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(duì)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(jì)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(jì)算機(jī)和計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展，蓬勃發(fā)展的計(jì)算流體動(dòng)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(jì)算流體動(dòng)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(duì)坐便器的沖刷和排污性能的影響，為開發(fā)和設(shè)計(jì)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(duì)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(shí)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)量，研究沖落式坐便器的沖水過程，并對(duì)試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(dòng)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(dòng)過程，即水箱水和水封水都是清水時(shí)的流動(dòng)，該流動(dòng)屬于氣一液兩相流問題。考察了動(dòng)壓場、速度場、水包壁面流場沖刷范圍以及水箱沖水量等對(duì)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(dòng)過程，該流動(dòng)屬于氣一液一液三相流問題。分析了不同等效污物粘度對(duì)沖落式坐便器排污性能的影響。
(3)根據(jù)靶式流量計(jì)的工作原理，自行設(shè)計(jì)了用于測(cè)量水包壁面流速的應(yīng)變片靶式流速計(jì)，對(duì)不銹鋼坐便器水包流速進(jìn)行測(cè)量，并將靶式流速計(jì)測(cè)量的速度曲線與數(shù)值模擬得到的速度曲線進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了清水流動(dòng)數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。
(4)利用酸堿中和滴定法，測(cè)量溶解于水封水和等效污物中堿的濃度，以計(jì)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(duì)沖落式坐便器排污性能的影響，并與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。
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