专利名称：卫生洁具形成虹吸现象的vof模型预测方法
技术领域：
本发明是一种计算机的数值计算的预测卫生洁具虹吸现象是否形成、形成的时间点以及时间段的判定方法，属于卫生洁具形成虹吸现象的VOF模型预测方法的创新技术。
背景技术：
虹吸式卫生洁具的一个重要方面，就是利用管道结构的特殊性，使冲洗水在卫生洁具的排污管道(通称存水弯管)内充满水后形成的一定的压力将污物排走。虹吸能否形成，虹吸形成的开始时间点、结束时间点及其持续时间是虹吸式卫生洁具开发过程中的一个难点。卫生洁具制造企业较多采用经验方法研究冲水过程，要试制出产品之后通过实际的冲水实验来改进卫生洁具的冲水流道结构。冲水过程的性能预测方面，有人将冲水过程简化为一维问题建立了虹吸式的冲水过程水动力学数学模型，给出了评价卫生洁具的冲水性能的数学方法，计算了马桶冲水过程中水动力学特征量随时间的变化，分析了卫生洁具结构参数对冲刷效果的影响，显然，简化成一维问题与实际情况有出入，还难于应用到工程领域。本发明针对企业普遍关心的卫生洁具的虹吸现象形成的预测问题，对卫生洁具建立了三维、非稳态的气、液多相流的VOF(Volume of Fluid)计算流体分析模型，获得了虹吸式卫生洁虹吸现象形成的数值判断依据，可对卫生洁具的设计提供理论依据
发明内容
本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种对卫生洁具建立计算流体力学的数学模型，对是否形成、形成的时间点以及时间段的提供高精度的判定方法。
本发明卫生洁具形成虹吸现象的VOF模型预测方法的原理图如图1所示，其包括有如下步骤1)建立卫生洁具冲水流道的三维几何模型；2)划分网格及边界条件处理；3)建立求解域的非稳态的气液多相流VOF模型；4)用有限体积法构造积分型离散方程；5)进行排污管顶峰截面的体积分数积分值的计算；6)判断是否形成虹吸，如符合形成虹吸的条件，则保存结果，如不符合形成虹吸的条件，则重新建立卫生洁具冲水流道的三维几何模型，重复上述过程。
上述离散方程组的求解采用ADI法，压力和速度耦合问题的求解用PISO算法。
上述VOF计算模型中定义流动控制体中的组分数为3。
上述判断是否形成虹吸的数值依据为通过对卫生洁具的计算流体力学的VOF模型的数值计算，可分别获得空气和水分别在排污管的顶峰截面的体积分数积分值随时间的历程曲线，如果形成虹吸现象，那么水的体积分数积分值的时间历程曲线会有一平行于时间坐标轴的近似直线的波动线段，该直线段的纵坐标值为排污管的顶峰断面的面积值；而空气的体积分数积分值的时间历程曲线也会有一平行于时间坐标轴的近似直线的波动线段，该波动线段的纵坐标值为0；两直线段的长度相等，其起点、终点对应的时间坐标相同；其线段长度为虹吸现象的持续时间，起点对应的时间坐标值为形成时间，而终点对应的时间坐标值为结束时间。
本发明由于采用通过对卫生洁具的VOF模型进行流体力学的数值计算以判定卫生洁具是否形成现象，因此，其对是否形成、形成的时间点以及时间段能提供高精度的判定。本发明是一种判定准确，简单方便的卫生洁具形成虹吸现象的VOF模型预测方法。
图1为本发明的原理框图；图2为本发明的求解域CAD模型；图3排污管顶峰截面A-A示意图；图4为空气在排污管顶峰断面的组分积分值的时间历程曲线；图5水在排污管顶峰断面的组分积分值的时间历程曲线；图6水箱水在排污管顶峰断面的组分积分值的时间历程曲线；图7水封水在排污管顶峰断面的组分积分值的时间历程曲线。
具体实施例方式实施例本发明卫生洁具形成虹吸现象的VOF模型预测方法的原理图如图1所示，其包括有如下步骤1)建立卫生洁具冲水流道的三维几何模型；2)划分网格及边界条件处理；3)建立求解域的非稳态的气液多相流VOF模型；4)用有限体积法构造积分型离散方程；
5)进行排污管顶峰截面的体积分数积分值的计算；6)判断是否形成虹吸，如符合形成虹吸的条件，则保存结果，如不符合形成虹吸的条件，则重新建立卫生洁具冲水流道的三维几何模型，重复上述过程。
上述离散方程组的求解采用ADI法，压力和速度耦合问题的求解用PISO算法。
上述VOF计算模型中定义流动控制体中的组分数为3。
上述判断是否形成虹吸的数值依据为通过对卫生洁具的计算流体力学的VOF模型的数值计算，可分别获得空气和水分别在排污管的顶峰截面的体积分数积分值随时间的历程曲线，如果形成虹吸现象，那么水的体积分数积分值的时间历程曲线会有一平行于时间坐标轴的近似直线的波动线段，该直线段的纵坐标值为排污管的顶峰断面的面积值；而空气的体积分数积分值的时间历程曲线也会有一平行于时间坐标轴的近似直线的波动线段，该波动线段的纵坐标值为0；两直线段的长度相等，其起点、终点对应的时间坐标相同；其线段长度为虹吸现象的持续时间，起点对应的时间坐标值为形成时间，而终点对应的时间坐标值为结束时间。
本实施例中，以一个数字化制模方式制造出来的能形成虹吸的卫生洁具模型实物为研究对象，从而保证了数值几何模型与实验实物模型的完全一直性。以整个冲水流道(水箱→进水管→坐圈→水包→排污管)为数值计算的求解域，并在计算机三维设计软件中建立了其流动控制体的CAD模型，如图2所示。该求解域几何模型只在水箱1部位有所简化，但是影响流动的卫生洁具另四大关键结构部分，即坐圈2、坐圈下面的若干出水小孔3、水包4和排污管道5，都被完整地保留，较真实、全面地反映了卫生洁具的冲水流道，以便数值计算得到的一些宏观数据能与测得的实验数据相对比，简单验证数值模拟的准确程度。
本实施例定义流动控制体中的组分数为3，水箱和水封处为定量液相水，水箱1的水体积为6L，水封处的水体积为2L。流动控制体的其余空间为气相(空气)。若发生虹吸现象，则在排污管处，会形成连续满管流动。即若以排污弯管的顶峰断面(如图3所示)为考察对象，则在某个时间段，水在该断面的组分积分值为最大，而空气在此断面的组分积分值为0。通过对卫生洁具的计算流体力学的VOF模型的数值计算，可分别获得空气和水分别在排污管的顶峰断面的组分积分值随时间的历程曲线，若形成虹吸现象，则水的组分积分值的时间历程曲线会有一平行于时间坐标轴的近似直线微量波动段，该近似直线微量波动段的纵坐标值为排污管的顶峰断面的面积值。而空气的组分积分值的时间历程曲线也会有一平行于时间坐标轴的直线段，该直线段的纵坐标值为0。两直线段的长度相等，其起点、终点对应的时间坐标相同。其线段长度为虹吸现象的持续时间。起点对应的时间坐标值为形成时间，而终点对应的时间坐标值为结束时间。
经过计算流体VOF模型的数值计算后，若以排污弯管的顶峰断面为考察对象，则可获得了四个曲线图，图4为空气在排污弯管的顶峰断面的组分积分值的时间历程曲线，图5为水在排污弯管的顶峰断面的体积分数积分值的时间历程曲线。图6、图7分别为清水和污水在排污弯管的顶峰断面的体积分数积分值的时间历程曲线。图5的曲线是通过图5和图6的叠加获得的。由图4、图5知，该卫生洁具的冲水时间历程为大致为6.8s左右。在2.95s-6.15s的时间段，水在该断面的组分积分值为最大且为一条近似的平行于时间坐标轴的波动线段，该纵坐标值为排污管的顶峰断面的面积值0.0019m2，而空气在此断面的组分积分值为纵坐标值为零值附近微量波动的一条近似于平行于时间坐标轴的线段，所有这些表明在2.95s-6.15s时间段，水充满整个排污管，排污管内为一维的连续流。由此可以得出该卫生洁具形成虹吸的开始时间是2.95s，结束时间是6.15s，而持续时间是6.15-2.95＝3.2(s)的比较精确的数值判据。且该数据经实验验证，完全符合实际情况。
权利要求
1.一种卫生洁具形成虹吸现象的VOF模型预测方法，其特征在于包括有如下步骤1)建立卫生洁具冲水流道的三维几何模型；2)划分网格及边界条件处理；3)建立求解域的非稳态的气液多相流VOF模型；4)用有限体积法构造积分型离散方程；5)进行排污管顶峰截面的体积分数积分值的计算；6)判断是否形成虹吸，如符合形成虹吸的条件，则保存结果，如不符合形成虹吸的条件，则重新建立卫生洁具冲水流道的三维几何模型，重复上述过程。
2.根据权利要求1所述的卫生洁具形成虹吸现象的VOF模型预测方法，其特征在于上述离散方程组的求解采用ADI法，压力和速度耦合问题的求解用PISO算法。
3.根据权利要求1所述的卫生洁具形成虹吸现象的VOF模型预测方法，其特征在于上述VOF计算模型中定义流动控制体中的组分数为3。
4.根据权利要求1所述的卫生洁具形成虹吸现象的VOF模型预测方法，其特征在于上述判断是否形成虹吸的数值依据为通过对卫生洁具的计算流体力学的VOF模型的数值计算，可分别获得空气和水分别在排污管的顶峰截面的体积分数积分值随时间的历程曲线，如果形成虹吸现象，那么水的体积分数积分值的时间历程曲线会有一平行于时间坐标轴的近似直线的波动线段，该直线段的纵坐标值为排污管的顶峰断面的面积值；而空气的体积分数积分值的时间历程曲线也会有一平行于时间坐标轴的近似直线的波动线段，该波动线段的纵坐标值为0；两直线段的长度相等，其起点、终点对应的时间坐标相同；其线段长度为虹吸现象的持续时间，起点对应的时间坐标值为形成时间，而终点对应的时间坐标值为结束时间。
全文摘要
本发明是一种计算机的数值计算的预测卫生洁具虹吸现象是否形成、形成的时间点以及时间段的判定方法。其包括有如下步骤1)建立卫生洁具冲水流道的三维几何模型；2)划分网格及边界条件处理；3)建立求解域的非稳态的气液多相流VOF模型；4)用有限体积法构造积分型离散方程；5)进行排污管顶峰截面的体积分数积分值的计算；6)判断是否形成虹吸，如符合形成虹吸的条件，则保存结果，如不符合形成虹吸的条件，则重新建立卫生洁具冲水流道的三维几何模型，重复上述过程。本发明由于采用通过对卫生洁具的VOF模型进行流体力学的数值计算以判定卫生洁具是否形成现象，因此，其对是否形成、形成的时间点以及时间段能提供高精度的判定。
文档编号G06F17/50GK1908946SQ20061003714
公开日2007年2月7日 申请日期2006年8月22日 优先权日2006年8月22日
发明者潘晓涛, 孙友松, 詹杰民, 李军 申请人:广东工业大学