彭佳艺,黄萍*,李亚林,孙海超,徐慧,郑峰

(1. 江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心,江苏 镇江 212013;2.宁波方太厨具有限公司,浙江 宁波 315336)

洗碗机被誉为继洗衣机之后第二次解放人类双手的家电产品.目前市场上家用洗碗机主要分为台式、嵌入式和水槽式.台式洗碗机具有小巧、占用空间小、摆放灵活等优点;嵌入式洗碗机是一种隐形的洗碗机,与橱柜融为一体,外观高端大气,功能全面,具有容量大、隐蔽性好、一机多用等优点;水槽式洗碗机外观上与普通水槽相似,属于半嵌入式洗碗机,有着省时省电、厨房空间利用率高、排水方便等诸多优点[1].目前上述种类的洗碗机已经开始在国内普及,但是普及率远落后于发达国家,究其原因在于洗碗机产品自身的客观条件,国内市场上出售的柜式洗碗机占用空间面积大,易受消费者居住条件的限制,且采用的喷淋方式给中国碗、盘、盆等餐具的清洗造成了使用上的不便,易出现清洗不干净的现象.

目前,国内外学者对洗碗机展开了大量研究.MINDE等[2]利用PIV测试了洗碗机内盘子和杯子之间的空气流场速度分布,并验证了CFD计算结果;PÉREZ-MOHEDANO等[3]利用PEPT试验设备对洗碗机内水流运动进行了参数化表征,确定了洗碗机内水运动分为5个阶段,并发现射流路径遵循直线流动规律,并基于几何原理的数学模型评估水射流轨迹,提出了用于预测洗碗机内部各清洗变量影响的一种综合模型[4];DEDOUSSIS等[5]基于立体光固化成型技术建立了不同几何形状的喷淋臂,对洗碗机的喷淋臂进行了优化设计;SANTORI等[6]采用试验方法对洗碗机进行测试和优化,在改进的洗碗机原型上采用全因子进行吸附式洗碗机参数的灵敏度分析和设计;HABIBI KHORASANI[7]将Simscape物理网络建模集成到MATLAB软件中,研究了在输入参数不确定的情况下洗碗机的水力学性能;TURGUL[8]设计并制造了一种高效洗碗机,通过计算流体力学(CFD)和室内试验对其性能进行评估,在能源效率可接受的情况下,达到了绩效目标;ERIK[9]对洗碗机液压系统进行了分析建模,计算了连续损失和局部损失,确定了系统的工作点,利用改进的设计参数制作了样机并安装在洗碗机上,观察新设计对洗碗机洗涤性能的影响.LIU等[10]基于CML方法从资源消耗、污染物排放和环境影响3个方面研究了洗碗机对环境的影响,分析了洗碗机的工作系统并提出改进措施;田乐等[11]通过试验和仿真分析研究了洗碗机水流系统的泵接头出口大小、进口与出口夹角大小等对流量分配、喷臂压力的影响;喻永康等[12]基于商用CFD软件Fluent对洗碗机喷淋系统进行了研究;丁敏等[13]采用仿真技术研究了洗碗机中噪声、流道设计、气液两相流及流体换热等较复杂的问题.对比国内外研究现状发现,国外对洗碗机的研究比较全面,且采用了PIV,PEPT等先进试验设备,而国内研究相对起步较晚.同时发现国内外对洗碗机的研究多数偏向喷淋臂,而对水泵研究相对较少,从而造成洗碗整机水力性能的研究更少.

尽管在学术上,国内外洗碗机研究差距较大,但是在产品研制上,国内则具有完全独立自主的知识产权产品,其中水槽式洗碗机就是针对中国家庭创新的典型代表之一,通过首次创新“开放式”水泵结构[14]实现洗碗机内无管路的开放式清洗功能,极大丰富了国内洗碗机种类,同时推动了国内洗碗机行业的发展,但是截至目前对这类洗碗机的研究较少,而对于从国外引进再创新的嵌入式洗碗机研究相对较多.因此文中拟对水槽式和嵌入式洗碗机的水力清洗系统进行整机计算,从水力性能方面对比研究2种洗碗机,揭示水槽式和嵌入式洗碗机设计的优势和不足,以便为创新设计新型洗碗机提供参考借鉴意义.

1 洗碗机几何模型

水槽式洗碗机水力部件主要由导流座、复合式叶轮及蜗壳式喷淋臂等部件组成,主要部件的三维模型如图1所示.导流座与电动机直连,水泵进口则处于导流座底部和电动机顶部之间,复合式叶轮坐落在导流座内,然后通过卡环和卡扣连接蜗壳式喷淋臂.其工作原理为复合式叶轮在电动机驱动下转动吸水,然后带动蜗壳式喷淋臂被动旋转射流完成水力清洗.从图1可以看出这种泵的结构非常新颖:叶轮是由底部前弯轴流叶栅和顶部离心叶片组成的复合式叶轮,蜗壳则是螺旋式蜗壳180°阵列形成双隔舌蜗壳,并且泵运行时蜗壳是发生被动旋转的,转速方向与叶轮相同,转速大小则为叶轮转速的1/60～1/50,泵出口由多个不同位置和不同方向的喷嘴组成.这种泵运行时不需要管路连接,且蜗壳式喷淋臂可通过卡扣随时拆卸,避免水力部件的藏污纳垢,实现了洗碗机无管路的开放式清洗功能,被称为“开放式”水泵,其结构和运行原理具有非常明显的创新性.

图1 水槽式洗碗机主要部件的三维模型

嵌入式洗碗机主要由水泵、喷淋臂和附加流道等部件组成,如图2所示.该洗碗机核心部件水泵采用传统的闭式离心叶轮,并配以复杂的管路布置驱动喷淋臂旋转完成清洗.喷淋臂与叶轮通过附加流道相连,附加流道结构相对比较复杂,它由水泵入口管路、压水室和出水流道组成.传统叶轮旋转形成高压水流在附加流道内先后经180°转向流动和90°转向流动后流入喷淋臂内,在高压水流冲击下和各喷嘴射流反作用下,喷淋臂发生被动旋转射流.理论上嵌入式洗碗机容量体积相对较大,一般由上、中、下3层喷淋臂管路组成,图2只选择具有底层管路布置系统的洗碗机进行对比.但是其附加流道和管路系统的流动转向较多,从水力损失角度来看,显然嵌入式洗碗机存在较大的管路水力损失.

图2 嵌入式洗碗机主要部件的三维模型

2 数值模拟计算方法

2.1 计算模型与网格

针对图1和图2洗碗机复杂结构,抽取了对应的水体并采用多面体网格方法对2种洗碗机主要部件进行了网格划分[15],如图3所示.多面体网格优点在于体单元理论上具有任意数量的面,对复杂几何结构有较强的适应能力,且能够保证较高的网格质量.图3显示了多面体网格对复杂几何的贴体性,以及边界层划分均满足计算要求.

图3 洗碗机主要部件的网格划分方案对比

2.2 湍流模型

对2种洗碗机全流道内部流动进行了三维黏性数值模拟,在双参考坐标(MRF)下,利用有限控制体积法对雷诺时均Navier-Stokes方程进行数值离散,2种方案均采用SIMPLEC算法,离散过程中均采用二阶迎风差分格式.湍流模型则采用旋转流体机械中应用较广的SSTk-ω模型[16-17],其在近壁面处采用Wilcoxk-ω模型,而在自由剪切层内和边界层边缘则采用标准k-ε模型,使其在具有逆压力梯度或流动分离的流场中有着很好的表现,SSTk-ω模型的具体表达式为

(1)

(2)

式中:Gk和Gω分别为由层流速度梯度和由ω方程产生的湍动能;Γk和Γω为湍动能k和湍流频率ω的扩散率;Yk和Yω为由于扩散产生的湍流;Dω为正交发散项;Sk和Sω为用户定义项.

2.3 边界条件设置

对于水槽式洗碗机,将导流座底部进水流道的3个进口断面位置设置为速度进口边界,根据总流量约为55 L/min换算成对应速度值,叶轮转速设置为3 000 r/min,蜗壳喷淋臂被动转速设置为60 r/min,各喷嘴出口设置为自由出流边界条件,其余壁面设置为无滑移壁面条件.

对于嵌入式洗碗机,将嵌入式洗碗机附加流道进口断面设置为速度进口边界,总流量为30 L/min换算成对应速度值,叶轮转速设置为2 800 r/min,喷淋臂被动转速设置为30 r/min,各喷嘴出口也设置为自由出流边界条件,其余壁面设置为无滑移壁面条件.2种洗碗机的求解精度均设为2阶,水槽式洗碗机残差收敛精度1.0×10-4,而嵌入式洗碗机残差收敛精度1.0×10-3.

3 数值计算结果及分析

3.1 整机水力性能对比分析

在洗碗机水力部件的进口和各喷嘴出口,根据伯努利方程[18-19]获得洗碗机整机扬程,计算公式为

(3)

式中:H为洗碗机的整机扬程,m;J为喷嘴总数;j为某一喷嘴;I为进、出口断面网格节点总数;i为某一节点;V为洗碗机内流体速度;p为流体所受压力强度;Q为进口流量;inlet, outlet为进出口;Δz为进、出口高度差,m.

水泵的理论扬程Ht计算公式[20]为

Ht=Mω′/ρgQ,

(4)

式中:M为叶轮所受外力矩,N·m;ω′为叶轮的角速度,rad/s.因此洗碗机的整机水力效率计算公式为

(5)

根据式(3)-(5),计算得到水槽式洗碗机的整机扬程H为2.02 m,水力效率ηh约为33%;而嵌入式水泵扬程H为1.10 m,水力效率ηh约为31%.尽管2种洗碗机的实际流量和叶轮转速等条件不同,但是在洗碗机实际运行工况点,水槽式洗碗机的整机水力效率比嵌入式洗碗机的整机效率高约2%,且具有较高的整机扬程,其值比嵌入式洗碗机高出1倍左右.

3.2 整机内流场对比分析

2种洗碗机整机内流场的流线及湍动能分布k如图4,5所示,图中L为洗碗机整机长度.

图4 水槽式洗碗机整机流线与湍动能分布图

从图4中可以发现水槽式洗碗机湍动能较大的区域位于复合式叶轮和各喷嘴处,其中复合式叶轮不仅内部湍动能较大,同时与导流座和蜗壳接触区域的湍动能分布也较大.水槽式洗碗机整机流线则相对光顺,只是在蜗壳式喷淋臂隔舌下游出现较大的旋涡.从图5中可看出,嵌入式洗碗机较大的湍动能分布在压水室出口处,以及附加流道转角处和喷淋臂主管道内.嵌入式洗碗机整机流线与水槽式洗碗机相比流线非常紊乱,在附加流道内出现多处较大的旋涡,且喷淋臂内形成较对称的旋流流动,由于嵌入式洗碗机内流线极其紊乱,也是造成其数值模拟收敛精度(1.0×10-3)难以达到水槽式洗碗机的收敛精度(1.0×10-4)水平.

图5 嵌入式洗碗机整机流线与湍动能分布

3.3 叶轮内流场对比分析

叶轮是水泵实现由机械能转换成压能的核心部件.对于新型洗碗机采用的复合式叶轮而言,其底部前弯轴流叶栅和顶部离心径向叶片内部典型流动如图6所示,图中vmag为展开速度,θ为弧度,表示叶栅内部流场中的不同位置或方向.

图6 水槽式洗碗机复合式叶轮内流场云图

图6a给出了轴流叶栅内流场展开速度vmag分布云图.从图中可以看出,轴流叶栅翼型弦长较普通轴流泵叶片较长,且叶片数非常多(8个叶片),这使得复合式叶轮底部前弯轴流叶栅流道非常狭长,且由于双隔舌蜗壳的动静干涉,各个轴流叶栅流道内部流动分布不是非常均匀.图6b则给出了离心径向叶片横截面的速度分布,可以看出由于受到叶轮旋转的影响,流道内轴向旋涡比较明显,尤其是靠近双隔舌蜗壳两侧流道,其内部流动被2个较大的旋涡阻塞了叶轮内部流道,而与其紧邻的流道在叶轮出口还存在部分回流.

不仅如此,由于轴流叶栅的翼型弦长较长,其与导流座间也会形成传统轴流泵中经典的叶顶间隙涡流动[21-22].

由于叶顶间隙涡的存在,使得轴流叶栅与导流座较小的间隙内存在较大的能力损失,如图7所示,明显看出导流座内壁面存在8个叶片扫掠时形成的较大TKE分布区域,这可能会引起叶轮能量的巨大损失.如图8所示,给出了前弯轴流叶栅不同叶片位置y处形成的经典叶顶间隙涡(TLV)流动规律,图中Ω为涡量.

图7 叶顶间隙下导流环壁面上的湍动能分布

图8 复合式叶轮的叶顶间隙涡(TLV)

对于嵌入式洗碗机采用的普通离心泵叶轮而言,其内部典型流动分布如图9所示.从图中可以看出,在嵌入式洗碗机真实运行工况下,叶轮内的速度分布由于受到轴向旋涡的影响,也是非常不均匀的,但是与传统泵高效水力模型相比,其内部流动分布较差,在叶片的吸力面出现了分离涡,如图9a中截面内流场分布所示.

图9 嵌入式洗碗机叶轮内流场分析

而在图9b叶轮轴面内流场分布非常不光顺,在叶片进口前沿出现较大旋涡,而叶轮出口断面(A-A)内的速度分布极不均匀,高速区明显偏向前盖板,这会对嵌入式洗碗机的压水室形成较大的冲击损失.

通过2种洗碗机叶轮对比发现,新型洗碗机由于结构的创新,其内部存在轴向旋涡和叶顶间隙涡等不利流动,需要对复合式叶轮进行水力优化,以减小不利流动对水泵性能的影响.而嵌入式洗碗机采用传统叶轮方式,其叶轮内部流动并不是很光顺,一方面由于传统泵与复杂管路匹配使得泵可能不在最优工况运行,另一方面则可能由于水泵本身设计存在一定缺陷性,因此嵌入式洗碗机水泵的优化空间很大.

3.4 喷淋臂内流场对比分析

图10为水槽式洗碗机喷淋臂断面二次流分布.从图中可以看出,在喷嘴出口的过流断面基本没有二次流旋涡,而在非喷嘴出口断面,由于蜗壳式喷淋臂的被动旋转作用,其在密闭过流断面的流体受到旋转产生的离心力和科氏力作用,会出现1个不规则的旋涡,该旋涡位置和大小与过流断面所处位置有关,且主要靠近蜗壳隔舌下游较近的位置.而从蜗壳式喷淋臂两侧过流断面对比发现,二次流分布规律并不相同,主要是受喷嘴位置和数量的影响.

图10 水槽式洗碗机蜗壳喷淋臂断面二次流分布

图11为嵌入式洗碗机喷淋臂断面二次流分布.从图中可以看出,嵌入式洗碗机喷淋臂两侧断面由于受到管路的冲击而发生被动旋转,在冲击断面(ZJM)形成明显的对称的二次流旋涡,然后结合图5流线图发现,在喷淋臂两侧分别形成一对旋流,而在喷淋臂两侧外缘,随着二次流旋涡位置逐渐远离蜗壳隔舌,强度也不断减弱,因此图11中靠近喷淋臂中间的相对应位置(断面6-7)会有1对二次流旋涡,之后旋涡随着位置的变化逐渐减小直至消失.

图11 嵌入式洗碗机喷淋臂断面二次流分布

对比图10,11可以发现,嵌入式洗碗机由于管路的存在,其在管路末端冲击形成的2个对称的旋涡会引起较大的水力冲击损失,同时发现嵌入式洗碗机的喷淋臂过流断面的二次流旋涡明显比水槽式洗碗机内的旋涡数量较多,尤其是在喷嘴出口的过流断面,嵌入式洗碗机喷淋臂内仍存在二次流旋涡,因此从内流场方面,嵌入式洗碗机的喷淋臂二次流损失比蜗壳式喷淋臂(水槽式洗碗机)更大.

不仅如此,理论上嵌入式洗碗机多数由底、中和上3层喷淋臂组成,因此实际上嵌入式洗碗机的管路系统更加复杂,管路损失也更多.将图2仅具有底层喷淋臂的嵌入式洗碗机进行管路加长,即可说明水槽式洗碗机去除管路的优势,如图12所示,其中图12a给出了嵌入式洗碗机不同管路高度的喷淋壁对比方案,管道高度l由50 mm增加到200 mm,根据式(3)—(5)计算了嵌入式洗碗机的整机水力效率随喷淋壁管道高度l变化规律,如图12b所示.

图12 嵌入式洗碗机喷淋臂高度变化规律

从图12b中可以看出,随着喷淋壁高度的增大,嵌入式洗碗机的整机水力效率基本是呈下降趋势,其原因如图12c所示,主要是随着管路高度l的增大,管路断面的二次涡数量明显变多,从而引起管路的水力损失增大,另一方面还包括管路的改变使得泵工况发生改变,其整机水力效率也会引起变化.因此管路系统对洗碗机整机的水力效率有较大影响,并且实际上嵌入式洗碗机的管路系统更加复杂,包含很多弯头结构等,理论上的管路损失更大.因此水槽式洗碗机去除了管路,不仅可以减小一部分水力损失,同时避免了管路的藏污纳垢,在这方面水槽式洗碗机更具优势.

3.5 附加流道内流场对比分析

图13为水槽式洗碗机导流座底部不同高度截面内的速度分布云图.从图中可以看出,导流座底部进口流动分布均匀,且在导流座内逐渐靠近泵进口(y值减小),速度分布更加光顺,有效减小了开放式水泵进口水力损失.

图13 水槽式洗碗机导流座底部不同高度处内流场分布

图14为嵌入式洗碗机附加流道不同断面速度分布云图.从图14中可以看出,在yz1断面处,泵进口圆形断面内流动分布非常不均匀,而yz2断面处,压水室内流动沿着附加流道顶面流动,在压水室隔舌后的附加流道内出现低压旋涡区;在xy1断面发现在180°转向处,主流沿着左侧壁面流动,在右侧壁面形成较大的涡流低压区;在xz1断面上发现附加流道接入喷淋臂入口处,在流道断面两侧形成低压旋涡区.总之,嵌入式洗碗机附加流道内涡流现象明显,增大了水力损失.可能原因是泵选型不合理,需要削弱传统水泵的部分扬程,以达到喷淋臂射流所需的扬程,因此嵌入式洗碗机结构上可能存在“大马拉小车”的问题,即用高扬程泵通过附加流道损失获得相对较小的射流扬程.

4 结 论

通过对水槽式和嵌入式2种洗碗机的水力清洗系统进行数值计算,对比研究了2种洗碗机的水力性能,得到以下主要结论:

1) 水槽式洗碗机的整机扬程为2.02 m,水力效率约为33%;而嵌入式水泵扬程为1.10 m,水力效率约为31%.尽管2种洗碗机的实际运行工况不同,但是水槽式洗碗机的整机水力效率比嵌入式洗碗机的整机效率高约2%,且具有较高的整机扬程.这说明水槽式洗碗机无管路的创新方向是值得借鉴的.

2) 水槽式洗碗机创新实现蜗壳与喷淋臂结构二合一,有效去除管路,水力分析表明水力损失相对嵌入式洗碗机较小,但是由于复合式叶轮等特殊结构的存在,使得开放式水泵内部存在叶顶间隙涡、轴向旋涡等不利流动现象,需要对开放式水泵结构参数进行优化,以获得水力性能较高的开放式水泵水力模型.

3) 嵌入式洗碗机采用传统的水泵设计方式,存在水泵选型不合理或者水泵与复杂管路匹配使得泵在非高效区运行,甚至在偏工况运行,水力分析表明嵌入式洗碗机内部流动损失大,结构上存在“大马拉小车”的问题,即用高扬程泵通过附加流道损失获得相对较小的射流扬程.因此嵌入式洗碗机优化空间很大.

综合而言,洗碗机的对比不仅涉及洗碗机的整机扬程和效率,同时还涉及洗碗机的清洗度、耗水量、耗电量等多个指标,这些指标还与喷嘴射流流动以及残渣的物理化学性质等有关,非常复杂,同时嵌入式洗碗机与水槽式洗碗机的洗涤容量也不相同,因此每种洗碗机都有各自的优势,但是通过文中水力性能对比研究,可以揭示现有洗碗机在水力结构设计上存在一定问题,同时发现无管路的创新方向可行性,对洗碗机的研究和创新设计具有一定的参考借鉴意义.