多点喷射涡旋水流清洗装置及旋流发泡式喷头的制作方法

本实用新型涉及智能清洗技术领域，具体地，涉及一种多点喷射涡旋水流清洗装置及旋流发泡式喷头、应用。

背景技术：

生命五要素：吃喝拉撒睡。“撒”是人体正常的生理活动，主要通过肛门这一人体重要的排泄通道完成。健康人群通常用卫生纸对肛周及附近区域多次擦拭，以去除排泄残留物质。

然而，人体肛周及附近区域有其特殊的生理特点，在肛周丰富的褶皱部位里，总会存在少量污物无法彻底清理干净，影响着人们的舒适感和个人卫生。当人在患有一些肛周疾病或者腹泻时，这类传统的纸张擦拭方法，不仅不易擦拭干净，且会造成肛周极强的疼痛感。另外一方面，当今社会老龄化程度日益严重。越来越多的老年人面临生活自理困难。当他们手脚活动不方便时，用卫生纸进行个人卫生护理将变得日益艰难，大大降低老年人生活质量。

因此，无论是普通的健康人群，还是年迈的白发老者，或者是特殊的残障人员和疾病患者，都迫切需要一种智能的个人卫生清洗与护理技术。当前，以智能马桶为典型代表的个人清洗装置，已经逐渐成为一些家庭的卫生洁具。它采用了可伸缩的喷头，通过调节喷杆的往复伸缩，完成个人卫生清洗。

然而，上述清洗方法仍然存在如下不足：

1)它采用单点喷射清洗，喷嘴数量过少，导致清洗周期较长。

2)为尽量提高清洗速度，在单喷嘴约束下，往往采用较高喷射压力，导致肛周敏感区域受较大水流冲击作用，带来不适甚至疼痛感。

3)由于单喷嘴只能实现从后向前单方向喷射，无法同时清洁人体肛周及附近的环形多褶皱区域。清洗效果不理想。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述不足，本实用新型的目的是提供一种多点喷射涡旋水流清洗装置及旋流发泡式喷头、应用，基于气液两相非淹没自由喷射水流数学模型，采用多点喷射涡旋水流冲洗技术，实现人体肛周及附近区域的日常清洗及护理，大大提高人体特殊部位的卫生和健康需求。

本实用新型是通过以下技术方案实现的。

根据本实用新型的第一个方面，提供了一种多点喷射涡旋水流清洗装置，包括多个旋流发泡式喷头，工作状态下，多个所述旋流发泡式喷头位于人体环肛周及附近区域；其中：

每一个所述旋流发泡式喷头均包括：依次设置的进水口、收敛型喷腔、多孔滤网、喷水流道和出水口，所述收敛型喷腔的过水面积从进水至出水的方向逐渐减小，所述喷水流道呈倾斜的流线结构；工作状态下，清水通过进水口，在收敛型喷腔处增大水压，在多孔滤网处形成水流发泡，在喷水流道处产生涡动力，并最终通过出水口形成切向涡旋水流。

优选地，所述旋流发泡式喷头的数量以及每一个旋流发泡式喷头的位置，通过确定的安装位置边界参数设定。

优选地，所述安装位置边界参数，通过以下方式确定：

模拟不同污染程度的人体肛周残余物，并定义清洗洁净度分级标准；

根据以上清洗洁净度分级标准，通过计算机仿真或者实际测试实验，确定肛周最优清洗的安装位置边界参数。

优选地，所述安装位置边界参数的确定方式，具体包括如下步骤：

调研完成人体肛周区域生理数据和清洗舒适感范围数据；其中，人体肛周区域生理数据用于确定涡旋水流的作用区域，清洗舒适感范围数据用于明确涡旋水流最终接触的作用力和速度；

根据人体肛周区域生理数据和清洗舒适感范围数据，构建清洗效率及清洗率关系；其中，所述清洗效率为完成全部区域的清洗时间，即(清洗水量×清洗时间)/(预设水量×预设时间)，所述清洗率为完成清洗的洁净程度，即清洗面积/污染物面积，所述清洗效率及清洗率关系为：模拟不同污染程度的人体肛周残余物，并定义清洗洁净度分级标准，根据清洗洁净度分级标准，确定肛周最优清洗接触速度、接触压力与接触角度；

根据清洗效率及清洗率关系，构建旋流发泡式喷头结构参数和喷射水流数学模型；其中，旋流发泡式喷头结构参数包括：喷口直径、喷口倾斜角度以及喷口至人体肛周区域的相对高度；

判断构建的旋流发泡式喷头结构参数和喷射水流数学模型是否符合清洗效率与清洗率的关系；如果符合，则获得最佳清洗接触速度、接触压力与接触角度，即安装位置边界参数；如果不符合，则重新确定旋流发泡式喷头结构参数和喷射水流数学模型。

优选地，所述清洗洁净度分级标准包括：

-不及格：清洗效率低于0.6，清洗率低于60％；

-及格：清洗效率大于0.6，清洗率高于60；

-良好：清洗效率大于0.8，清洗率高于80％；

-优秀：清洗效率大于0.9，清洗率高于95％。

优选地，还包括以下步骤：

对所获得的设计结构参数进行舒适度评价，并根据评价结果修正安装位置边界参数。

根据本实用新型的第二个方面，提供了一种旋流发泡式喷头，包括：依次设置的进水口、收敛型喷腔、多孔滤网、喷水流道和出水口，所述收敛型喷腔的过水面积从进水至出水的方向逐渐减小，所述喷水流道呈倾斜的流线结构。

工作状态下，清水通过进水口，在收敛型喷腔处增大水压，在多孔滤网处形成水流发泡，在喷水流道处产生涡动力，并最终通过出水口形成切向水流。

根据本实用新型的第三个方面，提供了一种多点喷射涡旋水流清洗装置的应用，将多点喷射涡旋水流清洗装置安装于坐便器的上边缘内侧。

根据本实用新型的第四个方面，提供了一种多点喷射涡旋水流清洗装置的设计方法，包括如下步骤：

调研完成人体肛周区域生理数据和清洗舒适感范围数据；其中，人体肛周区域生理数据用于确定涡旋水流的作用区域，清洗舒适感范围数据用于明确涡旋水流最终接触的作用力和速度；

根据人体肛周区域生理数据和清洗舒适感范围数据，构建清洗效率及清洗率关系；其中，所述清洗效率为完成全部区域的清洗时间，即(清洗水量×清洗时间)/(预设水量×预设时间)，所述清洗率为完成清洗的洁净程度，即清洗面积/污染物面积，所述清洗效率及清洗率关系为：模拟不同污染程度的人体肛周残余物，并定义清洗洁净度分级标准，根据清洗洁净度分级标准，确定肛周最优清洗接触速度、接触压力与接触角度；

根据清洗效率及清洗率关系，构建旋流发泡式喷头结构参数和喷射水流数学模型；其中，旋流发泡式喷头结构参数包括：喷口直径、喷口倾斜角度以及喷口至人体肛周区域的相对高度；

判断构建的旋流发泡式喷头结构参数和喷射水流数学模型是否符合清洗效率与清洗率的关系；如果符合，则获得最佳清洗接触速度、接触压力与接触角度，即安装位置边界参数；如果不符合，则重新确定旋流发泡式喷头结构参数和喷射水流数学模型。

-不及格：清洗效率低于0.6，清洗率低于60％；

-及格：清洗效率大于0.6，清洗率高于60％；

-良好：清洗效率大于0.8，清洗率高于80％；

-优秀：清洗效率大于0.9，清洗率高于95％。

优选地，还包括以下步骤：

对所获得的设计结构参数进行舒适度评价，并根据评价结果修正安装位置边界参数。

本实用新型提供的多点喷射涡旋水流清洗装置及旋流发泡式喷头、应用，是一种个人肛周及附近区域清洗与护理新技术。该技术考虑到人体肛周及附近区域的生理结构特点，基于气液两相非淹没自由喷射水流数学模型，创新地采用新型多点喷射涡旋水流冲洗技术，以实现多角度、全方位的旋流清洗与护理。这将大大提高清洗效率和效果，可实现高效、快捷和更好舒适度的个人清洗护理新模式。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1、本实用新型采用旋流发泡式喷头，可提高水力冲洗的柔和感和舒适性，降低水流冲洗的疼痛感；该结构有利于增大腔体局部水压，使水流发泡并产生涡动力；发泡式水流增大了柔和性和舒适性，并提高了碎化肛周残余物的能力。

2、采用了水流切向清洗技术，克服了直接冲洗给人体带来的疼痛感，并节约了用水量。结合喷头具体结构，并调节喷头的安装参数，可提高水流切向清洗力，有助于获得最佳喷射轨迹；不仅大大提高冲洗效率，同时最大限度地降低了直接冲洗带来的浪费水源问题。

3、采用了多点喷射涡旋清洗技术，克服了单点喷射覆盖面积不足和清洗不净的难题；合理地布局喷头数量，和安装参数，可最大程度地节约单次清洗总水用量，并提高清洗效果。

4、基于本实用新型提供的多点喷射涡旋水流清洗装置及旋流发泡式喷头、应用，不仅能被众多的家庭采用，以提升健康家居和卫浴洁具的高科技含量，提升人们的健康舒适水平，而且，可以适应于医疗卫生机构；面对当前社会的日益加深的老龄化进程，它将更好的服务和造福于老年人，因此具有极好的应用前景。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为多点喷射涡旋水流清洗装置的设计原理图；

图2为人体肛周区域生理结构示意图；

图3为水流喷射清洗作用示意图；

图4为旋流发泡式喷头结构示意图；

图5为清洗冲击力分解图；

图6为多点喷射涡旋水流清洗装置的设计流程图；

图中：1为大肠外壁，2为内括约肌，3为外括约肌，4为收缩状态，5为扩张状态，6为肛周褶皱区域，7为旋流发泡式喷头，8为水力流线，7-1为喷水流道， 7-2为多孔滤网，7-3为收敛型喷腔，7-4为进水口，7-5为喷水口。

具体实施方式

下面对本实用新型的实施例作详细说明：本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

实施例1

本实施例提供了一种旋流发泡式喷头，其包括进水口、收敛型喷腔、多孔滤网、喷水流道和出水口，清水依次通过进水口、收敛型喷腔、多孔滤网、喷水流道和出水口，喷向人体肛周及褶皱区域。旋流发泡式喷头的一端为进水口，另一端为出水口；在连接进水口和出水口的管道中间设置多孔滤网；多孔滤网和进水口之间为收敛型喷腔，该收敛型喷腔的过水面积从进水端到出水端逐渐减小；在多孔滤网和出水口之间，为喷水流道，该喷水流道可以根据实际情况设计倾斜角度，流道结构顺畅。所述的收敛型喷腔从进水向出水方向，体积突然增大，然后逐渐缩小，有助于增大水压；所述的多孔滤网有利于水流发泡，可提高冲刷力；所述的喷水流道，采用合理的流线，可让水流产生涡动力，增大切向冲刷力。

实施例2

本实施例提供了一种多点喷射涡旋水流清洗装置，该装置是一种清洗与护理的新技术，包括在人体环肛周及附近区域，布置多个实施例1提供的旋流发泡式喷头，采用合理的水射流舒适压力和速度，调节旋流发泡式喷头安装位置参数，以实现多角度、全方位的旋流清洗与护理。

所述的人体环肛周及附近区，是在通过调研不同年龄分段、不同性别下人体肛周及附近区域大小的生理数据后，来确定的清洗及护理的边界参数；是旋流发泡式喷头的安装位置，定义为安装位置边界参数。

多个旋流发泡式喷头，有助于在节水的条件下实现最优的清洗效果；喷头安装位置边界参数，关系到残余物清洗效率与清洗率，该参数可通过下述方法获得：首先模拟不同污染程度的人体肛周残余物，并定义清洗洁净度分级标准；然后通过计算机仿真或者实际测试实验，来确定肛周最优清洗的喷头安装参数和进水口压力参数(安装位置边界参数)。

以下结合附图对本实施例作进一步的详细描述：

实现本实施例所提出的多点喷射涡旋水流清洗装置，可以按照以下几个部分的要求来完成。

面向人体特定臀部结构，采用人体工学原理设计，确定的喷口几何参数以及清洗效率和清洗率功能需求，确定多点清洗护理喷口数目及非均匀分布。如图1所示，设计原理框架中，第一步：调研获得人体肛周生理数据，实验获得肛周水流冲洗舒适感数据，实验获得清洗效率与清洗洁净程度的数据；第二步：在获得原始数据的基础上，以实验与仿真为主，获得进水参数、喷嘴结构参数、多点数目参数和布局参数(根据以上参数能够获得安装位置边界参数)，第三步：在此基础上不断优化，获得最终面向特定人群的最优护理数据参数。

需要说明的是：本实施中对方法的描述，不受执行步骤的限制，根据实际应用情况，步骤顺序可以调整。

具体包括以下部分：

1)调研完成人体肛周区域生理数据和清洗舒适感范围

肛门存在括约肌，能实现较大范围的前后伸缩与横向扩展。人体肛周是消化道的末端，其解剖结构上自齿线，下至肛缘，长约3—4cm，肛管的表层，在上段为柱状上皮及移行上皮，下段为移行上皮及鳞状上皮。肛管周围有内、外括约肌围绕，存在大量褶皱皮肤组织，其正常状态大小约为2-3cm，而特殊松弛状态下，可放大至7-9cm。如图2所示。

调研不同年龄分段、不同性别下，人体肛周及附近区域大小的生理数据，包括肛门距离喷头的距离和位置，为确定清洗及护理的涡旋水流作用区域提供边界参数。同时，调研人体肛周及附近区域对水射流清洗舒适压力和速度的范围，明确清洗及护理的涡旋水流最终接触作用力F和速度V。

2)构建清洗效率与清洗率关系

模拟不同污染程度的人体肛周残余物，定义清洗洁净度分级标准。通过计算机仿真或者实际测试实验，确定肛周最优清洗接触压力与接触角度。

水力清洗通常是采用一定压力和一定角度的高速水射流作用于污染表面，高速水射流冲击污物时，在水射流与污物接触区域，水的动能转变为压力能，当压力大于或等于表面污物的抗压强度时，污物会随着水流脱离被清洗物表面。连续射流对污垢表面的作用力，即射流对污垢打击时的稳定冲击力(涡旋水流最终接触作用力)F：

式中，ρ为水的密度，Q为射流流量，u为射流流速，为射流冲击污物表面后离开皮肤表面的角度。

肛周残余物质吸附于人体，主要靠范德华力、静电力和摩擦力组成。水射流自喷口喷出后，经过一段距离的气液两相混合流动，最终以一定压力和一定角度作用于残余物质表面。微观上，它首先使残余物表面产生裂纹。通过对污垢层产生剪切作用以及水楔作用，污垢会相应的产生裂缝、凹坑，最后被全部剥落，如图3所示。

水作用于污垢层的水压力在整个污垢被剥落的过程起关键作用

，垢层颗粒之间的粘结力小于水压力，裂纹就会在垢层颗粒间形成，随着水射流不断作用，垢层颗粒之间的裂纹不断扩大，并逐渐成裂缝，使垢层被剥落。水在污垢层中的渗透方向以及污垢层内部的结构决定污垢层中裂纹的扩散方向，水射流的作用方向决定了污垢被剥落的方向。在剪切、压缩和水楔的共同作用下，污垢层的剥离速度加快。

在清洗中，定义清洗效率为完成全部区域的清洗时间。时间越短，清洗效率越高。定义清洗率为完成清洗的洁净程度。当喷射水流一定速度和角度(θ)，作用于残余物质表面时，清洗速度的切向分量(Fn)影响着清洗效率，而它的法向分量(Fτ)则影响着剥离残余物质所需的剥离能，并决定着清洗的洁净度，如图5所示。因此，存在最优的喷嘴清洗速度与角度，使得清洗效率与清洗率实现整体优化。

3)确定旋流发泡式喷头结构参数和喷射水流数学模型

旋流发泡式喷头，如图4所示，其包括进水口、收敛型喷腔、多孔滤网、喷水流道和出水口，清水依次通过进水口、收敛型喷腔、多孔滤网、喷水流道和出水口，喷向人体肛周及褶皱区域。工作过程：清水从进水口处进入，体积突然增大，然后逐渐缩小，经过滤网完成水流发泡，最终使水流产生涡动力，然后，以较大的切向冲刷力冲洗肛周残留物。

喷射清洗时，水射流在一定的密闭空间内工作，属于气液二相非淹没自由射流模型。水射流微元团自受空气阻力和重力(不考虑浮力和哥氏力)，并采用空气阻力与速度平方成正比的经验空气阻力公式，即：

f＝-k|v|·v (2)

式中：f—水射流微团受到的空气阻力，k—空气阻力系数，v—水射流微团的运动速度。

取笛卡尔坐标系下坐标坐标轴(x,y,z)，把速度矢量分解为轴向速度Vx、Vy、Vz，由牛顿第二定律，水射流微团从喷头喷出至准确击打靶件区域的三维运动过程可以描述如下，见公式(1)-(5)：

X方向：

Y方向：

Z方向：

式中：m—水射流微团质量，x，y，z—水射流微团在t时刻的轨迹坐标，初始条件为x|t＝0＝0，y|t＝0＝0，z|t＝0＝0。vx，vy，vz—水射流微团速度分别在x，y，z轴上的分速度； t—水射流微团的运动时间；g—重力加速度。

以一定的喷射出口几何参数(喷口直径D、喷口倾斜角度α)和一定的喷口—肛周区域相对高度H为初始条件，通过计算机仿真或者实际测试实验，明确单点涡旋水流的湍流喷射轨迹，以此依据上述最终肛周接触作用力F与速度v，可推导得出最优的喷射出口几何参数(喷口直径D、喷口倾斜角度α)。

4)判断旋流发泡式喷头结构参数和喷射水流数学模型是否符合清洗效率与清洗率的关系

如果符合，则获得最佳清洗接触速度、接触压力与接触角度，即安装位置边界参数；如果不符合，则重新确定旋流发泡式喷头结构参数和喷射水流数学模型。

5)确定多点清洗护理喷口数目及布局

在(3)中所述的喷射水流数学模型，见式(2)-(5)，式中x，y，z是待求变量，t 是自变量，该方程组由于速度的耦合关系，难以得到其解析解，用数值求解方法可以得到精度较高的可行解。可以利用流体力学计算仿真软件，例如Fluent系列，对多点水射流喷射到空气中形成的气液二相非淹没自由射流进行数字化计算和仿真。

数学模型

1、输运方程

选用笛卡尔坐标系下稳定流动，不可压缩流体的Navier-Stokes时均方程作为控制方程，采用RNG k-ε双方程紊流模型建立封闭的控制方程组，如式(1)-(6)。

(1)连续性方程

(2)不可压缩实际流体的运动微分方程(N-S方程)

式中，p为流体微元体上的压强，Pa，τxx、τyy、τzz等是因分子黏性而产生的作用在微元体表面上的黏性应力τ的分量，Pa；fx、fy、fz为三个方向的单位质量力，m/s²。

(3)重整化k-ε模型(RNG k-ε模型)

其中：

式中，Gk是由于平均速度梯度引起的湍动能产生；Gb是由于浮力影响引起的湍动能产生；YM为可压缩湍流脉动对总的耗散率的影响，这些参数参数与标准k-ε模型中的参数相同；αk、αε分别为湍动能和耗散率的有效普朗特的倒数；对于高雷诺数问题， Cμ＝0.0845。

将建立好的三维模型导入Fluent前处理软件中进行网格划分，为了保证网格划分的最佳效果，采用非结构化网格格式划分，单元类型为Tet/Hybrid，以保证网格平滑。

根据水射流的结构特点，本模型中射流为不可压缩黏性流体的定常流动，湍流模型采用RNG k-ε模型，不考虑能量转移，流动按不可压处理。

具体实施方法，如图6所示。

在本实施中，首先，在调研和实验的基础上获得人体肛周结构生理数据(包括肛门距离喷头的位置尺寸，作用区域)和肛周水流冲洗舒适感数据(包括水流压力p、水流速度v、水流流量q)，然后构建喷头结构和并对多喷头与肛周建立的气液两相非淹没自由射流数学模型进行仿真；对所获得的安装位置边界参数进行舒适度评价。评价方式为：取两组不同年龄、性别的使用者，人数大于20人，对本冲洗结构进行实验，以清洗清洁程度为目标，建立不及格、及格、良好、优秀四个标准，如果结果出现30％以上的评价为不及格，则通过不断修改模型，来最终获得最佳参数。

实施例3

本实施例为实施例2提供的多点喷射涡旋水流清洗装置的具体应用。

在该具体应用中，可以将实施例2提供的多点喷射涡旋水流清洗装置安装于坐便器的上边缘内侧，形成智能抽水马桶。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。