腳踏式免沖廁所結構設計與流體仿真分析

張暢原，高飛，張峰瑞，張鵬

（116034遼寧省 大連市 大連工業大學 機械工程與自動化學院）

0 引言

隨著人們對自然保護的重視，環保設備的開發越來越重要。我國正面臨著淡水資源短缺危機，許多農村地區的廁所環境惡劣，污水處理系統不完善，用水用電資源較為緊張；許多重點城市，如北京、天津等地正面臨缺水危機[1-2]。傳統廁所條件較差，環境臟氣味大且比較簡陋；而抽水馬桶雖然衛生干凈，但是把糞便等肥料排入污水系統中，不僅浪費水資源，且污染環境，還造成肥料流失。為了改善資源浪費和環境問題，本文設計生產一種節能不耗水且僅靠人力腳踏就可以滿足使用要求的一體化環保清潔廁所成為迫切需要。

與傳統廁所相比，這種環保廁所不但拆裝簡單、沒有臭味污染，其一體化設計隨處可用，與抽水馬桶相比,每個蹲位年節水可達200 t[2]，還可以進行肥料的微生物發酵，通過生化處理的糞便可以變成有機肥料加以利用。

目前,國外在生態廁所設備上應用較為廣泛，如日本、德國的糞便處理設備和工藝技術，通過特殊篩選培養，得到可對人體排泄糞便進行生化處理的高效優勢菌種，起到了快速凈化的效果[3-6]。

在對糞便的自然進出料和布水發酵過程中，普遍存在流動性差的缺點，而采取人工攪拌的方法，打破靜態發酵，優化流態[7]。

本文根據免沖節能環保的想法，無需電機耗能且無需沖水的設計大量節約了水資源；腳踏式驅動攪拌裝置旋轉即可，該省力設計使得操作更加方便且衛生。生態免沖廁所結構設計主要是基于曲柄搖桿結構，以腳踏動踏板作為驅動，使攪拌裝置中的糞便在內部填充介質中均勻混合進行生化處理，長期使用無需頻繁拆卸更換，常用的填充介質為鋸末碎屑，更換時也可作為有機肥料。其承裝物料的箱體密封設計，可通過隔板對糞便進行密封隔離，減少特殊氣味對環境的污染。該擋板可人工操作使其打開或閉合，易于使用。且無需進行排糞、抽取、運輸等操作，使得日常使用維護極為方便。

1 設備基本結構和工作原理

腳踏式生態免沖廁所主要結構如圖1所示，由箱體、傳動齒輪、腳踏密封裝置、塑料蹲便池、糞便攪拌裝置、驅動齒輪、腳踏驅動裝置等零部件組成。

圖1 腳踏式生態免沖廁設備結構組成Fig.1 Pedal-type ecological flush-free toilet device structure

設備的工作原理為腳踏密封板通過腳踏板的上下移動，實現開啟箱體和閉合箱體。使用時,箱體開啟，使用后,箱體閉合。傳動齒輪的功能就是將2個攪拌輥子同時進行旋轉，實現攪拌功能，驅動齒輪的旋轉帶動2個攪拌輥子旋轉，腳踏驅動裝置利用曲柄搖桿機構進行驅動，使得驅動齒輪旋轉。

2 設備主要部件結構設計

2.1 腳踏驅動裝置

腳踏驅動裝置見圖2。通過在箱體外部腳踏，驅動腳踏板作為唯一的動力來源。將連桿設計在箱體的內部，在連桿與驅動齒輪偏心的位置上焊接一個鉸接結構，使得驅動齒輪隨著連桿的動作進行轉動，從而帶動攪拌裝置旋轉。由支撐座支撐，鉸接作為支點，設計曲柄搖桿結構。腳踏板為腳踏驅動裝置，帶動連桿以驅動齒輪轉動，再由驅動齒輪帶動從動齒輪旋轉，無需電動機的作用就能夠使得整個裝置進行旋轉工作。

圖2 腳踏驅動裝置Fig.2 Pedal-type drive structure

2.2 箱體設計

箱體內部主要是使用鋸末作為填充料。鋸末是生態廁所中的關鍵材料，人糞尿中包含的細菌可在鋸末中快速繁殖，并迅速分解糞尿。因鋸末具有多孔、透氣、保水性和排水性兼備等特點，這為好氣性細菌提供了絕好的生存環境，使得有機廢物可在不產生臭氣的情況下被分解為有機肥料。綜上所述，箱體設計不可以完全封閉，因為微生物發酵需要空氣，也需要排氣；其次，箱體設計要考慮保溫隔層。由于細菌生長的環境對溫度有一定的要求，所以在特定的環境下需要進行箱體內的保溫；最后，箱體的結構設計不僅需要不銹鋼板的材料，而且要求拆卸方便，以便更換填充物料和取出內部可作為再生資源的肥料。

2.3 攪拌裝置

攪拌裝置如圖3所示。裝置采用齒輪傳動，攪拌裝置為2個攪拌輥子，攪拌更加均勻充分，攪拌效果更好。

圖3 攪拌裝置Fig.3 Stirring device

根據箱體內部的結構空間大小，采用雙攪拌輥子設計。在軸向上，主攪拌棒組件布置有5排攪拌棒，而從攪拌棒組件布置有4排攪拌棒，每一排攪拌結構均勻分布3個攪拌棒，2個輥子攪拌棒布置結構交錯排布，攪拌棒之間的軸向間距為55 mm，有效避免了在攪拌的過程中因間距過小而被填充物料鎖死的現象發生。

工作時，由腳踏驅動裝置使驅動齒輪帶動從動齒輪旋轉，實現主攪拌棒旋轉，從而帶動主傳動齒輪旋轉，進而與從傳動齒輪嚙合，帶動從傳動齒輪旋轉，使得從攪拌棒與主攪拌棒旋轉方向相反。攪拌棒交錯布置的結構，使得箱體內部的介質填充料上下翻轉，攪拌更加均勻。

2.4 隔板設計

隔板設計如圖4所示。可有效將糞便與介質的混合物和驅動齒輪、傳動齒輪、腳踏連桿裝置隔離開來，并且安裝拆卸方便，也利于內部結構的清洗。

圖4 隔板設計Fig.4 Partition design

對內部的填充介質與主要驅動裝置的隔離由左右隔板組成，采用不銹鋼材質防止生銹。踏板可以通過腳踏動作使其上下移動，通過鋼絲繩和滑輪使得擋板在導軌上左右移動，實現糞便排泄的入口開合動作。在使用過程中，腳踏下壓，使得入口打開，待使用結束以后，腳踏上升，便可將入口閉合。這樣就有效地使得排泄物與外界隔離，并在操作的過程中，有效地避免了對手部的污染。

3 攪拌流場的Fluent仿真分析

3.1 糞便流體相關參數設置

排泄物的糞便水也稱為“黑水”，而糞便和污水的混合物組成的流體在流動過程中的運動形態不符合牛頓黏性實驗定律，而是一種非牛頓流體。

因為人糞便與污水的混合物是一種高粘度、富含有機質、粒子細微的復雜渾濁膠體，在常溫輸送時，其流變特征與污泥一樣都屬于非牛頓流體，具有假塑性冪率流體的特性，所以在攪拌的流體仿真時，可把糞便和污水組成的“偽流體”近似看作一相作為主相：非牛頓液相[8]，并將流場中的鋸末顆粒看作次相：固體相，其參數密度ρ=700 kg/m3，顆粒直徑2 mm。

在Fluent中non-newtonian-power模型用于非牛頓流體的冪律模型，冪律流體其黏度的變化由式（1）中的表達式：

式中：η——黏度，Pa·s；——剪切應變速率；n——冪律指數；k——稠度系數，Pa·sn。

在式（1）中的冪律指數n可以反應流體的不同模型的受剪切應變時表現出的黏度狀態。當n=1時，流體為牛頓流體；當n＜1時，流體為假塑性流體，流體隨剪切應變速率的加快而黏度變小。查閱文獻[8]，糞便水流體的密度ρ=1 350 kg/m3，稠度指數為k=5.6 Pa·sn，冪律指數n=0.35。

3.2 建立仿真模型

糞便攪拌裝置的主要工作區域分成3部分，當雙攪拌槳相互嚙合旋轉運動，其主動運動的槳葉所占區域、外部的流場區域和底部預先放置木屑的固體顆粒區域組成，在進行對外部的流場區域進行流體仿真攪拌時，需要對模型進行簡化，如圖5所示。

圖5 DM中模型簡化Fig.5 Simplified model in DM

攪拌槳的葉片是主動運動的部件，在葉片周圍的流場區域運動的旋轉動計算域，而除去槳葉外部的是靜止的靜計算域[9]。在建模時還需要注意這些計算域的重疊部分扣除的布爾操作；而在動靜計算域的邊界面處還需要設定intereface的條件，四周的壁面條件為wall；計算時，利用滑移網格的模型來求解。建立簡化的攪拌流場的三維模型如圖6所示。

圖6 DM中流場滑移網格模型Fig.6 Sliding mesh model of flow field in DM

3.3 Fluent中模型確定

攪拌流場中的9個動計算域采用滑移網格Mesh Motion的形式仿真，應用瞬態的計算方法。人蹬腳踏板速度一般在45～60 r/min[10]，將攪拌槳的旋轉速度分布設置為45，60 r/min進行仿真，并為系統添加Z方向的重力加速度-9.81 m/s2。

流體力學中物體流動的狀態判斷通常是根據雷諾數Re的大小來確定是層流或是湍流。在攪拌槽的旋轉流場的特征長度就是這個槳葉的直徑，其雷諾數Re計算如式（2）所示。

式中：μ——黏度，Pa·s；N——轉速，r/s；D——特征長度，m。

本文研究的模型雷諾數Re＞10 000，是屬于湍流的系統，計算時選擇Realizable的k-epsilon模型，并用TUI命令將非牛頓黏度模型中的湍流模型打開[11]。

本文在攪拌流場的底部高110 mm體積分數為0.8的流場中，預先鋪設一定體積分數的固體木屑顆粒，選擇多相流中的Eulerian模型，應用混合初始化將流場狀態初始[11]，并將固體相區域標記。

3.4 仿真狀態結果

通過Fluent仿真模擬，分析所設計的結構是否可以滿足裝置在攪拌時達到攪拌要求，可分別得到轉速45，60 r/min時，攪拌槳旋轉后糞便流場的速度分布云圖以及鋸末顆粒的體積分數分布云圖。如圖7所示為45 r/min時狀態的流場速度分布，圖8為60 r/min時狀態的流場速度分布。

圖7 45 r/min流場速度分布云圖Fig.7 Velocity distribution contour of 45 r/min flow field

在設計之初，將一定量的鋸末放置于流場底部時的顆粒體積分數狀態如圖9所示。針對設備在不同轉速的情況進行了仿真模擬，經過一段時間的攪拌，查看固體顆粒分布情況。如圖10所示是流場轉速為45 r/min時，經過35 s后的鋸末體積分數分布的橫縱截面云圖；如圖11所示是流場轉速為60 r/min時，經過15 s攪拌后，鋸末體積分數分布的橫縱截面云圖。

圖9 初始狀態的鋸末顆粒分布云圖Fig.9 Contour of sawdust particle distribution in initial state

圖10 45 r/min鋸末體積分數分布橫縱截面圖Fig.10 Transverse and longitudinal section of wood chip volume fraction distribution at 45 r/min

圖11 60 r/min鋸末體積分數分布橫縱截面圖Fig.11 Transverse and longitudinal section of wood chip volume fraction distribution at 60 r/min

通過仿真可以看出，兩根攪拌槳工作后，流場內部鋸末顆粒分布發生變化。當人的腳踏驅動踏板的速度為45 r/min時，攪拌35 s后流場中固體顆粒的體積分數集中分布在1.6e-1～1.8e-1；而當人的腳踏驅動踏板的速度為60 r/min時，15 s后流場固體顆粒的體積分數集中分布即可在1.6e-1～1.8e-1。此設計結構可以滿足不同人踩踏攪拌均勻的要求，是較為合理的結構參數。

4 結語

國外生態廁所的研究起步于20世紀80年代末，目前主要有打包式廁所、循環水沖式廁所和堆肥式生態廁所等幾大類。但目前免水生態廁所的普及率并不高，僅在災區等應急場所使用。我國生態廁所的研究應用在近幾年發展，現有技術主要是利用電機驅動，或者在風景名勝區、無上下水設施的場所、交通不便的情況下，配套太陽能技術使用，成本較高。腳踏式生態免沖廁所采用腳踏式機械驅動便可有效運行，不僅節約環保，還從根本上解決了能源消耗的問題，輕便易于安裝運輸。未來，廁所革命將成為綠色環保中的重要環節，腳踏式生態免沖廁所具有實用價值，廣泛應用于各種公眾廁所。