基于伯努力原理的自動(dòng)除塵風(fēng)扇的研究與設(shè)計(jì)

谷彩云 丁南紅 周俞秋子

摘 要：為了解決傳統(tǒng)風(fēng)扇易積灰、難清洗等問題，文章研究設(shè)計(jì)一款易清洗的自動(dòng)除塵風(fēng)扇，利用伯努力原理，在風(fēng)扇側(cè)刃上嵌入水流管收集灰塵。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，使得除塵風(fēng)扇更好的對灰塵進(jìn)行處理。

關(guān)鍵詞：除塵風(fēng)扇；伯努力；水流管

基金項(xiàng)目：安徽三聯(lián)學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目；項(xiàng)目編號：202010959074。

0 引言

傳統(tǒng)風(fēng)扇容易積灰，并且許多公共場合不經(jīng)常清洗，灰塵積累更多。為了使清潔更便利、減少在人力物力上的花費(fèi)，可在伯努利原理的基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步改進(jìn)和創(chuàng)新，設(shè)計(jì)出易清潔、不易聚灰的新型風(fēng)扇[1]。

1 伯努力原理的介紹

當(dāng)增加物體流動(dòng)速度時(shí)，此時(shí)它的靜止壓強(qiáng)將隨之減小；當(dāng)減小物體流動(dòng)速度時(shí)，此時(shí)它的運(yùn)動(dòng)壓強(qiáng)將隨之增大。然而，物體靜止壓強(qiáng)與運(yùn)動(dòng)壓強(qiáng)之和，它的總壓強(qiáng)保持始終沒有變化。簡單來說就是，在流體中，速度大，壓強(qiáng)就小，速度小，壓強(qiáng)就高，當(dāng)然也有它的適用條件，第一是流體不隨時(shí)間變化，第二是無摩擦，第三是不可壓縮，第四是流體沿著流線運(yùn)動(dòng)，流線彼此不相交。

2 基于伯努力原理自動(dòng)除塵風(fēng)扇的總體介紹

2.1 自動(dòng)除塵風(fēng)扇的概述

風(fēng)扇啟動(dòng)后，與空氣發(fā)生摩擦，摩擦產(chǎn)生電荷，因此扇葉帶靜電，而摩擦過的物體具有吸引輕小物體的性質(zhì)，室內(nèi)中漂浮著許多細(xì)小灰塵會(huì)附著在扇葉上，那些細(xì)小的灰塵在空氣中與水蒸氣產(chǎn)生結(jié)露反應(yīng)，使灰塵在風(fēng)扇上不易掉落，從而使風(fēng)扇上聚集大量灰塵，長此以往非常難清理。

為解決此難題，可在扇葉側(cè)刃上鑲嵌水流管，縫隙為萬分之一毫米左右大小，在管內(nèi)，灰塵與管內(nèi)溶劑融合，而溶劑流不出去。利用伯努力原理，流速越快，流體產(chǎn)生的壓強(qiáng)越小，風(fēng)扇在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，管內(nèi)流速快，空氣壓強(qiáng)大于管內(nèi)壓強(qiáng)，從而將空氣中的細(xì)小灰塵壓向側(cè)刃上，最終灰塵進(jìn)入回流水管[2]。回流水管內(nèi)帶有小型的發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，管里的溶劑會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)，在水流管末端安裝過濾器，把溶劑中灰塵過濾掉，只需更換過濾器中的灰塵[2]。

2.2 管內(nèi)溶劑及半透膜的選擇

風(fēng)扇中灰塵聚集最多的地方是風(fēng)扇的側(cè)刃，因?yàn)樗钕扰c空氣發(fā)生摩擦。水流管繞風(fēng)扇側(cè)刃一周，半透膜使灰塵更易進(jìn)入回半透膜，便于快速吸收灰塵[3]。

依據(jù)確定的半透膜直徑，為了確保管內(nèi)溶劑不能流出，同時(shí)可以吸收灰塵，需要濃稠的溶劑使它不易掉出。多次做對比實(shí)驗(yàn)，只改變?nèi)軇┑呐浔龋桓淖兤渌闆r，找出它溶解速度最快同時(shí)濃稠度最適的方案[4]。

2.3 水流管位置的選擇

為了提高水流管對灰塵的吸收率，在風(fēng)扇最易聚集灰塵的地方放置回流管。通過觀察傳統(tǒng)風(fēng)扇，發(fā)現(xiàn)從風(fēng)扇扇面到側(cè)刃灰塵逐漸增多；從遠(yuǎn)離中心軸的一端向外灰塵逐漸增多。為了水流管盡可能地吸收灰塵，又考慮風(fēng)扇實(shí)際應(yīng)用美觀，通過觀察風(fēng)扇的積灰的分布程度，通過改造將水流管嵌入到風(fēng)扇側(cè)仞。從而不僅使新型防塵風(fēng)扇保持傳統(tǒng)風(fēng)扇的使用效率和習(xí)慣，也能使水流管快速吸收灰塵。

通過了解伯努利原理：增加流體的速度，它靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)壓強(qiáng)將減小；反之，速度減小，它的靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)壓強(qiáng)將增加。風(fēng)扇在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，管內(nèi)流速快，空氣壓強(qiáng)大于管內(nèi)壓強(qiáng)，空氣中的小灰塵全部堆積到風(fēng)扇側(cè)刃。

3 防塵風(fēng)扇的模型設(shè)計(jì)

3.1 模型選擇

選擇安放在扇葉上的水流管的管壁處處均勻，沒有折痕；溶液在水流管流動(dòng)時(shí)充滿整個(gè)水流管，沒有大氣泡產(chǎn)生；當(dāng)風(fēng)扇在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，扇葉收到大氣壓力分布均勻；水流管管內(nèi)溶液在流動(dòng)時(shí)，各點(diǎn)流速相同；環(huán)流水管管內(nèi)溶液不對發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)；環(huán)流水管管內(nèi)溶液對環(huán)境不產(chǎn)生影響；環(huán)流水管管內(nèi)溶劑易獲取，價(jià)格便宜。

3.2 模型建立

其中L=10r為水流管的長度，R為水流管的管道橫截面半徑，n=0.012為水流管的管壁糙率。為了便于理解，使用MATLAB對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以下是R在不同取值下。

通過圖1-4可以看出在其他條件不變的情況下，只改變R的值，R越小，風(fēng)扇的揚(yáng)水高度越大，風(fēng)扇在不同檔位下，高檔時(shí)，它的揚(yáng)水高度最高。低檔時(shí)，它的揚(yáng)水高度最低。考慮到實(shí)際應(yīng)用，我們選取當(dāng)扇葉長度為18 m，R=0.005所對應(yīng)的揚(yáng)程最大值為16.212 8×107 m。

根據(jù)得出的結(jié)果，當(dāng)所用的發(fā)電機(jī)揚(yáng)程不小于揚(yáng)程最大值，在實(shí)驗(yàn)中就可以。如果我們都選取16.212 8×107 m的揚(yáng)程，當(dāng)調(diào)節(jié)風(fēng)扇在高檔外，會(huì)浪費(fèi)很大的電，不利于環(huán)保。為了能夠更加環(huán)保，風(fēng)扇在選擇和設(shè)計(jì)時(shí)，最大程度讓風(fēng)扇在高檔、中檔、低檔時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)消耗的電能減少，從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)隨風(fēng)扇在不同檔位下最大揚(yáng)程隨之發(fā)生改變[1]，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)更加靈活，跟據(jù)風(fēng)扇的不同檔位，發(fā)動(dòng)機(jī)在低檔時(shí)為5.912 8×107 m，中檔為9.812 8×107 m，高檔為16.212 8×107 m。

4 結(jié)語

新型自動(dòng)除塵風(fēng)扇在扇葉側(cè)刃上鑲嵌水流管，根據(jù)伯努力原理，大氣壓強(qiáng)將空氣中的細(xì)小灰塵壓向側(cè)刃上，最終灰塵進(jìn)入水流管。在水流管內(nèi)帶有小型的發(fā)動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，溶劑會(huì)發(fā)生一系列變化，在水流管末尾處安裝過濾器，把溶劑中灰塵濾掉，進(jìn)行自動(dòng)除塵。

[參考文獻(xiàn)]

[1]周俞秋子，葛苗，張雪，等.防塵風(fēng)扇的研究與設(shè)計(jì)[J].電腦知識與技術(shù)，2020（28）：214-215.

[2]楊來俠，黃衛(wèi).靜電吸附式快速成型制造法[J].西安科技大學(xué)報(bào)，2016（4）：499-501，510.

[3]陳隆樞，姚群.工業(yè)防塵技術(shù)新進(jìn)展[J].中華勞動(dòng)衛(wèi)生職業(yè)病雜志，2010（4）：56-57.

[4]張濛，王晶晶，時(shí)彥衛(wèi).中國半透膜材料專利技術(shù)分析[J].廣東化工，2020（16）：283-285.

（編輯 傅金睿）

Research and design of automatic dust removal fan based on Bertrand principle

Gu Caiyun， Ding Nanhong， Zhou Yuqiuzi

（School of Electronic and Electrical Engineering， Anhui Sanlian University， Hefei 230601， China）

Abstract：In order to solve the traditional fan easy to accumulate dust， difficult to clean and other problems， research and design an easy to clean automatic dust removal fan， using the principle of Bergman， embedded in the side edge of the fan flow pipe to collect dust. Combining the experimental results with the practical application， the dust removal fan can deal with the dust better.

Key words：dust fan； efforts； water pipe