旋流喷嘴作为智能马桶中最前沿的清洗产品,具有清洗面积广、清洁率高及清洗舒适性佳等优点,能全面提升如厕享受。然而旋流喷嘴性能受结构尺寸影响较大,还存在水流发散严重,结构设计复杂及无法获得稳定的旋转水流等问题。本文针对目前旋流喷嘴存在的问题,基于旋转射流产生机理以及流体力学理论创新性的设计了一种智能马桶用切向旋流式喷嘴。对切向旋流式喷嘴内外流场旋流动态进行模拟分析并与高速摄影试验进行对比,研究了旋流喷嘴结构参数对喷嘴性能的影响,明确了喷嘴结构参数对内外流场旋流特征以及清洁效果的影响规律;基于响应面法对旋流喷嘴进行了优化,之后进行试验测试对优化前后喷嘴性能进行对比验证。具体工作及成果如下:1.对目前旋流喷嘴的理论、试验、应用等研究现状进行了概述,系统地总结了旋流喷嘴的相关研究方法。2.设计并搭建了旋流喷嘴性能测试系统,首次定义了旋转因子来定量表示实验时水流的旋转强弱程度,对旋流式喷嘴射流外流场流动特征进行了可视化试验测试,并对其打击力和清洁性能进行了测试与分析。结果表明:(1)旋转射流波动明显,可形成快速旋转的螺旋状水流,清洗面积大大增加。(2)与无旋射流相比,旋转射流喷嘴模型打击力性能更优,打击力均值提升了约47%,清洁率在50s时稳定在83%,但还低于设计要求,仍需继续优化。3.通过CFX计算分析了旋流喷嘴结构参数对内外流场流动状态、水流速度及压力的影响。结果表明:(1)旋流提高了内外流场水流速度,旋流喷嘴的射流速度衰减更慢,越靠近轴线位置处,速度越大;(2)切向进口角度对内外流场速度、射流压力及旋流强度的影响最大,对内流流态影响较小,整个过程中轴向速度的变化总体呈现阶梯型,切向速度以及径向速度变化呈现V字状,轴向进口半径、切向尺寸均对旋流强度变化有较大影响,而对内外流场速度、射流压力以及内流流态影响较小;(3)同一参数下旋流喷嘴内流场旋流强度大于外流场。随着切向进口角度的增加,内外流场下的旋流强度值均逐渐递增;随着轴向进口半径的增大,内外流场下的旋流强度变化趋势相同,均先递减后递增再递减;随着切向进口尺寸的增大,内外流场下的旋流强度先增大后减少再增大再减小,均出现两个极大值,一个极小值。4.以旋流喷嘴切向进口角度、轴向进口半径及切向尺寸为自变量,击打力F、旋转因子δ及清洁率S为响应变量,基于响应面法,研究了旋流喷嘴结构参数对喷嘴性能的耦合作用机理。结果表明:(1)单因素对旋流喷嘴清洁率的影响程度顺序为:切向进口角度、轴向进口半径、切向尺寸;单因素对旋流喷嘴旋转因子及打击力的影响程度排序为:切向进口角度、切向尺寸、轴向进口半径。(2)综合旋流喷嘴各项指标较优值可得结构参数最优值范围为:切向进口角度在65°~66°之间,切向尺寸在2.9mm×3.5mm~3.1mm×3.5mm之间,轴向进口半径在1.8mm~2mm之间。5.对优化后的喷嘴结构:切向进口角度为65°,切向尺寸为3mm×3.5mm,轴向进口半径为1.9mm进行打印试验。结果表明:(1)旋转水流旋转直径扩大,形成了缠绕着向前运动的螺旋状旋转式水射流。(2)优化后模型喷嘴打击力均值为0.122N,比初始设计模型提高了约51.6%,清洗性能也明显提高,在喷嘴冲洗50s后清洁率达到了97%,均满足了设计要求。