基于高效节水小便器的防溅设计研究*

蔡雨冬 王 帆 段治锋 沈 灿

(恒洁卫浴集团有限公司 广东 佛山 528031)

前言

国内水资源短缺、淡水资源总量约每年26 200亿m3，人均占有量为每年2 392 m3，为世界人均占有量的四分之一，位列第110位[1]。由于各地区处于不同的水文带及受季风气候影响，水资源与土地、矿产资源分布和工业用水结构不相适应。随着国民经济的发展和城市生活水平的提高，很多地区特别在北方和某些沿海城市发生水资源短缺和污染问题。如何在各个产业有效控制用水显得尤为重要，在卫生洁具行业中马桶等卫生器具用水在生活用水中占有很大的比例，苟文诗等人的研究发现，老建筑中非节水型卫生器具升级为节水型卫生器具每人每天可节水180 L[2]。研究数据表明，上海节水型用水器具改造项目从2002年到2010年累计节约自来水用水量1 498万m3,累计减排污水1 349万m3[3]。北京市某高校统计分析发现，1 100人的宿舍楼的小便器日用水量为60 m3左右,占总用水量比例最高，为61.4%；小便器在火车站、大型商场和宿舍公共卫生间等大型场所广泛使用，根据故宫博物院旅游景区的统计数据，2019年共接待游客19 297 632人，其中男性占比为44%，按照平均游览时间4 h，每2 h小便一次进行计算，3级水效的小便器(2.5 L)更换为2级水效的小便器(1.5 L)一年可节省的用水量为19 297 632×44%×2×(2.5-1.5) /1 000 t=16 981.9 t，可以节约的水量十分可观。中国多数家庭都没有安装小便器的习惯，若游客并未出行旅游，在家使用马桶进行小便，按照最新1级水效(3.5 L)马桶计算，对比同时间段的小便冲刷用水量为19 297 632×44%×2×3.5/1 000 t=59 436.71 t，相比使用2级水效小便器用水量增加33 963.84 t；小便器用水量占总用水量的比例很大，对现阶段节水贡献也很大，卫浴行业中节水产品关注度较高的往往是马桶便器、花洒等，但在公共区域中小便器的使用频率远远大于其他卫生洁具，故高效节水型小便器的研究开发具有很高的价值。

1 节水标准及防溅现状

1.1 节水新标准

近年来卫浴行业针对节水方面更新发布了多项国内标准，主要为针对陶瓷品类的《GB 6952-2015 卫生陶瓷》标准[4]以及针对小便器品类的《GB 28377-2019 小便器水效限定值及水效等级》标准[5]，两份标准均对小便器产品用水及水效等级有着明确划分及测试标准，特别是《GB 28377-2019 小便器水效限定值及水效等级》标准，其中明确更新规范了小便器水效等级指标(见表1)。

表1 小便器水效等级指标(L)

由表1可以看出，新的小便器水效等级提升，平均用水量管控更为严格，说明行业内对节水性能的重视。

1.2 小便器核心测试指标

在《GB 28377-2019 小便器水效限定值及水效等级》标准中有洗净功能(每次冲洗后累计残留墨线总长度不大于25 mm，且每段残留墨线长度不大于13 mm)、污水置换功能(带整体存水弯小便器的稀释率应不低于100)、水封深度(带整体存水弯小便器的水封深度不小于50 mm)、水封回复(带整体存水弯小便器的水封回复不得小于50 mm。虹吸式小便器每次应有虹吸产生)。但纵观所有相关标准，并没有防溅的详细标准规范，有的只是某些企业内部较为简单的测试方法，更没有节水防溅同时兼顾的标准规范。

1.3 小便器防溅水研究的重要性

在现阶段更为严格的节水标准下，国民生活水平日益提高，舒适和健康理念越来越受到消费者关注，防溅性能的重要性已经举足轻重；此次新冠病毒疫情影响，更是打响了国民对安全健康的攻坚战，新冠病毒是一种全新的病毒，在对它的认识逐步深入的过程中，国家CDC、李兰珍院士团队、钟南山院士团队都从病人粪便中检测到活的病毒，提出了粪-口传播的可能性，不排除通过不洁的手接触呼吸道和结膜而导致感染，根据当下环境防止细菌在关键卫生区域滋生尤为重要，但是仅提升上述指标并不能很好地阻止细菌滋生，在小便器防溅指标上均无相关标准，无法有效阻止因小便溅出而导致的尿液堆积，甚至尿液溅出至使用者身体；小便器前端由于飞溅形成一块积污区域(见图1)。

图1 公共场所小便器

即使此次疫情已得到有效控制，也给使用者的身体健康带来严重隐患，所以小便器的防溅性能提升刻不容缓，由于小便器溅水的机理尚未明晰，在测试中衡量小便器的防溅性能优劣的标准也尚不明确，故如何把控小便器防溅内外因素成为此次研究重点。我司通过结合实际产品与流体力学理论，剖析小便器溅水成因及控制指标，形成完整设计及分析体系。

2 课题研究内容

2.1 防溅的人机因素

图2 小便器结构

防溅在节水理念下的研究，基于恒洁卫浴小便器模型中进行防溅研究，小便器的种类繁多，按结构可分为：冲落式、虹吸式。按安装方式分为：斗式、落地式、壁挂式。按用水量分为：普通型、节水型。根据最新标准及实际小便器使用情况，在几种常见的小便器中选择节水冲落落地式小便器进行防溅研究。小便器结构如图2所示。

从国内男性身高分布，结合人机工程因素进行小便器实际溅水原因分析。据人民网报道，2015年6月30日国务院新闻办公室发布了一个数据(如表2所示)。

表2 国内男性平均身高表(cm)

由于人体身高等因素会直接影响尿液的运动状态，所以需要科学的分解溅水相关的核心参数进行科学研究。

2.2 溅水理论研究

既要节水又要防溅的小便器在整体冲刷性能上需要进行调整优化。常用的红外线感应小便器在人靠近小便器时，红外线感应到人体的存在后，控制器控制小便器的自动冲水阀门，进行一次预冲水；人离开时，红外线又感知到人体的离开，进行二次冲水，达到洗净的目的。如果小便器不进行预冲水，人在小便时液滴将直接冲击干燥壁面容易造成液滴飞溅。而高效节水型小便器既要达到用水量很低的标准，又要满足防止小便过程中发生液滴飞溅，是关键技术问题。

图3 液滴碰撞壁面示意图

研究发现，尿液在离开人体5～10 cm后已成为小液滴形状，研究尿液冲击小便器壁面发生飞溅的理论前提是明晰液滴碰撞壁面的飞溅机理(如图3所示)。

液滴(直径为d0,密度为ρ0，动力粘度为μ2)以速度u0,θ角度撞击厚度为h0的液膜。环境气体的密度为ρ1，粘度为μ1。气液的表面张力为σ，液滴与壁面的初始距离z0=0.5d0+h0+b,液滴撞击壁面的控制方程如下：

(1)

(2)

(3)

u为速度，t为时间，∏v和∏σ分别为与液体粘度和表面张力对应的应力张量，φ为有序参数，θM表示流动性，ψ为化学势能(源于自由能密度方程)。初始速度场如式(4)所示：

-u0ti-u0nk,(ρ=ρ2,z≤h0)

(ρ=ρ2,z>h0)

(ρ=ρ1)

(4)

u0t和u0n分别是碰撞速度的切向和法向分量。

无量纲参数-位置(R),速度(U),时间(T)和计算参数-水膜厚度(H),壁面运动速度(UW),密度比(δ)，粘度比(λ)，韦伯数(We)和雷诺数(Re)定义如下：

r=xi+yj+zk，是笛卡尔坐标系下的空间向量，Wen和Ren分别表示法向碰撞速度分量u0n的韦伯数和雷诺数。液滴撞击壁面后的飞溅主要发生在液滴铺展到最大润湿长度dmax之后，ξmax为液滴的无量纲直径。

(5)

式(5)为液滴撞击壁面后是否发生飞溅的判据。f(We,Re)<0时，液滴铺展运动达到最大润湿长度dmax后仍有克服表面张力的动能，因此会发生飞溅；f(We,Re) ≥0时，液滴达到最大润湿长度后将不发生飞溅。

3 壁面液膜厚度、液滴速度和液滴入射角度对液滴飞溅的影响

图4为模拟真实情景尿液的运动路径，h为人体腰部到地面的距离，若液滴碰撞壁面后的飞溅液体的出射方向与出射点处壁面切线的夹角α(后简称出射角)小于最大允许出射角αmax，液滴飞溅后将最终撞击小便器内壁面，不会溅出；如尿液出射角大于最大允许出射角αmax，液滴将飞溅出小便器打湿衣服或鞋子;腰部到地面距离分别为h1和h2的人在尿液初速度相同时的尿液运动轨迹，θ为液体速度方向与壁面切线方向的夹角，可看出身高不同，θ也会有差异。

(a) (b)图4 尿液运动轨迹示意图

3.1 壁面液膜厚度对液滴飞溅的影响

图5为液滴撞击壁面时液滴皇冠状飞溅的形成过程[6]。

图5 液滴撞击壁面飞溅形成过程

图6 不同液膜厚度液滴撞击壁面结果

图6为不同壁面粘附液膜厚度h0时，液体撞击壁面发生飞溅的液体形态[7]。由图6可以看出，随着壁面粘附液膜厚度的增加，液滴飞溅方向与壁面的夹角α也会增加。在一定的壁面液膜厚度范围内，α与壁面的水膜厚度成正比。故可适当减少小〗便器的预冲水量来降低小便器内壁面水膜厚度，不仅可以防止尿液飞溅，也可以达到节水的效果。

3.2 液滴撞击壁面速度对液滴飞溅的影响

液滴撞击壁面速度变化引起液滴飞溅状态变化如图7所示[8]。其结果显示，在相同的液膜厚度条件下，随着液滴速度增加，虽然液滴溅射的角度并未发生明显变化，但分离小液滴的形态大不相同，撞击速度越大，小液滴附带的液滴“尾巴越长”，而且飞溅发生的速度越快。

图7 不同初始速度下液滴飞溅结果

3.3 壁面倾斜角度对液滴飞溅的影响

尿液的飞溅与角度有非常大的关系。尿液与小便器壁面之前的夹角的成因和身高，小便时间隔距离，速度等因素均有关系 ，如图8所示，此参数为多参数混合表现。通过产品测试分析，可通过壁面倾斜角度来表现角度对飞溅的影响较为客观可控。

陈博文和M Cheng等[9～10]通过高速摄影技术研究了壁面倾斜角度对液滴碰撞壁面的液滴飞溅的影响，研究发现，液滴入射方向与壁面夹角θ较大时(90°)，液滴前后端均发生飞溅，且前端产生二次液滴较多，后端产生液滴较少。液滴前端表面压强较大故更易克服表面张力发生飞溅而且液滴速度在壁面法向速度分量更大，二种因素协同耦合导致液滴前端产生的二次飞溅液多于后端；液滴入射方向与壁面夹角θ减小为75°时，液滴撞击壁面产生非对称飞溅，即液滴前端产生飞溅而后端未产生飞溅；液滴入射方向与壁面夹角θ减小为30°时，液滴撞击壁面也产生非对称飞溅，但是液滴前端产生的二次飞溅液量明显小于75°。故液滴入射方向与壁面的夹角θ很大程度上影响了液滴的飞溅现象，在一定范围内减小θ可以抑制飞溅的发生。故在设计小便器时可参考前边的研究结果，设计使得w区域壁面在具有一定坡度的前提下尽量陡一些，可使尿液与小便器壁面的夹角尽量减小，b区域壁面要具有一定的弧度，且Hb略高一些，从而抑制尿液的飞溅。

图8 尿液撞击壁面示意图

4 结论

综上所述，从以上流体力学及人体工程学角度对小便器防溅的研究发现，新型节水型小便器对防溅的核心参数已可进行量化掌握，主要针对液膜厚度、液滴速度、入射角度3大技术点进行把控，可有效改善小便器溅水情况。结论如下：

1)预冲洗的水量在达到润湿内壁面的前提下要尽量少，不仅可以节约用水也可以达到防止尿液飞溅的效果；

2)设计时w区域壁面在具有一定坡度的前提下尽量陡一些，可使尿液与小便器壁面的夹角尽量减小，b区域壁面要具有一定的弧度，且Hb略高一些，从而抑制尿液的飞溅。

基于以上设计理论设计的小便器拥有优良的防溅性能，飞溅降低率可达70%。

图9 不同倾斜角度液滴撞击壁面结果