基于伯努力原理的自動除塵風扇的研究與設計

谷彩云 丁南紅 周俞秋子

摘 要：為了解決傳統風扇易積灰、難清洗等問題，文章研究設計一款易清洗的自動除塵風扇，利用伯努力原理，在風扇側刃上嵌入水流管收集灰塵。將實驗結果與實際應用相結合，使得除塵風扇更好的對灰塵進行處理。

關鍵詞：除塵風扇；伯努力；水流管

基金項目：安徽三聯學院大學生創新創業訓練計劃項目；項目編號：202010959074。

0 引言

傳統風扇容易積灰，并且許多公共場合不經常清洗，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，可在伯努利原理的基礎上，通過進一步改進和創新，設計出易清潔、不易聚灰的新型風扇[1]。

1 伯努力原理的介紹

當增加物體流動速度時，此時它的靜止壓強將隨之減小；當減小物體流動速度時，此時它的運動壓強將隨之增大。然而，物體靜止壓強與運動壓強之和，它的總壓強保持始終沒有變化。簡單來說就是，在流體中，速度大，壓強就小，速度小，壓強就高，當然也有它的適用條件，第一是流體不隨時間變化，第二是無摩擦，第三是不可壓縮，第四是流體沿著流線運動，流線彼此不相交。

2 基于伯努力原理自動除塵風扇的總體介紹

2.1 自動除塵風扇的概述

風扇啟動后，與空氣發生摩擦，摩擦產生電荷，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，室內中漂浮著許多細小灰塵會附著在扇葉上，那些細小的灰塵在空氣中與水蒸氣產生結露反應，使灰塵在風扇上不易掉落，從而使風扇上聚集大量灰塵，長此以往非常難清理。

為解決此難題，可在扇葉側刃上鑲嵌水流管，縫隙為萬分之一毫米左右大小，在管內，灰塵與管內溶劑融合，而溶劑流不出去。利用伯努力原理，流速越快，流體產生的壓強越小，風扇在轉動的過程中，管內流速快，空氣壓強大于管內壓強，從而將空氣中的細小灰塵壓向側刃上，最終灰塵進入回流水管[2]。回流水管內帶有小型的發動機，發動機在啟動時，管里的溶劑會出現流動，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 管內溶劑及半透膜的選擇

風扇中灰塵聚集最多的地方是風扇的側刃，因為它最先與空氣發生摩擦。水流管繞風扇側刃一周，半透膜使灰塵更易進入回半透膜，便于快速吸收灰塵[3]。

依據確定的半透膜直徑，為了確保管內溶劑不能流出，同時可以吸收灰塵，需要濃稠的溶劑使它不易掉出。多次做對比實驗，只改變溶劑的配比，而不改變其他情況，找出它溶解速度最快同時濃稠度最適的方案[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，在風扇最易聚集灰塵的地方放置回流管。通過觀察傳統風扇，發現從風扇扇面到側刃灰塵逐漸增多；從遠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，又考慮風扇實際應用美觀，通過觀察風扇的積灰的分布程度，通過改造將水流管嵌入到風扇側仞。從而不僅使新型防塵風扇保持傳統風扇的使用效率和習慣，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動壓強將減小；反之，速度減小，它的靜止或勻速直線運動壓強將增加。風扇在轉動的過程中，管內流速快，空氣壓強大于管內壓強，空氣中的小灰塵全部堆積到風扇側刃。

3 防塵風扇的模型設計

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；溶液在水流管流動時充滿整個水流管，沒有大氣泡產生；當風扇在轉動時，扇葉收到大氣壓力分布均勻；水流管管內溶液在流動時，各點流速相同；環流水管管內溶液不對發動機產生化學反應；環流水管管內溶液對環境不產生影響；環流水管管內溶劑易獲取，價格便宜。

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對數據進行處理，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，風扇的揚水高度越大，風扇在不同檔位下，高檔時，它的揚水高度最高。低檔時，它的揚水高度最低。考慮到實際應用，我們選取當扇葉長度為18 m，R=0.005所對應的揚程最大值為16.212 8×107 m。

根據得出的結果，當所用的發電機揚程不小于揚程最大值，在實驗中就可以。如果我們都選取16.212 8×107 m的揚程，當調節風扇在高檔外，會浪費很大的電，不利于環保。為了能夠更加環保，風扇在選擇和設計時，最大程度讓風扇在高檔、中檔、低檔時發動機消耗的電能減少，從而使得發動機隨風扇在不同檔位下最大揚程隨之發生改變[1]，從而使發動機更加靈活，跟據風扇的不同檔位，發動機在低檔時為5.912 8×107 m，中檔為9.812 8×107 m，高檔為16.212 8×107 m。

4 結語

新型自動除塵風扇在扇葉側刃上鑲嵌水流管，根據伯努力原理，大氣壓強將空氣中的細小灰塵壓向側刃上，最終灰塵進入水流管。在水流管內帶有小型的發動機，啟動發動機時，溶劑會發生一系列變化，在水流管末尾處安裝過濾器，把溶劑中灰塵濾掉，進行自動除塵。

[參考文獻]

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

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

[3]陳隆樞，姚群.工業防塵技術新進展[J].中華勞動衛生職業病雜志，2010（4）：56-57.

[4]張濛，王晶晶，時彥衛.中國半透膜材料專利技術分析[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