【摘要】：虹吸現(xiàn)象是一種常見的非穩(wěn)態(tài)流動現(xiàn)象,虹吸式流道因其具有只要抬高液面高度差就能獲得動力源的優(yōu)點,在工程中具有廣泛的應用,因此研究虹吸式流道的形狀優(yōu)化設計方法具有重要意義。國際國內(nèi)已經(jīng)在虹吸式流道的應用方面做了較多的研究,但是,針對非穩(wěn)態(tài)虹吸過程的相關理論研究還較少見;在流體機械的形狀優(yōu)化設計方面,非穩(wěn)態(tài)流動現(xiàn)象的優(yōu)化設計是個長期存在的難點,這方面的研究工作才剛剛起步。因此,本論文首先在研究非穩(wěn)態(tài)虹吸相關理論的基礎上,提出產(chǎn)生虹吸的基本條件,再通過建立計算流體力學(CFD)模型深入分析非穩(wěn)態(tài)虹吸的流體流動特性和啟動特性,探究基于逆向工程的流道幾何形狀獲取方法,結(jié)合提出的虹吸性能評價指標對復雜虹吸式流道進行形狀優(yōu)化設計與實驗驗證研究,并對復雜虹吸式流道的神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化方法展開了研究。本論文主要研究內(nèi)容與成果如下: 1.研究了適用的計算流體力學模型及產(chǎn)生虹吸的所需條件 根據(jù)虹吸原理分析了傳統(tǒng)研究方法的缺陷,明確了非穩(wěn)態(tài)虹吸基本概念,并以此確定了適用的CFD模型;同時采用定常形式的伯努利方程對穩(wěn)態(tài)流動假設條件下的虹吸作定性研究。結(jié)果表明,定常形式的伯努利方程只能用于虹吸式流道的定性分析,對非穩(wěn)態(tài)虹吸作定量研究宜采用CFD方法;壓強是產(chǎn)生虹吸的必要條件,流態(tài)為產(chǎn)生虹吸的激發(fā)條件,在一定壓強作用下,虹吸式流道出水段出現(xiàn)封閉水柱或局部滿管流的流態(tài)都可能激發(fā)虹吸的產(chǎn)生;虹吸過程可視為一種活塞效應的結(jié)果。這些結(jié)論可為后續(xù)的非穩(wěn)態(tài)虹吸研究奠定基礎。 2.研究了非穩(wěn)態(tài)虹吸的流體流動特性及啟動過程 建立幾何模型和CFD模型用于研究非穩(wěn)態(tài)虹吸的流體流動特性,并以工程上常用到的虹吸濾池中的虹吸式流道為例,研究其非穩(wěn)態(tài)虹吸的啟動過程。研究明確了非穩(wěn)態(tài)虹吸的流態(tài)、速度場和壓強特性,指出通過調(diào)節(jié)虹吸式流道出水管道的長度可有效控制非穩(wěn)態(tài)虹吸過程的最大平均流速、最大平均負壓,證實了虹吸啟動的關鍵是應盡快促使虹吸式流道中形成封閉水柱,并促成活塞效應將氣體排出流道,促使全局滿管流動的形成。 3.研究了復雜虹吸式流道的幾何形狀獲取方法及形狀特征 以坐便器中的虹吸式流道為例,研究如何獲取復雜虹吸式流道的幾何形狀。結(jié)果表明,可采用逆向工程、計算機輔助設計(CAD)技術為復雜虹吸式流道的仿真分析和優(yōu)化設計提供精確的CAD模型。虹吸式流道主要形狀特征分析結(jié)果表明,流道的直徑、α角、β角、水封高度和收縮口曲線是復雜虹吸式流道形狀優(yōu)化設計的關鍵,且在設計虹吸式流道時應考慮保持流道曲率總體上的光滑過渡,以減小流動過程中的阻力。 4.研究了基于計算流體力學的坐便器虹吸式流道形狀優(yōu)化設計方法 建立CFD模型并用粒子圖像測速(PIV)實驗來驗證,用該模型預測復雜虹吸流道內(nèi)部速度場和壓強的變化,并根據(jù)預測值與多個評價虹吸性能的指標來研究流道的收縮口截面、流道上升段仰角α和下降段長度L等對虹吸性能的影響,以優(yōu)化設計流道的形狀。結(jié)果表明,建立的CFD模型具有較高精度,能很好地模擬復雜虹吸式流道中的流場變化;虹吸式流道的收縮口截面、流道上升段仰角α和下降段長度L對虹吸性能具有重要影響,當采用光滑曲線設計及α為39°、L為227 mm時,虹吸性能最佳,可使坐便器實際用水量從6升降至5升,具有節(jié)水效果;并證實累積負壓是非穩(wěn)態(tài)虹吸研究中最佳的虹吸性能評價指標。 5.研究了神經(jīng)網(wǎng)絡的坐便器虹吸式流道形狀優(yōu)化設計技術 通過CFD模型計算得到神經(jīng)網(wǎng)絡建模樣本,以幾何變量為輸入、累積負壓為輸出,建立非穩(wěn)態(tài)虹吸的神經(jīng)網(wǎng)絡模型,并在網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎上,對比分析復雜虹吸式流道使用Levengerg-Marquardt(L-M)神經(jīng)網(wǎng)絡和貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡建模的優(yōu)缺點。結(jié)果表明,L-M神經(jīng)網(wǎng)絡對訓練樣本有很好的擬合能力,貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡則具有更好的泛化能力;L-M神經(jīng)網(wǎng)絡的最佳模型結(jié)構(gòu)為2-4-1,貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡有效節(jié)點數(shù)為3.67967,通過貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡進行仿真,確定了流道形狀的最佳設計參數(shù)(彎道半徑為80 mm、出水段直徑為45 mm);并構(gòu)建了基于CFD和神經(jīng)網(wǎng)絡的虹吸式流道形狀優(yōu)化設計平臺框架,以期為虹吸式流道形狀的快速優(yōu)化設計提供方法參考。 6.研究了虹吸式流道優(yōu)化設計過程中的實驗驗證方法 針對坐便器中復雜虹吸式流道的形狀優(yōu)化設計建立相應的實驗驗證方法,評價優(yōu)化設計效果。即,采用PIV實驗測量虹吸式流道內(nèi)部實際流場,結(jié)果證實了所建CFD模型的準確性;利用相似理論研制了用于制備不同形狀虹吸式流道的實驗裝置,可根據(jù)模型仿真計算尋得的較優(yōu)流道形狀參數(shù)制備出相應的虹吸式流道實物,驗證設計出的不同形狀流道的虹吸效果,這可為類似的不規(guī)則流道實驗研究提供方法參考;根據(jù)現(xiàn)代設計方法及理論構(gòu)建了配套模擬實驗裝置,無需采用費時費力的修改企業(yè)模具這一傳統(tǒng)方法,可更簡便地進行不同形狀虹吸式流道的虹吸性能測試和坐便器節(jié)水性能測試;結(jié)合節(jié)水實驗,證實了本文構(gòu)建的虹吸式流道形狀優(yōu)化設計方法確能有效實現(xiàn)流道形狀的優(yōu)化、改進流道虹吸性能。
【圖文】：

第 1 章 緒論種常見的流體力學現(xiàn)象，即液體在表面壓強管的最高點，而后在重力的作用下流到比原吸裝置如圖 1.1 所示，圖中流體從液面高的面 B，虹吸式流道內(nèi)的流速、負壓取決于 A過程中流體流動的速度就越大，負壓的絕對 A、B 液面的高度差 H，便能夠?qū)軆?nèi)流速個優(yōu)點，虹吸式流道在水利、給排水流道設用。

172.1.1 穩(wěn)態(tài)假設及其缺陷2.1.1.1 穩(wěn)態(tài)假設條件下的虹吸現(xiàn)象分析方法傳統(tǒng)的虹吸現(xiàn)象研究方法是把虹吸過程假設為一個穩(wěn)態(tài)的流動過程。假設圖2.1 中 A、B 兩端的液面表面積遠大于虹吸式流道的截面積，即兩端液面的上升或下降速度遠小于流道內(nèi)流體的流速。在這個假設條件下，流道內(nèi)將發(fā)生充分虹吸，不考慮流體的粘性，對 A、B兩點應用定常形式的伯努利方程：2 22 2A A B BA Bv P v PZ Zg ρ g g ρg+ + = + + （2.1）由于 A、B 兩點同處大氣壓強，A B0P = P = P，A BZ Z = H， 0Av = ，由式（2.1）可得：2Bv = gH（2.2）圖 2.1 穩(wěn)態(tài)假設條件下的虹吸Figure 2.1 The siphon based on the assumption of steady flow從式（2.2）可知，B 點的出流速度Bv 相當于液體從自由面 A 以自由落體運動至出口 B 處獲得的速度。同樣，，對自由面和虹吸式流道的最高點應用定常形式的伯努利方程：22A BCP vPhρ g g ρg= + + （2.3）其中CP 為虹吸式流道內(nèi)最高點 C 的壓強
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2009
【分類號】：TH122

【引證文獻】

相關博士學位論文 前1條

1 田飛;潛水攪拌機射流特性及實驗研究[D];江蘇大學;2012年

相關碩士學位論文 前6條

1 余昌全;基于FLUENT與PIV技術的折板絮凝流場特性分析[D];蘭州交通大學;2012年

2 李亞星;電液比例插裝閥數(shù)值模擬分析及可視化實驗研究[D];燕山大學;2012年

3 張興華;4BQD-40型氣力噴播機改進設計與試驗研究[D];內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學;2012年

4 歐陽進;后沖式坐便器研究及注塑模具設計[D];湖南大學;2011年

5 鄧石超;坐便器產(chǎn)品數(shù)字化設計制造技術研究[D];湖南大學;2011年

6 劉欣;坐便器產(chǎn)品快速設計平臺研究[D];湖南大學;2012年

本文編號：2666542