基于伯努力原理的自动除尘风扇的研究与设计

谷彩云 丁南红 周俞秋子

摘 要：為了解决传统风扇易积灰、难清洗等问题，文章研究设计一款易清洗的自动除尘风扇，利用伯努力原理，在风扇侧刃上嵌入水流管收集灰尘。将实验结果与实际应用相结合，使得除尘风扇更好的对灰尘进行处理。

关键词：除尘风扇；伯努力；水流管

基金项目：安徽三联学院大学生创新创业训练计划项目；项目编号：202010959074。

0 引言

传统风扇容易积灰，并且许多公共场合不经常清洗，灰尘积累更多。为了使清洁更便利、减少在人力物力上的花费，可在伯努利原理的基础上，通过进一步改进和创新，设计出易清洁、不易聚灰的新型风扇[1]。

1 伯努力原理的介绍

当增加物体流动速度时，此时它的静止压强将随之减小；当减小物体流动速度时，此时它的运动压强将随之增大。然而，物体静止压强与运动压强之和，它的总压强保持始终没有变化。简单来说就是，在流体中，速度大，压强就小，速度小，压强就高，当然也有它的适用条件，第一是流体不随时间变化，第二是无摩擦，第三是不可压缩，第四是流体沿着流线运动，流线彼此不相交。

2 基于伯努力原理自动除尘风扇的总体介绍

2.1 自动除尘风扇的概述

风扇启动后，与空气发生摩擦，摩擦产生电荷，因此扇叶带静电，而摩擦过的物体具有吸引轻小物体的性质，室内中漂浮着许多细小灰尘会附着在扇叶上，那些细小的灰尘在空气中与水蒸气产生结露反应，使灰尘在风扇上不易掉落，从而使风扇上聚集大量灰尘，长此以往非常难清理。

为解决此难题，可在扇叶侧刃上镶嵌水流管，缝隙为万分之一毫米左右大小，在管内，灰尘与管内溶剂融合，而溶剂流不出去。利用伯努力原理，流速越快，流体产生的压强越小，风扇在转动的过程中，管内流速快，空气压强大于管内压强，从而将空气中的细小灰尘压向侧刃上，最终灰尘进入回流水管[2]。回流水管内带有小型的发动机，发动机在启动时，管里的溶剂会出现流动，在水流管末端安装过滤器，把溶剂中灰尘过滤掉，只需更换过滤器中的灰尘[2]。

2.2 管内溶剂及半透膜的选择

风扇中灰尘聚集最多的地方是风扇的侧刃，因为它最先与空气发生摩擦。水流管绕风扇侧刃一周，半透膜使灰尘更易进入回半透膜，便于快速吸收灰尘[3]。

依据确定的半透膜直径，为了确保管内溶剂不能流出，同时可以吸收灰尘，需要浓稠的溶剂使它不易掉出。多次做对比实验，只改变溶剂的配比，而不改变其他情况，找出它溶解速度最快同时浓稠度最适的方案[4]。

2.3 水流管位置的选择

为了提高水流管对灰尘的吸收率，在风扇最易聚集灰尘的地方放置回流管。通过观察传统风扇，发现从风扇扇面到侧刃灰尘逐渐增多；从远离中心轴的一端向外灰尘逐渐增多。为了水流管尽可能地吸收灰尘，又考虑风扇实际应用美观，通过观察风扇的积灰的分布程度，通过改造将水流管嵌入到风扇侧仞。从而不仅使新型防尘风扇保持传统风扇的使用效率和习惯，也能使水流管快速吸收灰尘。

通过了解伯努利原理：增加流体的速度，它静止或匀速直线运动压强将减小；反之，速度减小，它的静止或匀速直线运动压强将增加。风扇在转动的过程中，管内流速快，空气压强大于管内压强，空气中的小灰尘全部堆积到风扇侧刃。

3 防尘风扇的模型设计

3.1 模型选择

选择安放在扇叶上的水流管的管壁处处均匀，没有折痕；溶液在水流管流动时充满整个水流管，没有大气泡产生；当风扇在转动时，扇叶收到大气压力分布均匀；水流管管内溶液在流动时，各点流速相同；环流水管管内溶液不对发动机产生化学反应；环流水管管内溶液对环境不产生影响；环流水管管内溶剂易获取，价格便宜。

3.2 模型建立

其中L=10r为水流管的长度，R为水流管的管道横截面半径，n=0.012为水流管的管壁糙率。为了便于理解，使用MATLAB对数据进行处理，以下是R在不同取值下。

通过图1-4可以看出在其他条件不变的情况下，只改变R的值，R越小，风扇的扬水高度越大，风扇在不同档位下，高档时，它的扬水高度最高。低档时，它的扬水高度最低。考虑到实际应用，我们选取当扇叶长度为18 m，R=0.005所对应的扬程最大值为16.212 8×107 m。

根据得出的结果，当所用的发电机扬程不小于扬程最大值，在实验中就可以。如果我们都选取16.212 8×107 m的扬程，当调节风扇在高档外，会浪费很大的电，不利于环保。为了能够更加环保，风扇在选择和设计时，最大程度让风扇在高档、中档、低档时发动机消耗的电能减少，从而使得发动机随风扇在不同档位下最大扬程随之发生改变[1]，从而使发动机更加灵活，跟据风扇的不同档位，发动机在低档时为5.912 8×107 m，中档为9.812 8×107 m，高档为16.212 8×107 m。

4 结语

新型自动除尘风扇在扇叶侧刃上镶嵌水流管，根据伯努力原理，大气压强将空气中的细小灰尘压向侧刃上，最终灰尘进入水流管。在水流管内带有小型的发动机，启动发动机时，溶剂会发生一系列变化，在水流管末尾处安装过滤器，把溶剂中灰尘滤掉，进行自动除尘。

[参考文献]

[1]周俞秋子，葛苗，张雪，等.防尘风扇的研究与设计[J].电脑知识与技术，2020（28）：214-215.

[2]杨来侠，黄卫.静电吸附式快速成型制造法[J].西安科技大学报，2016（4）：499-501，510.

[3]陈隆枢，姚群.工业防尘技术新进展[J].中华劳动卫生职业病杂志，2010（4）：56-57.

[4]张濛，王晶晶，时彦卫.中国半透膜材料专利技术分析[J].广东化工，2020（16）：283-285.

（编辑 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