水流動
關注創建者：安世亞太 創建時間：2021-08-31
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本文驗證淋浴馬桶和淋浴噴頭的可重現性、廚房的水濺現象和廚房水槽中水的流動行為，并已經開始使用原型進行研究。
英文原文由Chiaki Miyazawa和Akiko Kondoh著。
日本最大的建筑和設備制造商驪住株式會社（LIXIL Corporation）的重要產品業務之一是浴室、廚房和廁所等水技術產品。在這些產品的研發中，LIXIL正在嘗試引入Particleworks，一種無網格多粒子模擬（MPS）計算流體力學（CFD）工具。
LIXIL先進核心技術部門的宮澤博士（Dr. Miyazawa）解釋說：“我主要負責CFD模擬和虛擬現實（VR）等數字技術領域。以前，我們主要使用有限體積法（FVM)）模擬工具進行氣流和水流分析，然而，由于FVM需要大量的計算資源，當需要評估許多小水滴時，比如淋浴，我就需要尋找一個合適的工具。
我找到Particleworks時，介紹它的關鍵詞是“液體飛濺”和“混合”。于是，我開始了一項Particleworks的試驗。目前，我們正在驗證淋浴馬桶和淋浴噴頭的可重現性、廚房的水濺現象和廚房水槽中水的流動行為，并已經開始使用原型進行研究。”
展開 LIXIL新產品推出了“尼亞加拉水流設計”，水槽底部從左右邊緣向中心傾斜，防止水流擴散，并平穩地向下流動，從而水槽的任何角落均可實現有效排水。Particleworks可用于評估水槽新設計的有效性。廚房水槽的設計是在大量假設的基礎上進行測試評估的，包括如何沖洗殘渣。
在Particleworks模擬中，我們首先嘗試仿真有規律分布（等間隔放置）的殘渣流動行為，淋浴噴頭模擬是通過Particleworks與RecurDyn耦合來執行詳細的不同設置，與之不同的是這次是使用Particleworks函數來設置供水條件。
圖4：常規型（左）和尼亞加拉水流型（右）孔的水流模擬
最初模擬顯示
最初的模擬顯示，與測試相比，水流動得更快，排水量更多，擴散量更少，殘渣在不合規律地流動。因此，我們在一個簡單的水槽形狀上進行了試驗，將試驗結果與模擬結果結合，獲得合適的參數。在實際現象中，會有一層水膜滲透到殘渣下面并包圍它，使其流動性更強。
Particleworks計算中
在Particleworks的計算中，粒子不像實際中那樣容易滲透到殘渣下面。該問題雖然可以通過粒子變小來解決，但也需要大量的計算。
縮短模擬時間
為了減少計算量，我們將模擬時間縮短到一天以內，并對粒子進行一定的放大。然而，這會導致一些與實際現象的差異。因此，我們幾次嘗試調整摩擦力參數來近似顆粒的行為。
展開 ②局部阻力：水流動時遇到彎頭、三通及其他配件時，因摩擦及渦流耗能而產生的局部阻力計算公式為：Hd＝ζ×(ρ×V2/2) 式中ζ——局部阻力系數， V——水流速，m/s。
③水管總阻力：水流動總阻力H（Pa）包括沿程阻力Hf和局部阻力Hd，即：H=Hf＋Hd。
這些算例的計算都將在通用水動力仿真軟件里進行。
圖 1 河流入海口處的鹽度空間變化示意圖
02 測試算例及結果討論
每個算例都選擇了四個工況進行計算，分別是：
A. 忽略擴散，只考慮水平方向上的密度差異的靜止水
B. 忽略水平方向上的密度差異，只考慮擴散的靜止水
C. 同時考慮擴散和水平方向上的密度差異的靜止水
D. 同時考慮擴散和水平方向上的密度差異的流動水
通過這四個工況的計算，我們可以評估密度差異對結果的影響，并與擴散帶來的影響進行對比。在尼羅河入海口算例中，流動的水更符合真實情況，因此靜止水都將替換成流動水，只存在三個工況。
1. 矩形河道
矩形河道是橫截面為矩形，深5 m，寬200 m，長1000 m的河道。底部高程設置為0。整體網格由10 m的三角形網格構成，在中間區域進行了加密（與初始鹽度分布的設定相匹配），加密后的網格尺寸為4 m。節點數為3303，單元數為6344。
圖2 矩形河道的網格
該河道擁有兩個開放邊界。上游邊界在河流入流方向，為固定流量邊界，靜止水和流動水兩種情況下的流量分別是0和80 m3/s，該邊界上的鹽度為零。下游邊界在近海方向，為固定水位邊界，水位5 m，鹽度35 mg/l。曼寧摩擦系數選取0.022。粘度為0.001 m2/s。
在靠近下游邊界的一半區域內初始鹽度為35 mg/l，在另一半區域里與上游邊界的鹽度一致。時間步為5 s，仿真時長為100 days。
圖3 矩形河道算例的初始狀態鹽度分布
矩形河道算例的計算結果如圖4所示。對比工況A和工況B，可以發現擴散的影響要比密度驅動的小。進一步增加10 days的仿真時長，工況B（只有擴散）的鹽度分布幾乎沒有變化。
展開 這些算例的計算都將在通用水動力仿真軟件里進行。
圖 1 河流入海口處的鹽度空間變化示意圖
02 測試算例及結果討論
每個算例都選擇了四個工況進行計算，分別是：
A. 忽略擴散，只考慮水平方向上的密度差異的靜止水
B. 忽略水平方向上的密度差異，只考慮擴散的靜止水
C. 同時考慮擴散和水平方向上的密度差異的靜止水
D. 同時考慮擴散和水平方向上的密度差異的流動水
通過這四個工況的計算，我們可以評估密度差異對結果的影響，并與擴散帶來的影響進行對比。在尼羅河入海口算例中，流動的水更符合真實情況，因此靜止水都將替換成流動水，只存在三個工況。
1. 矩形河道
矩形河道是橫截面為矩形，深5 m，寬200 m，長1000 m的河道。底部高程設置為0。整體網格由10 m的三角形網格構成，在中間區域進行了加密（與初始鹽度分布的設定相匹配），加密后的網格尺寸為4 m。節點數為3303，單元數為6344。
圖2 矩形河道的網格
該河道擁有兩個開放邊界。上游邊界在河流入流方向，為固定流量邊界，靜止水和流動水兩種情況下的流量分別是0和80 m3/s，該邊界上的鹽度為零。下游邊界在近海方向，為固定水位邊界，水位5 m，鹽度35 mg/l。曼寧摩擦系數選取0.022。粘度為0.001 m2/s。
在靠近下游邊界的一半區域內初始鹽度為35 mg/l，在另一半區域里與上游邊界的鹽度一致。
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這個二次流我們用肉眼看不到，但在計算機軟件中很容易看到，這是AICFD計算結果，可以非常清楚的看到水旋轉后，內部產生的這個二次流。
水流動的阻力太大了！根本留不下去！
換一種流體呢？比如煙。在這里！果然找到了出路，太不容易了，但如果每解一個迷宮，都做這么大一個工程，會累吐血。既然實驗繁瑣，仿真呀，實驗的平替，怎么能忘了自己的老本行！實驗不行，根本找不到出路！
咦，可以仿真呀，可以理想解決實驗中這些不完美的問題，怎么能忘了自己的老本行！
先用CAD軟件的圖像識別功能，生成迷宮的三維模型。
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