基于CFD 技術的智能馬桶蓋流體仿真分析

韓運動 陳 勇 劉難生 謝海旭

（1、合肥榮事達電子電器集團有限公司博士后科研工作站，安徽 合肥230000 2、中國科學技術大學 博士后科研流動站，安徽 合肥230000）

隨著居民生活水平的不斷提高、科技的快速發展，家居智能化越來越普遍，其中智能馬桶蓋替代普通馬桶蓋，是當下最為流行且關注度較高的衛生潔具產品。據調查，智能馬桶蓋產品目前主要存在的質量問題是智能馬桶蓋座圈耐熱和耐燃，安全水位技術要求、水箱安全水位、輸入功率和電流、產品暖風發熱、接地措施等質量問題，這些問題的出現都需要從流體力學的角度對其結構進行優化設計。

國內學者鐘博[1]運用有限元分析軟件ABAQUS 和顯示靜力學模塊對智能座便器座圈進行CBMF15-2016 和JC/T764-2008中的靜力學試驗仿真分析。利用有限元仿真來評價產品在實驗過程中的易失效位置進行了研究。周述璋等[2]對智能馬桶蓋綜合試驗機的造型及結構設計進行研究，優化了現有產品的造型及結構，提高了其使用性能、設備的整體質量及使用人員的舒適感。謝祖通等[3]開展了智能馬桶蓋耐久性試驗分析研究，設計了一種通用性強、安裝方便的一種基于機械手的智能馬桶蓋耐久性測試系統。

目前國內學者對于智能馬桶蓋的研究大多是試驗驗證方面的研究，而采用計算流體動力學對智能馬桶蓋的性能進行分析研究的較少。對于實際工程中大量存在的邊界形狀復雜的流動，由于其流體運動的復雜性而難于測量。物理模型實驗具有局限性，實驗往往只能給出總流的參數，而數值模擬則能給出相關流場的具體信息。正是因為數值模擬具有較多的優點，日漸成為研究與流體相關機械的重要手段。

本文以產品開發市場需求為導向，以智能馬桶蓋性能優化技術的發展為背景，緊密貼合產品研發實際需要，圍繞基于CFD 技術的智能馬桶蓋流體仿真分析及優化關鍵技術開展研究，通過仿真計算不斷優化產品性能，提升產品市場競爭力，研究成果具有理論意義和工程實用價值。

1 數值計算方法

1.1 計算模型搭建

采用三維造型軟件CATIA 搭建智能馬桶蓋的三維幾何結構，見圖1 所示。根據智能馬桶蓋的工作原理，提取出水流流經管路的內部流域，最終簡化得到的噴管內部流域結構圖見圖2所示。

圖1 智能馬桶蓋三維幾何外形圖

圖2 噴管內部水流域結構提取

1.2 網格劃分

采用切割體網格對計算域進行有限體積劃分。由于噴管內部結構尺寸較為細小，因此網格劃分采用較小的尺寸，面網格的最小尺寸為0.01mm，最大尺寸為0.5mm，整體面網格數量為504 萬。體網格采用Trimmer 網格，網格總體數量為835 萬。噴管內流域體網格劃分結果見圖3 所示。

圖3 噴管內部水流域體網格劃分結果

1.3 求解計算

使用有限體積法，基于Navier-Stokes 方程對控制體內的流動參數進行求解[4]。流場的控制方程為

xi為坐標的三分量，分別代表x、y、z 三個方向坐標。

由于上述方程組不封閉，僅僅依靠式（1）對流場進行求解是不足夠的。需引入適當的湍流模型。模型采用Simple 壓力場修正算法。考慮黏性時, 打開能量方程，并開啟黏性生成熱選項,計算由于湍流而產生的熱量。考慮到噴嘴內流場湍流強度很大，且噴嘴入口附近流線彎曲程度比較大，湍流模型采用RNGk-ε 模型。由于噴嘴內導向面和密封座面處流場長和寬的尺度遠大于其厚度，壁面對流場的影響很大，所以采用非平衡壁面函數修正RNGk-ε 模型。設定湍流動能和湍流耗散率采用二階迎風格式差分計算，其余參數使用一階迎風格式。

1.4 進、出口邊界設置

進、出口采用壓力邊界條件，進口水壓為0.1～1MPa，出口壓力為一個大氣壓（101325Pa）。進水恒流閥控制，出水量約0.6～0.8 升/分鐘（在0.1～1MPa 水壓下）。

由于智能座便器噴嘴內流場湍流強度很大，所以對流場入口處湍流參數的設置較敏感。模型選用湍流強度和水利直徑作為設定參數，并依照以下公式計算：

湍流強度I=0.16（Re）1/8

式中：Re 為按水利直徑計算的雷諾數。

計算時設定入口處的水溫分別為“24℃”、“34℃”、“37℃”、“40℃”，監測噴管出口的水溫以及出口的流量。

2 結果及分析

將計算結果進行后處理分析，可以得到噴管內部不同結構的流場信息，包括內流域的壓力云圖、速度云圖、溫度場、速度流線圖等，見圖4～圖7 所示。由圖4～圖7 可以看出，噴嘴前端區域的水流極為紊亂，出現了大小不等的渦流，表現為顯著的湍流。沿著水流方向，流道內的壓力逐步減小，流速逐漸增大，到達噴嘴處的壓力達到最小值，流速達到最大值。

圖4 入口水壓1MPa 時不同結構內部流域表面的壓力云圖

圖5 入口水壓1MPa 時內部流域切面上的速度云圖

圖6 噴管內部流域整體流線圖

圖7 噴管內部水流域的溫度場分布

圖8 噴孔出口處的溫度監測

GB/T 23131-2019《家用和類似用途電坐便器便座》中對于清洗流量規定如下：電便座最大清洗流量的實際測量值應不小于明示值的95%。該標準試驗測量方法如下：選擇最大流量清洗模式，用容器（如圖9 所示）收集清洗用水60s ，稱重并計算流量（水密度按1g/mL）。取3 次算術平均值，作為最大清洗流量。

智能馬桶蓋的最大清洗流量的明示值為0.0100kg/s～0.0133kg/s。由表1 可以看出，不同入口水壓下，出口水流量均滿足標準要求，數值計算與試驗測量值誤差最大為3.92%，小于5%的誤差，該誤差滿足工程需求，驗證了仿真計算的可靠性。

圖9 試驗測量水量收集示意圖

表1 不同入口水壓下出口水流量及試驗測量結果

GB/T 23131-2019《家用和類似用途電坐便器便座》中對于出水溫度的穩定性規定如下：整個清洗周期水溫波動值在5K以內。計算監測出口處的水溫，并進行均值化處理。試驗測量采用高精的溫度傳感器。

由表2 可以看出出口處計算值與試驗測量值最大偏差為0.75%，小于5%的誤差，驗證了仿真計算精度的可靠性，出口處水溫值的穩定性小于5K，滿足標準要求。

表2 不同設定溫度下出口水溫及試驗測量結果

3 結論

3.1 不同入口水壓下，數值計算與試驗測量值誤差最大為3.92%，小于5%的誤差，該誤差滿足工程需求，驗證了仿真計算的可靠性，出口水流的沖洗流量均滿足標準要求。

3.2 出口處計算值與試驗測量值最大偏差為0.75%，小于5%的誤差，驗證了仿真計算精度的可靠性，同時出口處水溫值的穩定性也滿足標準要求。

3.3 仿真計算與試驗測量結果均表明該智能馬桶蓋型號滿足清洗流量以及出水溫度穩定性要求，后續可采用計算流動力學的方法深入綜合分析智能馬桶蓋冷、熱水混合、暖風的流動特性以及加熱絲的散熱特性，系統優化產品結構性能，提升產品競爭力。