基于Fluent流体动力学洗碗机喷淋系统研究

喻永康，何雪明

（1.江苏信息职业技术学院电气工程系，江苏 无锡 214153；2.江南大学机械工程学院，江苏 无锡 214122）

0 前言

CFD作为一门具有强大生命力的边缘科学，涉及流体力学、数值计算方法以及计算机科学等诸多领域，CFD以有限单元离散化思想为指导，计算机为辅助工具，对实际物理问题进行数值实验模拟以及计算模拟分析，快速且准确地解决流体力学等学科领域中的实际物理问题[1]。计算流体动力学CFD求解流体流动和热传导等物理模型的基本思想是：先将连续的物理整体离散为有限个单元离散点，再根据一定的原则以及方法为有限个离散点建立关系方程组，最后通过求解关系方程组就能获得实际问题的近似值[2]。

由美国FLUENT公司于1983推出的流体仿真分析软件FLUENT是目前适用性最广、功能最全面的CFD软件之一，它在流体力学分析，热传递分析及化学反应分析等方面应用非常广泛，比如航空航天工业、汽车设计工业、石油天然气工业等。

FLUENT软件系统一般求解步骤为：（1）构建几何模型及网格模型；（2）检查网格是否符合精度要求；（3）选取求解器并确定运行环境；（4）选取求解方案和计算模型：层流或湍流（或无黏流）、传热模型等；（5）其他需要计算的模型，如风扇、热交换器、多孔介质模型等；（6）输入流体的材料特性；（7）设计边界类型及边界条件；（8）设置条件计算参数；（9）流场的初始化；（10）进行求解；（11）后置处理。

1 洗碗机喷淋系统流道建模

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，从1850年诞生发展到现在，技术已经非常成熟，在欧美等发达国家普及率一般在50%以上[3-4]。目前常用洗碗机的工作原理是将溶解了洗涤剂的水，加热加压，冲向待清洗的餐具，洗涤后排水，然后换清水冲洗，如此冲洗餐具数遍，完成一次洗碗。洗净后利用自身余热或加热元件加热的空气把餐具烘干，所以有的国家又称其为碗碟干燥机。目前我国市场上出售的洗碗机大部分是采用喷淋方式对餐具进行清洗的，对餐具的形状、大小和放置有一定的要求[5]。

根据国内某公司所提供的洗碗机进行测绘，该洗碗机的喷淋系统由清洗出口和两道漂洗出口组成，涉及的流道建模主要有清洗出口（图1）和漂洗出口（图2）。

图1 清洗出口视图

图2 漂洗出口视图

为了保证流道的真实性，保证仿真的准确性，在建模过程中对于一些出口的参数要仔细研究，其形状位置角度大小都要保证。流道是除去壁面之后的所有水流经的部分，应用UG NX软件三维建模功能做出了三维流道模型。在清漂洗流道模型的建立过程中，必须由个体到整体逐步建立，并加以仿真，在能得到初步仿真结果之后，再增加模型的复杂程度。在逐步建模的过程中，上一步的建模仿真分析结果是下一步建模的基础。最终建立的洗碗机清漂洗系统的流道模型如图3和图4。

图3 清洗出口流道模型

图4 漂洗出口流道模型

2 洗碗机喷淋系统的Fluent分析研究

商用洗碗机的喷淋系统比较复杂，管道繁多，但起到决定性作用的就是喷头出口的大小和角度，开口过大，导致水流喷射的速度过小，不能高效的清洗油污的碗盘，开口过小，导致水流喷射压力过大，对于水泵和喷淋管道质量有特殊要求。喷头开口的角度直接影响到清洗的面积，决定漂洗是否完全和洁净。

2.1 清洗流道仿真及其计算结果分析

把建立好的模型导入并设置参数之后，就仿真出结果（残差图、压力图、温度图和速度矢量图等），仿真的步骤也可以在残差图中看出。

通过最终的模型仿真可以得知，这台洗碗机在清洗的时候水泵提供五兆帕的压力水流，它从上下喷淋管出口喷出的速度为40～60 m/s之间。水流的整体偏向为向水流进来的一方反向偏移。可以推测站在洗碗机工作的时候，靠近洗碗机水流进来的一方的碗盘冲刷的效率不高。还可看出清洗系统中水流速度最大的部分为水泵和下喷水管道相结合的部分，此处为冲刷较为激烈应该注意保养的部位。针对水流的偏移情况，应该从结构的改进来解决。

图5 残差图

图6 压力图

图7 温度图

图8 速度矢量图

图9 漂洗大出口温度图

图10 漂洗大出口速度矢量图

图11 漂洗小出口温度图

图12 漂洗小出口速度矢量图

2.2 漂洗出口仿真及其计算结果分析

在这台洗碗机中，漂洗系统有两个部分，一个部分是漂洗出口开口较大的紧接清洗之后的漂洗管道，所进行的工作是初步漂洗，另一个部分为漂洗出口开口较小的最后的漂洗管道。两部分漂洗都分为上下喷淋管。

漂洗大出口整体模型仿真结果如图9、10所示。

漂洗小出口整体模型仿真结果如图11、12所示。

通过分析漂洗大出口和小出口的仿真结果，可以看出漂洗小出口水流射的速度要大于漂洗大出口的喷射速度，因此可以推测，漂洗出口的开口的大小和方向对喷射出的散状形状强度面积起到决定的作用。

3 结论

利用Fluent软件对所建立的洗碗机的清漂洗模型进行仿真和分析，最终表现的形式为清漂洗模型的残差图、压力图、温度图和速度矢量图。通过这些云图，可以分析出清洗管道水流整体向水流进来的一方反向偏移，可以推测站在洗碗机工作的时候，靠近洗碗机水流进来的一方的碗盘冲刷的效率不高。此即为该商用洗碗机洗净度不高的主要原因。还可以看出清洗系统中水流速度最大的部分为水泵和下喷水管道相结合的部分，此处为冲刷较为激烈应该注意保养的部位。

［1］徐昉.计算流体力学（CFD）在可持续设计中的应用［J］.建筑学报，2004（8）：65-67.

［2］赵秉文，姜坪，陈晓春.CFD技术及其在水处理研究中的应用［J］.环境科学与技术，2006（6）：77-78.

［3］孙爱东.洗碗机行业现状与发展前景［J］.电器制造商，2001（12）：44-45.

［4］刘旭辉，王小平.家用洗碗机碗蓝和外形的设计［J］.机电工程技术，2010（4）：67-68，93.

［5］孙嘉燕，李保红，王述洋.洗碗机现状及实现中国洗碗机普及新探索［J］.现代科学仪器，2012（1）：137-141.

［6］韩占忠.FLUENT：流体工程仿真计算实例与应用［M］.北京：北京理工大学出版社，2004.

［7］王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用［M］.北京：清华大学出版社，2004.