抽水马桶与流体力学

1.常见抽水马桶中的流体力学

摘要目前在我们日常生活中最常见的抽水马桶一般包含两种结构，储水系统和冲水系统。大部分抽水马桶的储水系统没有太大区别，根据其冲水系统的区别可以把马桶分为四种，而根据原理后三种都可以归类为虹吸式冲水。

1.1 案例描述与原理总结

目前在我们日常生活中最常见的抽水马桶一般包含两种结构，储水系统和冲水系统。大部分抽水马桶的储水系统没有太大区别，一般由进水管、出水管、渗水管、水塞、浮球、放水旋钮及杠杆组成。其中，组成的水箱可以单独的看作是一个体系，其作用原理非常简单，主要是依靠浮球和水塞来控制着充放水的：按开水塞放水的时候浮球下降，出水口开始充水，当水充满到一定高度之后浮球就可以挡住出水口以阻碍其继续充水。

除此之外，根据其冲水系统的区别可以把马桶分为四种，即直落式冲水，一般虹吸式冲水，喷射虹吸式冲水和漩涡虹吸式冲水。而根据原理后三种都可以归类为虹吸式冲水。

1.1.1 直落式冲水

直落式冲水基本原理是水箱中大量的水在短时间

内冲入桶身中，水的势能转化为水的动能，带动脏物运

动至排水管。其在结构设计上的特点有三：

（1）池壁较陡，即尽量减少水平方向速度损失，

使竖直方向速率尽量大以提高冲水效率；

（2）存水面积较小，即增大单位面积上作用的水

的推力（压强），以提高冲水效率；

（3）下水管道直径大、弧度小，即减小大体积脏物与管壁摩擦力，以提高冲水效率。

上述设计特点导致的使用时的现象即为冲水速度快，声音大，冲力大，强排污，用水少，不泄漏。总结而言，直落式冲水对于高密度脏物（密度大于或远大于水）及高黏性易粘壁的脏物，冲落能力十分显著；但是对于低密度脏物（密度远小于水或与水接近），在浮力较大无法忽略的情况下，其冲落能力明显降低，甚至几乎无冲落此类脏物的能力。

1.1.2 虹吸式冲水

虹吸式冲水的基本原理是利用虹吸现象实

现排污。

虹吸是利用液面高度差、液体压强和大气压

强产生作用力的现象。如图所示，将液体充满一

根倒U形的管状结构内后，将开口高的一端置于

装满液体的容器中，因为h1

卡定律p=ρgh，装置中左管中的液体压强小于右

管的液体压强，另外，在B点跟C点分别有大气压的作用，大气压表现为上低下高，但在此处B点与C间高度相对地球的大气压计算高度来说，可以忽略两者间的大气压强差值。所以，p1-ρgh1>p2-ρgh2，那么在A左端的压强就大于A右端的的压强，在大气压和液体压强的共同作用下，水向AC方向移动。

对于虹吸式冲水马桶来说，其结构特点为排水管道呈

“S”型，以便迅速形成液柱的高度差，从而产生强大的

压力差，使液体从受压力大的高水位流向压力小的低水位，

并充满水管产生虹吸现象，直至液体全部排出冲入空气中。

这样即可以轻松实现各种脏物尤其是低密度脏物的冲落，

达到直落式冲水所无法达到的效果。而对于池壁的倾斜度

和存水面积则没有太大的要求。虹吸现象形成得越早，虹吸作用产生越迅速，有效水量流失就越少，虹吸作用持续时间也就越长，排污功能越好，越节水。对于一般虹吸式冲水，喷射虹吸式冲水和漩涡虹吸式冲水这三种虹吸式冲水则只是水箱喷水方式和效果的细微区别，本质上都属于虹吸现象。

1.2 个人感悟

抽水马桶虽然常见且使用简单，但其结构精密、原理精巧，巧妙的利用了流体力学的原理，使人类在卫生健康领域迈出了一大步。在现代社会，抽水马桶的价值已不再是仅仅用于排污这么简单，人们在功能的设计上越来越多的考虑到抽水马桶的高效性、节能性、体验感以及工作娱乐等附加属性，抽水马桶跟随时代的发展在不断进步，日前也曾在某文章上目睹过使用空气作为流体媒介以代替水进行排污的新型马桶。不管这种“抽气”马桶能否发展普及，或是抽水马桶是否

会被淘汰，利用机械能运行的马桶花样再多，终究离不开流体这个媒介，以及流体力学的原理。

参考文献：

[1]刘福明，潘晓涛. 虹吸式卫生洁具不同冲水模式的速度流场分析 . 陶瓷期刊.2011年. 2011-11-15期

[2]董世芳 . 抽水马桶溯源. 中国建材报 .2003年. 2003-4-02期