基于Fluent流體動力學洗碗機噴淋系統研究

喻永康，何雪明

（1.江蘇信息職業技術學院電氣工程系，江蘇 無錫 214153；2.江南大學機械工程學院，江蘇 無錫 214122）

0 前言

CFD作為一門具有強大生命力的邊緣科學，涉及流體力學、數值計算方法以及計算機科學等諸多領域，CFD以有限單元離散化思想為指導，計算機為輔助工具，對實際物理問題進行數值實驗模擬以及計算模擬分析，快速且準確地解決流體力學等學科領域中的實際物理問題[1]。計算流體動力學CFD求解流體流動和熱傳導等物理模型的基本思想是：先將連續的物理整體離散為有限個單元離散點，再根據一定的原則以及方法為有限個離散點建立關系方程組，最后通過求解關系方程組就能獲得實際問題的近似值[2]。

由美國FLUENT公司于1983推出的流體仿真分析軟件FLUENT是目前適用性最廣、功能最全面的CFD軟件之一，它在流體力學分析，熱傳遞分析及化學反應分析等方面應用非常廣泛，比如航空航天工業、汽車設計工業、石油天然氣工業等。

FLUENT軟件系統一般求解步驟為：（1）構建幾何模型及網格模型；（2）檢查網格是否符合精度要求；（3）選取求解器并確定運行環境；（4）選取求解方案和計算模型：層流或湍流（或無黏流）、傳熱模型等；（5）其他需要計算的模型，如風扇、熱交換器、多孔介質模型等；（6）輸入流體的材料特性；（7）設計邊界類型及邊界條件；（8）設置條件計算參數；（9）流場的初始化；（10）進行求解；（11）后置處理。

1 洗碗機噴淋系統流道建模

洗碗機被譽為繼洗衣機之后第二次解放人類雙手的家電產品，從1850年誕生發展到現在，技術已經非常成熟，在歐美等發達國家普及率一般在50%以上[3-4]。目前常用洗碗機的工作原理是將溶解了洗滌劑的水，加熱加壓，沖向待清洗的餐具，洗滌后排水，然后換清水沖洗，如此沖洗餐具數遍，完成一次洗碗。洗凈后利用自身余熱或加熱元件加熱的空氣把餐具烘干，所以有的國家又稱其為碗碟干燥機。目前我國市場上出售的洗碗機大部分是采用噴淋方式對餐具進行清洗的，對餐具的形狀、大小和放置有一定的要求[5]。

根據國內某公司所提供的洗碗機進行測繪，該洗碗機的噴淋系統由清洗出口和兩道漂洗出口組成，涉及的流道建模主要有清洗出口（圖1）和漂洗出口（圖2）。

圖1 清洗出口視圖

圖2 漂洗出口視圖

為了保證流道的真實性，保證仿真的準確性，在建模過程中對于一些出口的參數要仔細研究，其形狀位置角度大小都要保證。流道是除去壁面之后的所有水流經的部分，應用UG NX軟件三維建模功能做出了三維流道模型。在清漂洗流道模型的建立過程中，必須由個體到整體逐步建立，并加以仿真，在能得到初步仿真結果之后，再增加模型的復雜程度。在逐步建模的過程中，上一步的建模仿真分析結果是下一步建模的基礎。最終建立的洗碗機清漂洗系統的流道模型如圖3和圖4。

圖3 清洗出口流道模型

圖4 漂洗出口流道模型

2 洗碗機噴淋系統的Fluent分析研究

商用洗碗機的噴淋系統比較復雜，管道繁多，但起到決定性作用的就是噴頭出口的大小和角度，開口過大，導致水流噴射的速度過小，不能高效的清洗油污的碗盤，開口過小，導致水流噴射壓力過大，對于水泵和噴淋管道質量有特殊要求。噴頭開口的角度直接影響到清洗的面積，決定漂洗是否完全和潔凈。

2.1 清洗流道仿真及其計算結果分析

把建立好的模型導入并設置參數之后，就仿真出結果（殘差圖、壓力圖、溫度圖和速度矢量圖等），仿真的步驟也可以在殘差圖中看出。

通過最終的模型仿真可以得知，這臺洗碗機在清洗的時候水泵提供五兆帕的壓力水流，它從上下噴淋管出口噴出的速度為40～60 m/s之間。水流的整體偏向為向水流進來的一方反向偏移。可以推測站在洗碗機工作的時候，靠近洗碗機水流進來的一方的碗盤沖刷的效率不高。還可看出清洗系統中水流速度最大的部分為水泵和下噴水管道相結合的部分，此處為沖刷較為激烈應該注意保養的部位。針對水流的偏移情況，應該從結構的改進來解決。

圖5 殘差圖

圖6 壓力圖

圖7 溫度圖

圖8 速度矢量圖

圖9 漂洗大出口溫度圖

圖10 漂洗大出口速度矢量圖

圖11 漂洗小出口溫度圖

圖12 漂洗小出口速度矢量圖

2.2 漂洗出口仿真及其計算結果分析

在這臺洗碗機中，漂洗系統有兩個部分，一個部分是漂洗出口開口較大的緊接清洗之后的漂洗管道，所進行的工作是初步漂洗，另一個部分為漂洗出口開口較小的最后的漂洗管道。兩部分漂洗都分為上下噴淋管。

漂洗大出口整體模型仿真結果如圖9、10所示。

漂洗小出口整體模型仿真結果如圖11、12所示。

通過分析漂洗大出口和小出口的仿真結果，可以看出漂洗小出口水流射的速度要大于漂洗大出口的噴射速度，因此可以推測，漂洗出口的開口的大小和方向對噴射出的散狀形狀強度面積起到決定的作用。

3 結論

利用Fluent軟件對所建立的洗碗機的清漂洗模型進行仿真和分析，最終表現的形式為清漂洗模型的殘差圖、壓力圖、溫度圖和速度矢量圖。通過這些云圖，可以分析出清洗管道水流整體向水流進來的一方反向偏移，可以推測站在洗碗機工作的時候，靠近洗碗機水流進來的一方的碗盤沖刷的效率不高。此即為該商用洗碗機洗凈度不高的主要原因。還可以看出清洗系統中水流速度最大的部分為水泵和下噴水管道相結合的部分，此處為沖刷較為激烈應該注意保養的部位。

［1］徐昉.計算流體力學（CFD）在可持續設計中的應用［J］.建筑學報，2004（8）：65-67.

［2］趙秉文，姜坪，陳曉春.CFD技術及其在水處理研究中的應用［J］.環境科學與技術，2006（6）：77-78.

［3］孫愛東.洗碗機行業現狀與發展前景［J］.電器制造商，2001（12）：44-45.

［4］劉旭輝，王小平.家用洗碗機碗藍和外形的設計［J］.機電工程技術，2010（4）：67-68，93.

［5］孫嘉燕，李保紅，王述洋.洗碗機現狀及實現中國洗碗機普及新探索［J］.現代科學儀器，2012（1）：137-141.

［6］韓占忠.FLUENT：流體工程仿真計算實例與應用［M］.北京：北京理工大學出版社，2004.

［7］王福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用［M］.北京：清華大學出版社，2004.