为一 9 8 1 m s z 工 作密度选 最轻相 即气相 的密度 这样排 除了水力静压 的积 累 粘性 模 型使用 k 一 双方 程模 型 中 的 R e a l i z a b l e k s 模型进行 湍流计算 近壁 区处理采用标准壁 面函数 压力 速度耦 合方式选 择适用 于非 稳态流 动的 P I S O算 法 该算 法计算速度很快 总体效率 比较高 压力插值方式采用 B o d y F o r c e We i g h t e d 动量方程 和湍动能方程 的离散采用 二阶迎风格式 湍动耗散率方程的离散采用一阶迎风格式 采用 P I S O算法时 欠松弛因子的设定对迭代的收敛 性 起至关 重要 的作 用 在 刚开始迭代 时 先使用 系统 默认 值 在迭代 几十次后 检查残差 是增加还是 减小 若增 大 则减 少欠松 弛 因子 的值 反之 则增 大欠松 弛 因子 的值 总之 在迭 代过程 中 通过观 察残差变化来 选择合适 的欠 松 弛因子 本文 在迭代 过程中 总结出一组能使模拟稳定 收 敛 的 值 P r e s s u r e D e n s i t y B o d y F o r c e Mo me n t u m T u r bu l e n t Ki ne t i c En e r g y Tu r b u l e n t Di s s i p a t i o n Ra t e Tu r b u l e n t V i s c o s i t y的欠松弛因子值分别为 0 6 1 1 0 1 0 8 0 5 0 7 4 三维数值模 拟及其结构优化 4 1 原型坐便器冲水过程的流场分布 水 自水箱流 出 通过 圈眼一 方面对水 包 内壁 进行 冲 刷 一方 面使水包 的水旋转起来 对排 出污物起辅 助推动 作 用 图 3 为在 6 L冲水量作 用下不 同时刻 的水 和空气流 C 2 5 s 水流分布 d 3 5 s 水流分布 图 3 原型坐便器 冲水过程的流场分布图 一 一 场分布 图 图中浅 色为水 深色为空气 从 图中可 看出 水包 的冲刷面积虽 然大 但是排 污管 的水在定量 的水 冲洗下并 没有 完全被 冲出去 残 留量 比 较大 没有达到 冲刷排 污的标 准 4 2 原型座便器冲水过程的总压分布 流场 的总压 就是流体 的有效机 械能 总压 的降低 可 用来表示能量 的损失 通过坐便 器冲水过程 的总压分 布 便可分析坐便器各部 位的流阻情 况 如果该 部分 的局部 总压 突变大 表 明水受 到的流 阻就 大 不利 于污水的排 出 图 4为 6 L冲水量下不 同时刻坐便 器各部位流场 的总 压分 布图 霞 J a O 6 s总压 分 布 b 1 4 s总压 分 布 c 2 5 s 总压分布 d 3 5 s 总压分布 图 4 原 型坐便器冲水过程总压分布图 从流场 的总压分布 图可知 在 0 6 s 时刻 水箱底 部 出 现 了局部 总压突 变 这不 利 于使水一 开始 就获得 较大 动 能 1 4 s到 2 5 s 期 间 水 包 的总 压 较 大 大 约 在 2 o 0 4 0 0 P a 但 压力还 是不 够大 不足 以更好 地冲刷 壁面 2 5 s 到 3 5 s 期 间 排 污管的动压 较大 起 到排 出污物 的作用 4 3 原型坐便器冲水过程的壁面速度 水包壁面速度大 小是判断坐便 器性能好 坏的一个重 要指标 速度越 大 水 动 能就越大 冲刷 壁 面的效果 就更 好 图 5为所取 的壁面质 点的位 置 图 6 a 是该点 的速 度随时 间历程 的曲线 图 由该 曲线 图可知 该质点 的最大 速度 出现 在 1 5 s 处 达到 2 2 3 m s 随着 水封 水 的增 多对 流场的影响 速度产生 了震 动变化 之后 随着水箱势 能 的 减少 速 度慢慢 降低 由 图可 知 在 其余 时间该 点 的速度 都偏 低 大部分都在 1 5 m s 以下 而且高速持续 冲刷 的时 间不 够长 图 5 壁面质点 A和排污管质点 B位置 时阔 图 6 a 壁面质点 A的时间一 速度历程 时阿蛳 图 6 b 排 污 管 质点 B的 时 间一速度 历 程 图 6 壁 面 质 点 和排 污 管 质 点 位 置 为 了估 算 虹吸 发 生 的时 间 经 过考 虑 设 定 排 污管 拐 弯处 一个 质 点 通 过 观察 其 时 间速 度历 程 就 可 以大 概估 算 出虹吸发生 的时 间 如 图 6 b 所 示 由图 可知 虹 吸 发生 的时 间在 3 s 到 4 s 之 间 最 大速 度大 概是 1 4 m s 左右 综 合上述结果 分析可知 该 坐便器 的模型 冲水效果 一 般 为了在 同等 冲水量 的情况 下达到更佳 的效果 需要 对坐便器模 型进行 结构优化 4 4 结构优化及其流场分布 根据 以上分析结果 本节对 坐便器进行 结构上 的优 化 以达到改变其 冲水 性能的 目的 优化后 的模 型保 持了 水箱 圈眼和水包 的结构 不变 对 水箱和坐 圈的连接处 优 畔 化 成一个坡 度约 为 l 5 的结构 内流道优 化成 更 陡的管 道 使得 水 的冲力 动能更大 排 污管 的拐弯处变得 更 圆 滑 使其能量损失最小 以减少排水时的流动阻力 其流 场分布如 图 7所示 由图可知 水 的冲刷范 围相对第 一个 模型来说 更大 了 排污管 排 出的水量也 明显加大 更好 地 提 高了排 污的性 能 e 2 5 s 总 压分 布 d 3 5 s 总 压 分 布 图 8 结 构 优 化 后 冲 水 过程 总压 分 布 图 了许 多 更 有利 于水 的流 动 在 0 4 s 至 2 5 s 期 问最 大总 压 分 布在 座 圈 圈眼 和 排污 管 始端 总压 也 比第 一 个 模 型 大 说 明 了此 时 的水 动 能更 大 更 有 利 于冲 刷壁 面 和 排 污 4 6 结构优化后冲水过程的壁面速度 为了与模型 1 做 分析 比较 质点 设在与其 相 同的位 置上 该 质点在 两个模型模 拟的时 间一 速度历 程如 图 9 所 示 由图可 知 第二 个模 型的最大速 度 高于 2 5 ri g s 而且 高速持续 冲水 的时间也 比第一 个模型长 了 图 9 壁 面质点 A两次模拟分析 比较 排 污管质 点的时间速 度历程 如图 1 0所示 由图 比较 分析 可知 第二模 型的虹 吸发生时 间明显 比第 一个模 型 提前 了 大约 在 2 5 3 s 之 间 而且 最 高速 度 也提 高 到 1 6 m s 左右 闭 1 0 排污管质点 B两次模拟分析 比较 5 结 论 通 过某 型 号 的喷 射 虹吸 式 坐便 器 实 例 进行 反 求 设 计 应用 R e a l i z a b l e k 一 湍流模 型及 V O F自由表面流 动 的数值处理方法对喷射虹吸坐便器内部流动进行 了数值 计算与分析 数值仿真得到的两相流场分布 总压分布和 壁面速度一 时 问历 程 可 以预测产 品数 字模 型 的冲刷 性能 和排污性 能 通过分 析 提 出了三维湍流数 值分析 基础上 的坐便器结构优化设计方 法 通 过这种 C A D逆向建模和 C A E数值模拟分析 的方法 若结合一定 的实验 将 改变传 统的坐便器设计 方法 极大 地缩短坐便 器的研发周 期 显 著提高坐便器的设计质量 参考文献 1 刘恒 虞烈 谢有柏 现代设计方法与新产品开发 J 1 中国机械 工程 1 9 9 9 1 0 1 8 1 8 3 2 褚 学 宁 虚 拟企 业 产 品设 计 技 术 研 究 J 中 国 机 械 工 程 1 9 9 9 1 0 1 5 8 6 0 3 庄晓 周雄辉 许 文斌等 虚拟 环境 中的快速产品装配建模 J 中 国机 械工 程 1 9 9 9 1 0 f 2 1 8 5 1 8 7 4 卢愕 杨洪波 王延风等 产 品研制开 发 C A D C A E C A M技术 路线与应用 J 光学精密工程 1 9 9 7 5 6 1 9 5 章争荣 孙友松 潘晓涛等 基于 C A D C A E C A M R P的复杂陶 瓷产 品快速制造技术 J 中国陶瓷 2 0 0 5 4 1 5 3 5 3 8 6 王福军 计算流体动力学分析一 C F D软件原理与应用 M1 北京 清华大学出版社 2 0 0 4 9 7 赵世宜 刘子建 彭志威 基于 C F D的坐便器虹吸管道优化设 计及实验验证 J 系统仿真学报 2 0 0 8 2 0 1 6 4 4 1 2 4 4 1 6 C AD a n d C AE An a l y s i s f o r S i p h o n J e t T o i l e t J I A N G We n h u i WA N G Y u h u a 2 X l U G u o j i 1 F o s h a n P r o d u c t i v i t y C e n t e r F o s h a n 5 2 8 0 0 0 C h i n a 2 D e p a r t m e n t o f Me e h a t r o n i c s E n g i n e e ri n g F o s h a n U n i v e r s i t y F o s h a n 5 2 8 0 0 0 C h i n a 3 S c h o o l o f Me c h a n i c a l Au t o ma b i l e E n g i n e e ri n g S o u t h C h i n a Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y G u a n g z h o u 5 1 0 6 4 0 C h i n a A b s t r a c t T h i s t h e s i s e s t a b l i s h e d a t h r e e d i me n s i o n a l n u me ri c a l me t h o d a b o u t t h e t o i l e t fl u s h i n g p r o c e s s b a s e d o n t h e a c t u a l p h y s i c a l m o d e l o f s i p h o n j e t t o i l e t a n d o b t a i n e d a n u m e r i c a l s i m u l a t i o n t h a t i s p h y s i c a l C A D r e v e r s e m o d e l i n g me s h FL UENT n ume ric a l s o l u t i o n r e s u l t s a n d a n a l y s i s o p t i mi z a t i o n c 0 mp a r a t i v e r e s u l t s a n d a n a l y s i s T h e l a w o f t o i l e t p e r f o r ma n c e o p t i mi z a t i o n c o u l d be o b t a i n e d b y e x a mi n i n g t he wa l l wa t e r fl o w wa t e r d i s t ribu t i o n t h e t o t a l p r e s s u r e d i s t rib u t i