使用Recurdyn和Particleworks软件耦合分析技术模拟水流动试验

英文原文由Chiaki Miyazawa和Akiko Kondoh著。

日本最大的建筑和设备制造商骊住株式会社（LIXIL Corporation）的重要产品业务之一是浴室、厨房和厕所等水技术产品。在这些产品的研发中，LIXIL正在尝试引入Particleworks，一种无网格多粒子模拟（MPS）计算流体力学（CFD）工具。

图1- Ecful shower -红色叶轮高速旋转，堵塞一半淋浴孔

LIXIL的“Ecful shower”淋浴头产品（图1）工作时，淋浴头中的叶轮高速旋转，堵塞一半的淋浴孔，这种机制增加了淋浴喷头内部的压力，为用户提供了一种有规律的淋浴感觉，但用水量比常规水量（10升/分钟）少48%。除了可以节约用水，优化水压和水滴大小来提高舒适度也很重要。Particleworks就可以用于这些评估。

在这种花洒结构中，叶轮因水流转动，转动次数随流速而变化。由于Particleworks本身只提供恒定的旋转速度，与水流无关，因此我们采用多体动力学仿真软件RecurDyn进行耦合仿真，确定稳定的旋转速度和旋转变化的影响。

图2-淋浴喷头的模拟

流体行模拟的结果总体上良好，与测量值相比，它们符合LIXIL的指导方针。叶轮转速开始逐渐升高，达到峰值后逐渐降低，最后趋于稳定。模拟得到的过渡状态与实测值基本一致。关于淋浴喷头的内部压力，结果与实测值几乎吻合。粒子的大小是用高速相机测量的，与计算值的差异也在公司的标准范围内。总的来说，仿真结果良好，可以用于淋浴喷头性能评估。

厨房水槽如果方便清洁，那么厨房的使用率将会大大提高。要做到这一点，污垢和废物必须更易冲到水槽的底部，并有效地将其清除。

LIXIL新产品推出了“尼亚加拉水流设计”，水槽底部从左右边缘向中心倾斜，防止水流扩散，并平稳地向下流动，从而水槽的任何角落均可实现有效排水。Particleworks可用于评估水槽新设计的有效性。厨房水槽的设计是在大量假设的基础上进行测试评估的，包括如何冲洗残渣。

在Particleworks模拟中，我们首先尝试仿真有规律分布（等间隔放置）的残渣流动行为，淋浴喷头模拟是通过Particleworks与RecurDyn耦合来执行详细的不同设置，与之不同的是这次是使用Particleworks函数来设置供水条件。

图4：常规型（左）和尼亚加拉水流型（右）孔的水流模拟

• 最初模拟显示

最初的模拟显示，与测试相比，水流动得更快，排水量更多，扩散量更少，残渣在不合规律地流动。因此，我们在一个简单的水槽形状上进行了试验，将试验结果与模拟结果结合，获得合适的参数。在实际现象中，会有一层水膜渗透到残渣下面并包围它，使其流动性更强。

• Particleworks计算中

在Particleworks的计算中，粒子不像实际中那样容易渗透到残渣下面。该问题虽然可以通过粒子变小来解决，但也需要大量的计算。

• 缩短模拟时间

为了减少计算量，我们将模拟时间缩短到一天以内，并对粒子进行一定的放大。然而，这会导致一些与实际现象的差异。因此，我们几次尝试调整摩擦力参数来近似颗粒的行为。

• 摩擦力定义

对于摩擦力的定义，我们发现在RecurDyn中用多边形设置残渣量可以更容易调整参数，因此将Particleworks与RecurDyn耦合进行了仿真。其次，我们定义了摩擦力和颗粒形状，防止残渣在供水前移动，并通过调节摩擦力和平移速度建立了二者之间相互关系。

通过反复试验，水扩散行为和残渣量比第一次模拟得到了改善，经过进一步改善，仿真可以与实际测试进行相关比较。

• 反复试验

这个模拟的最终结果还未得到，LIXIL将会继续进行反复模拟。