蔡雨冬 王 帆 段治鋒 沈 燦

(恒潔衛(wèi)浴集團(tuán)有限公司 廣東 佛山 528031)

前言

國(guó)內(nèi)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(qū)處于不同的水文帶及受季風(fēng)氣候影響，水資源與土地、礦產(chǎn)資源分布和工業(yè)用水結(jié)構(gòu)不相適應(yīng)。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市生活水平的提高，很多地區(qū)特別在北方和某些沿海城市發(fā)生水資源短缺和污染問題。如何在各個(gè)產(chǎn)業(yè)有效控制用水顯得尤為重要，在衛(wèi)生潔具行業(yè)中馬桶等衛(wèi)生器具用水在生活用水中占有很大的比例，茍文詩(shī)等人的研究發(fā)現(xiàn)，老建筑中非節(jié)水型衛(wèi)生器具升級(jí)為節(jié)水型衛(wèi)生器具每人每天可節(jié)水180 L[2]。研究數(shù)據(jù)表明，上海節(jié)水型用水器具改造項(xiàng)目從2002年到2010年累計(jì)節(jié)約自來(lái)水用水量1 498萬(wàn)m3,累計(jì)減排污水1 349萬(wàn)m3[3]。北京市某高校統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，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(chǎng)和宿舍公共衛(wèi)生間等大型場(chǎng)所廣泛使用，根據(jù)故宮博物院旅游景區(qū)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，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(shí)間4 h，每2 h小便一次進(jìn)行計(jì)算，3級(jí)水效的小便器(2.5 L)更換為2級(jí)水效的小便器(1.5 L)一年可節(jié)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(jié)約的水量十分可觀。中國(guó)多數(shù)家庭都沒有安裝小便器的習(xí)慣，若游客并未出行旅游，在家使用馬桶進(jìn)行小便，按照最新1級(jí)水效(3.5 L)馬桶計(jì)算，對(duì)比同時(shí)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(jí)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(duì)現(xiàn)階段節(jié)水貢獻(xiàn)也很大，衛(wèi)浴行業(yè)中節(jié)水產(chǎn)品關(guān)注度較高的往往是馬桶便器、花灑等，但在公共區(qū)域中小便器的使用頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他衛(wèi)生潔具，故高效節(jié)水型小便器的研究開發(fā)具有很高的價(jià)值。

1 節(jié)水標(biāo)準(zhǔn)及防濺現(xiàn)狀

1.1 節(jié)水新標(biāo)準(zhǔn)

近年來(lái)衛(wèi)浴行業(yè)針對(duì)節(jié)水方面更新發(fā)布了多項(xiàng)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，主要為針對(duì)陶瓷品類的《GB 6952-2015 衛(wèi)生陶瓷》標(biāo)準(zhǔn)[4]以及針對(duì)小便器品類的《GB 28377-2019 小便器水效限定值及水效等級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)[5]，兩份標(biāo)準(zhǔn)均對(duì)小便器產(chǎn)品用水及水效等級(jí)有著明確劃分及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，特別是《GB 28377-2019 小便器水效限定值及水效等級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)，其中明確更新規(guī)范了小便器水效等級(jí)指標(biāo)(見表1)。

表1 小便器水效等級(jí)指標(biāo)(L)

由表1可以看出，新的小便器水效等級(jí)提升，平均用水量管控更為嚴(yán)格，說明行業(yè)內(nèi)對(duì)節(jié)水性能的重視。

1.2 小便器核心測(cè)試指標(biāo)

在《GB 28377-2019 小便器水效限定值及水效等級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)中有洗凈功能(每次沖洗后累計(jì)殘留墨線總長(zhǎng)度不大于25 mm，且每段殘留墨線長(zhǎng)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(yīng)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(fù)(帶整體存水彎小便器的水封回復(fù)不得小于50 mm。虹吸式小便器每次應(yīng)有虹吸產(chǎn)生)。但縱觀所有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并沒有防濺的詳細(xì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，有的只是某些企業(yè)內(nèi)部較為簡(jiǎn)單的測(cè)試方法，更沒有節(jié)水防濺同時(shí)兼顧的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

1.3 小便器防濺水研究的重要性

在現(xiàn)階段更為嚴(yán)格的節(jié)水標(biāo)準(zhǔn)下，國(guó)民生活水平日益提高，舒適和健康理念越來(lái)越受到消費(fèi)者關(guān)注，防濺性能的重要性已經(jīng)舉足輕重；此次新冠病毒疫情影響，更是打響了國(guó)民對(duì)安全健康的攻堅(jiān)戰(zhàn)，新冠病毒是一種全新的病毒，在對(duì)它的認(rèn)識(shí)逐步深入的過程中，國(guó)家CDC、李蘭珍院士團(tuán)隊(duì)、鐘南山院士團(tuán)隊(duì)都從病人糞便中檢測(cè)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(jié)膜而導(dǎo)致感染，根據(jù)當(dāng)下環(huán)境防止細(xì)菌在關(guān)鍵衛(wèi)生區(qū)域滋生尤為重要，但是僅提升上述指標(biāo)并不能很好地阻止細(xì)菌滋生，在小便器防濺指標(biāo)上均無(wú)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法有效阻止因小便濺出而導(dǎo)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(qū)域(見圖1)。

圖1 公共場(chǎng)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(lái)嚴(yán)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(jī)理尚未明晰，在測(cè)試中衡量小便器的防濺性能優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)也尚不明確，故如何把控小便器防濺內(nèi)外因素成為此次研究重點(diǎn)。我司通過結(jié)合實(shí)際產(chǎn)品與流體力學(xué)理論，剖析小便器濺水成因及控制指標(biāo)，形成完整設(shè)計(jì)及分析體系。

2 課題研究?jī)?nèi)容

2.1 防濺的人機(jī)因素

圖2 小便器結(jié)構(gòu)

防濺在節(jié)水理念下的研究，基于恒潔衛(wèi)浴小便器模型中進(jìn)行防濺研究，小便器的種類繁多，按結(jié)構(gòu)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(jié)水型。根據(jù)最新標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)際小便器使用情況，在幾種常見的小便器中選擇節(jié)水沖落落地式小便器進(jìn)行防濺研究。小便器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

從國(guó)內(nèi)男性身高分布，結(jié)合人機(jī)工程因素進(jìn)行小便器實(shí)際濺水原因分析。據(jù)人民網(wǎng)報(bào)道，2015年6月30日國(guó)務(wù)院新聞辦公室發(fā)布了一個(gè)數(shù)據(jù)(如表2所示)。

表2 國(guó)內(nèi)男性平均身高表(cm)

由于人體身高等因素會(huì)直接影響尿液的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所以需要科學(xué)的分解濺水相關(guān)的核心參數(shù)進(jìn)行科學(xué)研究。

2.2 濺水理論研究

既要節(jié)水又要防濺的小便器在整體沖刷性能上需要進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。常用的紅外線感應(yīng)小便器在人靠近小便器時(shí)，紅外線感應(yīng)到人體的存在后，控制器控制小便器的自動(dòng)沖水閥門，進(jìn)行一次預(yù)沖水；人離開時(shí)，紅外線又感知到人體的離開，進(jìn)行二次沖水，達(dá)到洗凈的目的。如果小便器不進(jìn)行預(yù)沖水，人在小便時(shí)液滴將直接沖擊干燥壁面容易造成液滴飛濺。而高效節(jié)水型小便器既要達(dá)到用水量很低的標(biāo)準(zhǔn)，又要滿足防止小便過程中發(fā)生液滴飛濺，是關(guān)鍵技術(shù)問題。

圖3 液滴碰撞壁面示意圖

研究發(fā)現(xiàn)，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(fā)生飛濺的理論前提是明晰液滴碰撞壁面的飛濺機(jī)理(如圖3所示)。

液滴(直徑為d0,密度為ρ0，動(dòng)力粘度為μ2)以速度u0,θ角度撞擊厚度為h0的液膜。環(huán)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(shí)間，∏v和∏σ分別為與液體粘度和表面張力對(duì)應(yīng)的應(yīng)力張量，φ為有序參數(shù)，θM表示流動(dòng)性，ψ為化學(xué)勢(shì)能(源于自由能密度方程)。初始速度場(chǎng)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(wú)量綱參數(shù)-位置(R),速度(U),時(shí)間(T)和計(jì)算參數(shù)-水膜厚度(H),壁面運(yùn)動(dòng)速度(UW),密度比(δ)，粘度比(λ)，韋伯?dāng)?shù)(We)和雷諾數(shù)(Re)定義如下：

r=xi+yj+zk，是笛卡爾坐標(biāo)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?dāng)?shù)和雷諾數(shù)。液滴撞擊壁面后的飛濺主要發(fā)生在液滴鋪展到最大潤(rùn)濕長(zhǎng)度dmax之后，ξmax為液滴的無(wú)量綱直徑。

(5)

式(5)為液滴撞擊壁面后是否發(fā)生飛濺的判據(jù)。f(We,Re)<0時(shí)，液滴鋪展運(yùn)動(dòng)達(dá)到最大潤(rùn)濕長(zhǎng)度dmax后仍有克服表面張力的動(dòng)能，因此會(huì)發(fā)生飛濺；f(We,Re) ≥0時(shí)，液滴達(dá)到最大潤(rùn)濕長(zhǎng)度后將不發(fā)生飛濺。

3 壁面液膜厚度、液滴速度和液滴入射角度對(duì)液滴飛濺的影響

圖4為模擬真實(shí)情景尿液的運(yùn)動(dòng)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(diǎn)處壁面切線的夾角α(后簡(jiǎn)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(nèi)壁面，不會(huì)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(shí)的尿液運(yùn)動(dòng)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(huì)有差異。

(a) (b)圖4 尿液運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖

3.1 壁面液膜厚度對(duì)液滴飛濺的影響

圖5為液滴撞擊壁面時(shí)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(jié)果

圖6為不同壁面粘附液膜厚度h0時(shí)，液體撞擊壁面發(fā)生飛濺的液體形態(tài)[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(huì)增加。在一定的壁面液膜厚度范圍內(nèi)，α與壁面的水膜厚度成正比。故可適當(dāng)減少小〗便器的預(yù)沖水量來(lái)降低小便器內(nèi)壁面水膜厚度，不僅可以防止尿液飛濺，也可以達(dá)到節(jié)水的效果。

3.2 液滴撞擊壁面速度對(duì)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(tài)變化如圖7所示[8]。其結(jié)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(fā)生明顯變化，但分離小液滴的形態(tài)大不相同，撞擊速度越大，小液滴附帶的液滴“尾巴越長(zhǎng)”，而且飛濺發(fā)生的速度越快。

圖7 不同初始速度下液滴飛濺結(jié)果

3.3 壁面傾斜角度對(duì)液滴飛濺的影響

尿液的飛濺與角度有非常大的關(guān)系。尿液與小便器壁面之前的夾角的成因和身高，小便時(shí)間隔距離，速度等因素均有關(guān)系 ，如圖8所示，此參數(shù)為多參數(shù)混合表現(xiàn)。通過產(chǎn)品測(cè)試分析，可通過壁面傾斜角度來(lái)表現(xiàn)角度對(duì)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(shù)研究了壁面傾斜角度對(duì)液滴碰撞壁面的液滴飛濺的影響，研究發(fā)現(xiàn)，液滴入射方向與壁面夾角θ較大時(shí)(90°)，液滴前后端均發(fā)生飛濺，且前端產(chǎn)生二次液滴較多，后端產(chǎn)生液滴較少。液滴前端表面壓強(qiáng)較大故更易克服表面張力發(fā)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(xié)同耦合導(dǎo)致液滴前端產(chǎn)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(shí)，液滴撞擊壁面產(chǎn)生非對(duì)稱飛濺，即液滴前端產(chǎn)生飛濺而后端未產(chǎn)生飛濺；液滴入射方向與壁面夾角θ減小為30°時(shí)，液滴撞擊壁面也產(chǎn)生非對(duì)稱飛濺，但是液滴前端產(chǎn)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(xiàn)象，在一定范圍內(nèi)減小θ可以抑制飛濺的發(fā)生。故在設(shè)計(jì)小便器時(shí)可參考前邊的研究結(jié)果，設(shè)計(jì)使得w區(qū)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(qū)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(jié)論

綜上所述，從以上流體力學(xué)及人體工程學(xué)角度對(duì)小便器防濺的研究發(fā)現(xiàn)，新型節(jié)水型小便器對(duì)防濺的核心參數(shù)已可進(jìn)行量化掌握，主要針對(duì)液膜厚度、液滴速度、入射角度3大技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行把控，可有效改善小便器濺水情況。結(jié)論如下：

1)預(yù)沖洗的水量在達(dá)到潤(rùn)濕內(nèi)壁面的前提下要盡量少，不僅可以節(jié)約用水也可以達(dá)到防止尿液飛濺的效果；

2)設(shè)計(jì)時(shí)w區(qū)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(qū)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(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)的小便器擁有優(yōu)良的防濺性能，飛濺降低率可達(dá)70%。

圖9 不同傾斜角度液滴撞擊壁面結(jié)果