验证CFD技术的实验设计


  [摘 要]我们以台上盆为例,通过结合CFD技术对防溅水洗手盆展开研究,通过快速的计算结果反馈,实现洗手盆防溅水性能的优化,指导防溅水洗手盆的工业设计。在研究的过程中,我们应用CFD技术对洗手盆的使用过程进行数值模拟。为验证数据的可靠与可行性,我们设计了验证CFD技术的实验方案。本着可循环利用和持续发展的设计理念,我们设计了一套实验装置。
  [关键词]CFD技术; 洗手盆; 验证实验。
  中图分类号:G711 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2019)13-0105-01
  一、CFD技术的概念
  计算流体力学(Computational Flu-id Dynamics简称CFD)是流体力学的一个分支, 在整个流体力学中的地位也十分突出。数值模拟是根据具体对象建立相应的数学模型, 然后采用数值分析方法计算求解。常用的数值方法包括解析法、差分法、蒙特卡罗法、有限元法等。CFD模拟就是为得到更加准确地进出流场的宏观现象, 从而对水流的运动进行微观描述的现象。随着现代科学技术水平的不断提高, 各个行业及领域均得到快速发展,同样,在工业设计的多个环节中受到广泛关注。
  二、CFD技术的应用——以洗手盆为例
  2.1产品背景
  洗脸盆是人们日常生活中不可缺少的卫生洁具,它是现代生活进化到一定程度的产物。调查发现,在一些公共场合,很多水龙头都没有安装起泡器或损坏后继续使用,另外,在洗手、刷牙、倒水时,仍然会遇到水流溅出的问题。而这正是进一步挖掘用户潜在需求、突破洗手盆以往定式的一个切入点。为了更好的生活体验,我们开展了对防溅水洗手盆的研发。
  2.2计算的合理設计方向
  通过分析,可明确防溅水洗手盆的合理设计方向:
  (1)通过改变洗手盆盆沿造型,迫使水流改变方向,达到水流不外溅的效果;(2)在盆体底部设置消能区(如在采用网状排水盖,或铺设多孔陶瓷、细石粒等),耗散水流动能,实现防溅水的目的。
  基于以上信息,提出一款底部采用网状排水孔盖、盆沿呈倒L型结构的简约型防溅水洗手盆的设计方案。
  三、验证CFD技术结果
  3.1实验仪器设计
  本着节省成本、循环利用的目的,我们研发了环保型实验装置。本实验装置采用榫卯结构,各部件可拆卸,易于更改,不仅适用于本验证实验,同时也适用于更改洗手盆变量的实验和进行教学演示。
  ①具有榫卯结构的盆体,顶端的榫卯结构可嵌入不同款式的盆沿,而盆底也可以更换不一样材料结构的排水口,进行变量实验;②由3D打印制作而成的多种款式的盆沿,既可以方便根据实验需要进行更换,也同时减少模型重新制作的时间与费用;③在盆底排水口可根据实验需要置换不同的消能装置,更方便进行多次变量实验;④下水口管道,进行实验排水;⑤沿实验盆体围绕一圈的集水器,用于收集实验飞溅的水,用于评测预想方案。
  3.2实验方案设计
  实验目的:(1)通过实验验证CFD技术模拟结果。(2)通过实验来分析有效的盆沿结构。(3)通过实验来找出较佳的消能材料。
  实验原理:水流从高处落下,具有一定速度,当它落到洗手盆的时候,由于撞击,它便会产生一定的水花,我们可以通过改变洗手盆的盆沿,或者在盆底部设置消能区达到减少水花的飞溅。
  实验材料:普通洗手盆、石膏、水、水压控制器、高频摄像机、具有榫卯结构的洗手盆、多种3D打印的盆沿组件、集水器、鹅卵石、沙子、多孔陶瓷、铁网、网状排水口、带盖普通排水口,水箱、不带起泡器的普通水龙头。
  实验步骤:
  (1)获取已用CFD技术模拟的数据;(2)根据具有榫卯结构的洗手盆的基本参数,进行模具制作;(3)按实验装置图安装好实验器材;(4)在洗手盆上安装普通的盆沿;(5)将水流速度控制为2m/s(以家庭用水为例);(6)打开开关,用高频摄像机记录下溅水量的方向;(7)回收飞溅的水,测量出体积,记下体积V;(8)基于以上数据,对洗手盆初始盆沿参数进行改进;(9)重复进行第5-8步的实验步骤,直到洗手盆的溅水量V不再变化,此时盆沿为较优设计;
  不同盆沿形状
  水花体积V
  (10)按上面实验数值得出较优的盆沿设计,并作为下面实验的固定盆沿设计;(11)更改水箱高度,打开开关,用高频摄像机记录下溅水量的方向;(12)回收飞溅的水,测量出体积,记下体积V;(13)基于以上数据,对水箱高度参数进行更改;(14)重复进行第11-13步的实验步骤,调节水箱高度为40公分时(家庭水龙头口距离洗手盆最大高度),洗手盆溅水量V可忽略不计时,此时盆沿为较优设计;
  (15)按上面实验数值得出较优的盆沿设计,并作为下面实验的固定盆沿设计;(16)在洗手盆下水口方安装带盖普通排水口;(17)将水流速度控制为2m/s(以家庭用水为例);(18)打开开关,用高频摄像机记录下溅水量的方向;(19)回收飞溅的水,测量出体积,记下体积V;(20)基于以上数据,更改盆底消能材料;(21)重复进行第17-20步的实验步骤,直到洗手盆溅水量V不再变化,此时消能材料为较优。
  3.3 实验装置图(图2)
  参考文献
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