图2 后冲式坐便器剖面图
4 CFD计算模型和边界条件
坐便器冲洗过程为一个不可压缩的、非稳态的、湍流流动，内部流道中流体流动具有很高的流线曲率变化。而重整化群（Renormalization Group，RNG）k-ε双方程模型可模拟仿真非稳态的湍流流动过程，尤其在大曲率、旋涡的流动过程仿真中能提供更准确的结果[10-11]。故本文采用RNG k–ε（re-normalization group k–ε）湍流模型求解坐便器内流体连续流动过程中国论文下载中心。
坐便器几何模型需要被划分为若干个网格区域，以满足计算的需求。对坐便器虹吸性能影响最大的虹吸管的内部水流速度及压强梯度远大于其它区域，故在虹吸管区域增大了网格密度，以保证计算精度。坐便器水箱上端、盆面表面设置为压力进口，虹吸管出水口设置为压力出口条件。在固壁边界，设置无滑表面条件和标准壁面函数。
为了求解压力速度耦合方程，使用基于有限体积法的SIMPLEC算法，仿真过程使用商业软件FLUENT。为了保证研究的可比性，建立的后冲式流道计算模型与前冲式的相比，除了喷射口与虹吸管道方位相反以外，其他结构尺寸均未变化。盆面曲面由于结构设计要求，上沿造型略有改动（请比较图1和图2），对流动特性影响很小，可以忽略。
5 仿真结果及分析
利用本文建立的模型，计算得出两种坐便器喷射口和DE面的速度、质量流量、压强随时间变化的曲线，并将两者的结果进行对比，如图3～8所示。
 图3 DE面处速度-时间曲线
图4 喷射口处速度-时间曲线
图5 DE面处质量流量-时间曲线
 图6喷射口处质量流量-时间曲线
图7 DE面处压强-时间曲线
图8 喷射口处压强-时间曲线
从图3～图8可以看出：在工作阶段（0s～3.5s）,后冲式坐便器质量流量大部分时间中都比同一时段的前冲式对应参数要大，针对坐便器虹吸过程是非稳态流动这一特征，本文用工作阶段虹吸管DE截面质量流量m(t)对流动时间t进行积分，得到累积质量M虹吸，后冲式的累积值（6.15818）较前冲式的累计值（5.5923）大10%，且后冲式坐便器最大速度、最大质量流量、最大负压发生时间均较前冲式有所提前，分别约提前了12.5%、13.1%、13.8%，同时，后冲式坐便器虹吸稳定阶段的持续时间同样有所延长，后冲式为1s，前冲式为0.85s，延长了17.6%，在MATLAB中对虹吸发生面处压强-时间数据进行处理，得到后冲式累积负压P1＝－2765.52Pa，而前冲式累积负压P2＝－2335.36Pa，提高了18.4%。综上所述，后冲式坐便器流道冲洗性能较前冲式好。
6 结论
本文从虹吸原理出发，分析了坐便器工作原理，以及对冲洗性能具有关键影响的冲洗流道沿程损失因素，设计了新型后冲式坐便器流道系统。建立了后冲式坐便器流道仿真模型并与对应的前冲式坐便器仿真模型进行比较研究。结果表明，冲洗过程中前者在关键截面的最大速度、最大质量流量、最大负压发生时间均优于后者分别约12.5%、13.1%、13.8%，虹吸持续时间延长了17.6%，工作累计负压提高了18.4%，说明后冲式坐便器在冲洗性能方面具有更好的表现。
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