基于高效節水小便器的防濺設計研究*

蔡雨冬 王 帆 段治鋒 沈 燦

(恒潔衛浴集團有限公司 廣東 佛山 528031)

前言

國內水資源短缺、淡水資源總量約每年26 200億m3，人均占有量為每年2 392 m3，為世界人均占有量的四分之一，位列第110位[1]。由于各地區處于不同的水文帶及受季風氣候影響，水資源與土地、礦產資源分布和工業用水結構不相適應。隨著國民經濟的發展和城市生活水平的提高，很多地區特別在北方和某些沿海城市發生水資源短缺和污染問題。如何在各個產業有效控制用水顯得尤為重要，在衛生潔具行業中馬桶等衛生器具用水在生活用水中占有很大的比例，茍文詩等人的研究發現，老建筑中非節水型衛生器具升級為節水型衛生器具每人每天可節水180 L[2]。研究數據表明，上海節水型用水器具改造項目從2002年到2010年累計節約自來水用水量1 498萬m3,累計減排污水1 349萬m3[3]。北京市某高校統計分析發現，1 100人的宿舍樓的小便器日用水量為60 m3左右,占總用水量比例最高，為61.4%；小便器在火車站、大型商場和宿舍公共衛生間等大型場所廣泛使用，根據故宮博物院旅游景區的統計數據，2019年共接待游客19 297 632人，其中男性占比為44%，按照平均游覽時間4 h，每2 h小便一次進行計算，3級水效的小便器(2.5 L)更換為2級水效的小便器(1.5 L)一年可節省的用水量為19 297 632×44%×2×(2.5-1.5) /1 000 t=16 981.9 t，可以節約的水量十分可觀。中國多數家庭都沒有安裝小便器的習慣，若游客并未出行旅游，在家使用馬桶進行小便，按照最新1級水效(3.5 L)馬桶計算，對比同時間段的小便沖刷用水量為19 297 632×44%×2×3.5/1 000 t=59 436.71 t，相比使用2級水效小便器用水量增加33 963.84 t；小便器用水量占總用水量的比例很大，對現階段節水貢獻也很大，衛浴行業中節水產品關注度較高的往往是馬桶便器、花灑等，但在公共區域中小便器的使用頻率遠遠大于其他衛生潔具，故高效節水型小便器的研究開發具有很高的價值。

1 節水標準及防濺現狀

1.1 節水新標準

近年來衛浴行業針對節水方面更新發布了多項國內標準，主要為針對陶瓷品類的《GB 6952-2015 衛生陶瓷》標準[4]以及針對小便器品類的《GB 28377-2019 小便器水效限定值及水效等級》標準[5]，兩份標準均對小便器產品用水及水效等級有著明確劃分及測試標準，特別是《GB 28377-2019 小便器水效限定值及水效等級》標準，其中明確更新規范了小便器水效等級指標(見表1)。

表1 小便器水效等級指標(L)

由表1可以看出，新的小便器水效等級提升，平均用水量管控更為嚴格，說明行業內對節水性能的重視。

1.2 小便器核心測試指標

在《GB 28377-2019 小便器水效限定值及水效等級》標準中有洗凈功能(每次沖洗后累計殘留墨線總長度不大于25 mm，且每段殘留墨線長度不大于13 mm)、污水置換功能(帶整體存水彎小便器的稀釋率應不低于100)、水封深度(帶整體存水彎小便器的水封深度不小于50 mm)、水封回復(帶整體存水彎小便器的水封回復不得小于50 mm。虹吸式小便器每次應有虹吸產生)。但縱觀所有相關標準，并沒有防濺的詳細標準規范，有的只是某些企業內部較為簡單的測試方法，更沒有節水防濺同時兼顧的標準規范。

1.3 小便器防濺水研究的重要性

在現階段更為嚴格的節水標準下，國民生活水平日益提高，舒適和健康理念越來越受到消費者關注，防濺性能的重要性已經舉足輕重；此次新冠病毒疫情影響，更是打響了國民對安全健康的攻堅戰，新冠病毒是一種全新的病毒，在對它的認識逐步深入的過程中，國家CDC、李蘭珍院士團隊、鐘南山院士團隊都從病人糞便中檢測到活的病毒，提出了糞-口傳播的可能性，不排除通過不潔的手接觸呼吸道和結膜而導致感染，根據當下環境防止細菌在關鍵衛生區域滋生尤為重要，但是僅提升上述指標并不能很好地阻止細菌滋生，在小便器防濺指標上均無相關標準，無法有效阻止因小便濺出而導致的尿液堆積，甚至尿液濺出至使用者身體；小便器前端由于飛濺形成一塊積污區域(見圖1)。

圖1 公共場所小便器

即使此次疫情已得到有效控制，也給使用者的身體健康帶來嚴重隱患，所以小便器的防濺性能提升刻不容緩，由于小便器濺水的機理尚未明晰，在測試中衡量小便器的防濺性能優劣的標準也尚不明確，故如何把控小便器防濺內外因素成為此次研究重點。我司通過結合實際產品與流體力學理論，剖析小便器濺水成因及控制指標，形成完整設計及分析體系。

2 課題研究內容

2.1 防濺的人機因素

圖2 小便器結構

防濺在節水理念下的研究，基于恒潔衛浴小便器模型中進行防濺研究，小便器的種類繁多，按結構可分為：沖落式、虹吸式。按安裝方式分為：斗式、落地式、壁掛式。按用水量分為：普通型、節水型。根據最新標準及實際小便器使用情況，在幾種常見的小便器中選擇節水沖落落地式小便器進行防濺研究。小便器結構如圖2所示。

從國內男性身高分布，結合人機工程因素進行小便器實際濺水原因分析。據人民網報道，2015年6月30日國務院新聞辦公室發布了一個數據(如表2所示)。

表2 國內男性平均身高表(cm)

由于人體身高等因素會直接影響尿液的運動狀態，所以需要科學的分解濺水相關的核心參數進行科學研究。

2.2 濺水理論研究

既要節水又要防濺的小便器在整體沖刷性能上需要進行調整優化。常用的紅外線感應小便器在人靠近小便器時，紅外線感應到人體的存在后，控制器控制小便器的自動沖水閥門，進行一次預沖水；人離開時，紅外線又感知到人體的離開，進行二次沖水，達到洗凈的目的。如果小便器不進行預沖水，人在小便時液滴將直接沖擊干燥壁面容易造成液滴飛濺。而高效節水型小便器既要達到用水量很低的標準，又要滿足防止小便過程中發生液滴飛濺，是關鍵技術問題。

圖3 液滴碰撞壁面示意圖

研究發現，尿液在離開人體5～10 cm后已成為小液滴形狀，研究尿液沖擊小便器壁面發生飛濺的理論前提是明晰液滴碰撞壁面的飛濺機理(如圖3所示)。

液滴(直徑為d0,密度為ρ0，動力粘度為μ2)以速度u0,θ角度撞擊厚度為h0的液膜。環境氣體的密度為ρ1，粘度為μ1。氣液的表面張力為σ，液滴與壁面的初始距離z0=0.5d0+h0+b,液滴撞擊壁面的控制方程如下：

(1)

(2)

(3)

u為速度，t為時間，∏v和∏σ分別為與液體粘度和表面張力對應的應力張量，φ為有序參數，θM表示流動性，ψ為化學勢能(源于自由能密度方程)。初始速度場如式(4)所示：

-u0ti-u0nk,(ρ=ρ2,z≤h0)

(ρ=ρ2,z>h0)

(ρ=ρ1)

(4)

u0t和u0n分別是碰撞速度的切向和法向分量。

無量綱參數-位置(R),速度(U),時間(T)和計算參數-水膜厚度(H),壁面運動速度(UW),密度比(δ)，粘度比(λ)，韋伯數(We)和雷諾數(Re)定義如下：

r=xi+yj+zk，是笛卡爾坐標系下的空間向量，Wen和Ren分別表示法向碰撞速度分量u0n的韋伯數和雷諾數。液滴撞擊壁面后的飛濺主要發生在液滴鋪展到最大潤濕長度dmax之后，ξmax為液滴的無量綱直徑。

(5)

式(5)為液滴撞擊壁面后是否發生飛濺的判據。f(We,Re)<0時，液滴鋪展運動達到最大潤濕長度dmax后仍有克服表面張力的動能，因此會發生飛濺；f(We,Re) ≥0時，液滴達到最大潤濕長度后將不發生飛濺。

3 壁面液膜厚度、液滴速度和液滴入射角度對液滴飛濺的影響

圖4為模擬真實情景尿液的運動路徑，h為人體腰部到地面的距離，若液滴碰撞壁面后的飛濺液體的出射方向與出射點處壁面切線的夾角α(后簡稱出射角)小于最大允許出射角αmax，液滴飛濺后將最終撞擊小便器內壁面，不會濺出；如尿液出射角大于最大允許出射角αmax，液滴將飛濺出小便器打濕衣服或鞋子;腰部到地面距離分別為h1和h2的人在尿液初速度相同時的尿液運動軌跡，θ為液體速度方向與壁面切線方向的夾角，可看出身高不同，θ也會有差異。

(a) (b)圖4 尿液運動軌跡示意圖

3.1 壁面液膜厚度對液滴飛濺的影響

圖5為液滴撞擊壁面時液滴皇冠狀飛濺的形成過程[6]。

圖5 液滴撞擊壁面飛濺形成過程

圖6 不同液膜厚度液滴撞擊壁面結果

圖6為不同壁面粘附液膜厚度h0時，液體撞擊壁面發生飛濺的液體形態[7]。由圖6可以看出，隨著壁面粘附液膜厚度的增加，液滴飛濺方向與壁面的夾角α也會增加。在一定的壁面液膜厚度范圍內，α與壁面的水膜厚度成正比。故可適當減少小〗便器的預沖水量來降低小便器內壁面水膜厚度，不僅可以防止尿液飛濺，也可以達到節水的效果。

3.2 液滴撞擊壁面速度對液滴飛濺的影響

液滴撞擊壁面速度變化引起液滴飛濺狀態變化如圖7所示[8]。其結果顯示，在相同的液膜厚度條件下，隨著液滴速度增加，雖然液滴濺射的角度并未發生明顯變化，但分離小液滴的形態大不相同，撞擊速度越大，小液滴附帶的液滴“尾巴越長”，而且飛濺發生的速度越快。

圖7 不同初始速度下液滴飛濺結果

3.3 壁面傾斜角度對液滴飛濺的影響

尿液的飛濺與角度有非常大的關系。尿液與小便器壁面之前的夾角的成因和身高，小便時間隔距離，速度等因素均有關系 ，如圖8所示，此參數為多參數混合表現。通過產品測試分析，可通過壁面傾斜角度來表現角度對飛濺的影響較為客觀可控。

陳博文和M Cheng等[9～10]通過高速攝影技術研究了壁面傾斜角度對液滴碰撞壁面的液滴飛濺的影響，研究發現，液滴入射方向與壁面夾角θ較大時(90°)，液滴前后端均發生飛濺，且前端產生二次液滴較多，后端產生液滴較少。液滴前端表面壓強較大故更易克服表面張力發生飛濺而且液滴速度在壁面法向速度分量更大，二種因素協同耦合導致液滴前端產生的二次飛濺液多于后端；液滴入射方向與壁面夾角θ減小為75°時，液滴撞擊壁面產生非對稱飛濺，即液滴前端產生飛濺而后端未產生飛濺；液滴入射方向與壁面夾角θ減小為30°時，液滴撞擊壁面也產生非對稱飛濺，但是液滴前端產生的二次飛濺液量明顯小于75°。故液滴入射方向與壁面的夾角θ很大程度上影響了液滴的飛濺現象，在一定范圍內減小θ可以抑制飛濺的發生。故在設計小便器時可參考前邊的研究結果，設計使得w區域壁面在具有一定坡度的前提下盡量陡一些，可使尿液與小便器壁面的夾角盡量減小，b區域壁面要具有一定的弧度，且Hb略高一些，從而抑制尿液的飛濺。

圖8 尿液撞擊壁面示意圖

4 結論

綜上所述，從以上流體力學及人體工程學角度對小便器防濺的研究發現，新型節水型小便器對防濺的核心參數已可進行量化掌握，主要針對液膜厚度、液滴速度、入射角度3大技術點進行把控，可有效改善小便器濺水情況。結論如下：

1)預沖洗的水量在達到潤濕內壁面的前提下要盡量少，不僅可以節約用水也可以達到防止尿液飛濺的效果；

2)設計時w區域壁面在具有一定坡度的前提下盡量陡一些，可使尿液與小便器壁面的夾角盡量減小，b區域壁面要具有一定的弧度，且Hb略高一些，從而抑制尿液的飛濺。

基于以上設計理論設計的小便器擁有優良的防濺性能，飛濺降低率可達70%。

圖9 不同傾斜角度液滴撞擊壁面結果