虹吸管道比冲洗能力影响参数研究*

2023-10-28周宏志李占福

陶瓷 2023年10期

童越周宏志李占福

(1 天津职业技术师范大学电子工程学院天津 300222)

(2 福建理工大学机械与汽车工程学院福州 350118)

在自然界中,虹吸是根据液体表面水平差产生的一种特别的力[1～2]。国内大部分的卫浴公司在设计虹吸管道的时候大部分都依靠仿制或传统工艺,缺乏新技术优化虹吸管道,不断加剧中国水资源的匮乏。刘少春应用计算流体动力学(CFD)对虹吸马桶冲洗整个过程进行了仿真研究,但是没有进行参数调节变化实验[3～4]。张荣誉通过改变水箱的水量进行实验研究,参数单一且没有充足的数据量[5]。李庚等对虹吸式马桶进行了负压瞬时抽水的试验,数据较准确,但结构不够简单[6]。虹吸管道的参数直接影响着坐便器冲洗的性能。

笔者希望通过实验的探究来优化虹吸管道。以马桶虹吸流道为基础的试验研究,笔者定义并提取了综合的冲洗性能指标,并对4个对虹吸力产生影响的因素及与清洗效果的关系进行了分析,利用正交实验得到4个参数的显著性主次关系,同时得到优方案的参数组合,对虹吸管结构进行优化以改善其冲洗效果。

1 虹吸管道的参数与性能评价指标

1.1 虹吸管道的主要参数介绍

图1是一种虹吸管道的构造。其结构由α、d1、H2、d2四个参数来表征,α表示虹吸管道一次水封的倾斜坡度,H1表示虹吸管道一次水封高度,d1为BC-E弧度变化的长,d2为E-F二次水封的高,H2度为E-F二次水封的宽。α、d1、L2、d2分别命名为倾斜坡度、曲率宽、二次水封宽、二次水封高。

图1 虹吸管道的结构图

1.2 虹吸管道的冲洗性能的评价指标

本实验采用水冲小球来检测马桶的冲洗性能。在该研究中规定水的体积(V)为5.4 L,小球的体积是固定的,冲洗总个数为120个。

综合冲洗性能的评价指标-比冲洗能力:指单位体积水量下虹吸管道的相对冲洗能力。其中相对冲洗能力指冲掉小球的体积与被冲小球的总体积的比值。

式中:H——比冲洗能力;n冲——被冲走的小球数目;

N总——总体的小球数目;V水——座便器水箱水量。

2 实验装置的介绍

为了研究倾斜角度、曲率宽度、曲率长度、二次水封宽度及二次水封高度等,把虹吸管道放入2个用机玻璃板制成的透明平板内,在水平和竖直方向上各钻有一定间隔(10 mm)的小孔,利用在螺杆上加一个圆筒形衬套的方法进行补偿调整,并在此基础上组装试水台(水量检测平台),如图2所示。

图2 可调参数的坐便器实验平台

图3 二次水封高与比冲洗能力的实验结果

3 虹吸管道参数与比冲洗能力的关系

笔者希望通过单因素试验法和正交试验法来筛选出最优的一组实验参数。

通过此组实验的比较可发现,虽然对二次水封做的调整十分微小,但马桶的冲洗性能改变非常多,由此可看出二次水封高度是一个重要的影响因素。在此试验中,明显发现:比冲洗能力与二次水封高度的关系近似线性函数,随着二次水封高度的增加,比冲洗能力减少,但是当水封高度为0时,二次水封目的失效,所以选择二次水封能力的高度10 mm 作为最佳参数。虽然降低二次水封的高度能有很大的效果,但当二次水封高度降到10 mm 以下时较难完成较为有用的二次水封。

3.1 二次水封宽对冲洗性能的影响

当二次水封过宽时,会导致冲洗小球所需能量较大。从图4中可以看出,当水封宽大于80 mm 后冲走的小球减少。当二次水封宽小于80 mm 时,冲洗过程因为行程过短,致使小球在二次水封处发生堵塞,冲洗能量损失较大;当水封宽大于60 mm 时,堵塞较为严重,一次水封处也发成小球堆积现象,冲洗能力明显降;当水封宽增大到70 mm 时,堵塞现象明显减少,并在水封宽为80 mm 时,比冲洗能力为最大值。

表1 二次水封高度的实验设置

表2 二次水封宽度的实验设置

图4 二次水封宽与比冲洗能力的实验结果

3.2 曲率宽对冲水性能的影响

当曲率宽度过小时会造成竖直冲洗过程太短,势能积攒不足而造成一定堵塞,虽然有效减少了第一次冲水消耗的能量,但同时也使第一次冲水末尾携带能量较少的水残留,第二次冲水能量又较小,因此容易造成较严重的堵塞。同时从图5可以看出在曲率宽大约为50 mm 的时具备最大的比冲洗能力。

图5 曲率宽与比冲洗能力的实验结果

3.3 倾斜坡度对冲水性能的影响

从本组实验来看,一次水封的倾斜坡度对冲洗性能的影响也较大。分析原因发现:倾斜坡度过小会导致水冲小球时,在通过一次水封时运动路程较长,消耗多余的能量。当坡度过大时,第一次冲水的效果会大打折扣且造成一定堵塞,再进行第二次冲水时便毫无效果。从图6可以看出当倾斜坡度为45°时,比冲洗能力达到最大,同时当倾斜坡度增大时,比冲洗能力明显降低。

图6 倾斜坡度的实验结果

4 虹吸管道冲洗性能参数寻优

4.1 设置正交试验表

通过对实验结果进一步分析得出各个因素对实验影响的重要程度,划分出主次因素.A 为曲率宽,B 为倾斜坡度,C为二次水封宽,D为二次水封高。表5中,L9(34)为正交表的记号,正交的符号可表示为Ln(rm),其中L 为正交代号,n表示正交表行数,r表示因素水平位置,m 为正交表纵列数。

表3 曲率宽的实验设置

表4 倾斜坡度的实验设置

表5 正交表L 9(3 4)

4.2 优方案的确定

优化方案是指在实验范围内找到各因素的最佳组合水平。最佳水平的确定取决于实验指标。当指标越高越好时,应选择使指标最大化的水平,即各列Ki中最大值所对应的水平。相反,当指标越低越好时,应选择使指标最小化的水平。Ki:表中某一列的水平编号为i(在表5中i的取值为1、2或3)时,计算该列实验结果的总和。

R:在每一列中,将R=Max{K1,K2,K3}-Min{K1,K2,K3}定义为极差,极差最大的一列即为对实验结果产生最大影响的因素水平,也是主要因素。

根据表6设计的正交表所计算出的极差,可直观地看出二次水封高在这次实验中为主要因素。二次水封宽与倾斜坡度这2个因素对于实验也有较大影响,曲率宽对实验的影响较小。

表6 正交实验的实验设置

影响因素的主次关系为D＞C＞B＞A,A 因素列:K2＞K1=K3;B因素列:K1＞K2＞K3;C因素列:K3＞K2＞K1;D 因素列:K1＞K2＞K3,所以优方案为:K2,K1,K3,K1,即曲率宽度50 mm,倾斜坡度36°,二次水封宽为90 mm,二次水封高为10 mm。

图7为优化后的管道形状,为进一步验证正交试验所得结果的可靠性,根据上表7选择出来的4个因素的最优数据,计算比冲洗能力后发现通过正交试验得出的优化数据而得到的结果确实为上述所有实验中效果最好的一组。

表7 优化方案的实验设置

图7 优化后的管道形状图

4.3 响应面分析

通过各因素对变量的影响得出其显著性,同时还可以根据多因素之间的交互作用对对个变量进行分析,从而进行响应曲面优化。对倾斜坡度(B)、二次水封宽(C)、二次水封高(D)3个影响比较大的因素对虹吸管道的比冲洗能力进行响应面分析。

表8为回归模型方差分析,通过方差分析,发现自变量B、C的系数均显著不为0,说明二次水封宽度和二次水封高度两个因素对比冲洗能力的解释程度较高,对比冲洗能力的变化具有更高的影响。而倾斜坡度对比冲洗能力的变化影响较小。分析结果显示,F统计量的值较大,表明模型的拟合程度较为良好。决定系数R2=0.9863,说明实际值和预测值之间具有较高的相关性。

表8 回归模型方差分析

续表8

图8为各个因素对比冲洗能力的交互作用,可以看出,各个因素之间的交互作用对虹吸管道比冲洗能力的影响并不完全一样。图a中可以看出,比冲洗能力与倾斜坡度和二次水封宽度呈现凸函数关系,倾斜坡度一定时,随着二次水封宽度的增加,比冲洗能力先增大后减小;当二次水封宽度一定时,随着倾斜坡度的增大,比冲洗能力先增大后减小;在二次水封宽度为60～80 mm 时,比冲洗能力敏感程度较高。图b中可以看出,倾斜坡度与二次水封高度对比冲洗能力的交互作用比较复杂,倾斜坡度在26°～35°和二次水封高度在25～40 mm 范围内,比冲洗能力变化较为剧烈。图c中可以看出,二次水封宽度与二次水封高度之间存在明显的交互作用,在二次水封宽度为60～80 mm范围内,比冲洗能力变化较为剧烈。