Почему пыль прилипает к вращающемуся крыльчатке вентилятора?

Причина в том, что у вас есть пограничный слой на поверхности лопасти вентилятора. На раме лопасти (лопасть движется с некоторой скоростью, а у рамы лопасти движется воздух) пограничный слой начинается с поверхности лопасти, где скорость жидкости равна нулю, и по мере удаления от лопасти скорость увеличивается до значения скорости лопасти (можно назвать это невозмущенной скоростью потока).

Так что, если у вас есть немного мелкой пыли, она на самом деле не чувствует сильного ветра и ее нельзя сдуть. Статическое электричество может быть еще одним фактором, но вы можете видеть это и на металлических винтах.

А как насчет этой гипотезы:

Пыль прилипает везде, но поскольку пропеллер прорезает много воздуха, он встречает больше частиц пыли. Таким образом, к пропеллеру прилипает больше пыли, чем где-либо еще.

Доказательство

Я (Марк) сфотографировал мою веерную комнату, чтобы подтвердить гипотезу Дэмиена. На первом фото показана передняя кромка лопасти вентилятора, на которую воздействует большое количество воздуха, а на втором фото — задняя кромка той же лопасти вентилятора. Я никогда не чистил этот вентилятор. Передняя кромка покрыта толстым 3-5 мм слоем пыли, а задняя почти чистая.

Ветер на самом деле не касается поверхности. Вы можете увидеть тот же эффект на автомобиле: даже если вы двигаетесь со скоростью более 70 миль в час, пыль не сдувается.

Если присмотреться, то между веществом вентилятора и воздухом вокруг вентилятора есть пограничный слой. Когда вы приближаетесь к лопастям вентилятора, воздух начинает двигаться вместе с вентилятором (лопасть тянет его за собой), поэтому воздух очень близко к лопасти не движется (сильно) относительно самой лопасти.

Очевидно, это верно, когда вы добавляете материю на лезвие (например, пыль). В этом случае трение воздуха меньше, чем прилипание пыли к лезвию, поэтому пыль прилипает к поверхности.

На своих веерах я нахожу много пыли и короткие пряди по краю, которые разрезают воздух. Здесь поток воздуха прижимает пряди к лезвию (его части по обе стороны от края). Таким образом, вентилятор активно собирает пыль. Опять же, сила воздуха, прижимающая нити к лезвию (плюс трение между пылью и лезвием), намного больше, чем центробежная сила, которая может тянуть их в сторону. Поскольку нити цепляются за поверхность, лезвие недостаточно сильное, чтобы разрезать их, поэтому они остаются на месте.

Это соотношение верно для всех скоростей вращения вентилятора, поэтому пыли всегда становится больше.

Простая мера противодействия — грубая сетка на той стороне, где вентилятор всасывает воздух. Большая часть частиц пыли попадет в сетку, и вы сможете легко смывать их каждые несколько недель или собирать пылесосом.

Короткий ответ: рядом с лезвием нет ветра. В гидродинамике вязких жидкостей это называется условием прилипания.

[Концессия] На самом деле это нечто большее. Есть незначительное ван-дер-ваальсово прилипание, которое вносит свой вклад в это чисто гидродинамическое явление.

Сначала учитывалась только скорость вентилятора. Если вентилятор вращается медленно, то ситуация, очевидно, не сильно отличается от того, если бы он вообще не вращался. Центробежная сила, действующая на частицы пыли, недостаточно велика, чтобы отбросить их от вентилятора.

Во-вторых, необходимо учитывать статическое электричество. Вполне возможно, что на вентиляторе образуется некоторый остаточный заряд (это очень сильно зависит от того, из чего сделан вентилятор), и поскольку частицы пыли часто заряжены, частицы с правильной полярностью будут притягиваться к вентилятору. В этом случае они застряли бы, даже если бы вентилятор вращался очень быстро.

Теперь вы можете проверить, реализуется ли второй вариант в вашем случае, прикоснувшись к вентилятору, чтобы разрядить его, и он должен вас немного «пинать». Или, если вам это не нравится, вы можете поднести к вентилятору какой-нибудь заряженный предмет и посмотреть, не пострадает ли он.

Пыль липнет почти везде. Почти? Да почти, потому что пока у нас нет супер совершенных наноповерхностей. Дело в том, что всякая макроскопическая поверхность шероховатая и не идеально гладкая. Поэтому очень маленькая пыль может легко прилипнуть. Эта очень мелкая пыль делает поверхность еще более шероховатой, что облегчает попадание более тяжелой пыли.

В ближайшем будущем у нас могут появиться пропеллеры вентиляторов, к которым не будет легко прилипать видимая пыль.

И, конечно же, электромагнитная сила позволяет пыли прилипать. Уясните себе, как выглядят очень-очень маленькие кусочки пыли, и вы поймете, как они могут легко прилипать к негладкой поверхности с помощью кулоновской силы. В конце концов: большинство вещей, которые вы видите, заряжены электричеством, по крайней мере, если вы сильно «увеличите масштаб». Глядя издалека заряды эффективно нейтрализуются. Конечно, суперидеальная нано-поверхность выглядит очень хорошо даже при увеличении.

Прилипание пыли к вещам — сложный процесс, но его можно разбить на несколько этапов и проанализировать. Сначала давайте определим нашу пыль.

Размер пыли

Аэродинамику пыли проще всего представить, представив, что все частицы представляют собой сферы с плотностью, равной плотности воды ($1000 \frac{kg}{m^3}$). Каждой частице присваивается аэродинамический диаметр , который представляет собой диаметр одной из этих гипотетических сфер, которые будут падать с той же скоростью, что и реальная частица (сила тяжести и сопротивление воздуха уравновешиваются при той же скорости оседания сферы и реальной частицы). упоминается размер частиц, этот пост относится к этому аэродинамическому диаметру. Большинство (по массе) частиц бытовой пыли имеют аэродинамический диаметр между$20 - 400 \, \mu m$. Этот диапазон диаметров будет определять величины сил, действующих на пыль.

Теперь, когда мы определили нашу пыль, необходимо выполнить следующие шаги для накопления пыли.

Прибытие пыли

Чтобы пыль скапливалась, она должна откуда-то браться. Я не буду вдаваться в подробности того, как пыль попадает в воздух, но давайте предположим, что хорошо циркулирующий воздух имеет постоянную концентрацию пыли, которая обновляется за счет образования, смешивания и диффузии. Обычно пыль, скапливающаяся на поверхностях, приближается к этим поверхностям, оседая; гравитация тянет частицы вниз, так что их средняя скорость уменьшается (поэтому на горизонтальных поверхностях накапливается пыль, а на вертикальных обычно скапливается гораздо меньше). В случае горизонтальной поверхности количество пыли, приближающейся к поверхности, будет соответствовать$\dot m= m_p\;C\;V_s$Где$m_p$масса частицы,$C$- концентрация (частиц на объем), а$V_s$скорость оседания ($0.25 \frac{m}s$за$100 \mu m$частицы.

Для потолочного вентилятора скорость, с которой пыль приближается к поверхностям, зависит не от силы тяжести, а от скорости, с которой лопасти движутся в воздухе. Максимальная скорость для лопастей менее$\frac18''$ограничен UL до$2400\frac{ft}{min}$или около$12\frac{m}s$. Если бы попадание пыли было единственным важным фактором для накопления пыли, то вентиляторы собирали бы пыль примерно в 50 раз быстрее, чем горизонтальная поверхность.

Воздействие пыли

Чтобы частицы попали на лезвие, они должны двигаться к лезвию, но воздух должен обтекать лезвие. Это требует, чтобы частицы двигались относительно воздуха. В случае осаждения пыли это достигается за счет силы тяжести и диффузии. Пыль, которая скапливается на стенах, происходит за счет диффузии, а гравитация притягивает пыль к горизонтальным поверхностям. В случае с лопастями вентилятора есть еще один способ движения частиц относительно воздуха: инерция.

Возьмем, к примеру, пескоструйный аппарат. И песок, и воздушная струя из сопла к поверхности. Песок движется почти с этой скоростью, пока не упадет на поверхность. Однако воздух распространяется и замедляется до точки, в которой он имеет нулевую скорость у стенки (условие отсутствия проскальзывания). В этом случае путь песка почти не зависит от потока воздуха, потому что частицы песка имеют большую инерцию по сравнению с сопротивлением воздуха и шкалой времени.

А теперь представьте, что произойдет, если дым-машина будет направлена ​​на поверхность. Туман просто распространялся бы вместе с воздухом, и на поверхность попадало бы очень мало тумана. Конечно, он будет двигаться вдоль поверхности, но он будет натыкаться на поверхность только в результате диффузии.

Если бы мы уменьшили размер частиц песка в пескоструйном аппарате, они бы вели себя все больше и больше как туман, поскольку их инерция ($\propto d^3$) было уменьшено по отношению к их лобовому сопротивлению ($\propto d^2$к$\propto d$так как частицы становятся еще меньше)

Аэродинамика этого процесса, известного как инерционное воздействие , хорошо известна для струй, перпендикулярных поверхности, но может быть применена к лопасти вентилятора, движущейся по воздуху. При движении лопасти вентилятора воздух в передней части лопасти должен перемещаться в любую сторону, создавая в воздухе очень заметное ускорение. Когда воздух находится с одной или с другой стороны, ему не нужно сильно ускоряться. Это похоже на то, как воздух в струе должен только ускоряться, переходя от движения к поверхности к движению вдоль поверхности. Я бы оценил, что радиус кривизны для лопасти вентилятора шириной$w_f$был бы сравним с радиусом кривизны струи шириной$w_j$если$w_f\approx 3w_j$

Уравнение для предельного размера частиц, сталкивающихся с потоком, и движущихся с ним, задается как

Где$\eta$вязкость воздуха,$Stk_{50}$- экспериментально определенное число Стокса (0,59 для прямоугольных струй),$\rho_p$- плотность частиц, а$V$средняя скорость струи.

Подключение к предыдущей скорости$12 \frac{m}s$, плотность воды как плотность частиц, и$\frac18''$так как ширина лопасти вентилятора дает$d_{50}\approx20\mu m$. Это показывает, что частицы выше$20\mu m$ударит по передней части лопасти вентилятора. Поскольку это покрывает большую часть бытовой пыли, большая часть бытовой пыли будет воздействовать на переднюю кромку лопасти этого вентилятора.

Для больших поверхностей лопасти вентилятора воздух и пыль вместе с ним движутся вдоль поверхности, поэтому единственная причина, по которой пыль будет воздействовать на поверхность, будет заключаться в диффузии или при наличии небольшого дефекта, по которому воздух должен перемещаться. Подобным образом мы могли бы смоделировать любой из этих небольших дефектов. В этом случае скорость будет скоростью внутри пограничного слоя на высоте дефекта. Скорость в пограничном слое очень близко к поверхности можно смоделировать как

Мы$x$расстояние вдоль потока, а$y$это высота над поверхностью.

Если мы подставим это в наше уравнение диаметра отсечки, высота дефектов в конечном итоге компенсируется, давая

Подключение к воздуху и нашей скорости дает

Давайте предположим, что мы можем поймать только частицы размером с наши дефекты. Типичное значение шероховатости поверхности отшлифованной древесины поперек волокон (как это характерно для потолочных вентиляторов) составляет около$20\mu m$. Если мы скажем, что размер дефекта в 5 раз больше, мы сможем поймать только те частицы, которые$100\mu u$или меньше. Однако, если мы подключим$0.4mm$за$x$мы получаем диаметр среза больше, чем$100\mu m$что указывает на то, что никакие частицы, которые мы могли бы уловить, на самом деле не повлияли бы на наш дефект. Это означает, что только очень большие дефекты или дефекты, расположенные очень близко к передней кромке вентилятора, будут затронуты и могут прилипнуть.

Адгезия пыли

Теперь вопрос "прилипнет ли?" Чтобы частицы прилипли, их необходимо удерживать на поверхности с помощью силы Ван-дер-Ваальса, статического заряда или поверхностного натяжения окружающих жидкостей. Эти силы масштабируются с$d$в то время как удаление сил центростремительного ускорения и шкалы лобового сопротивления с$d^3$а также$d^2$соответственно. Это означает, что чем меньше частицы становятся меньше, тем больше вероятность их прилипания, а чем больше они становятся, тем меньше вероятность их прилипания. Таким образом, мы можем найти частицу такого размера, которая с одинаковой вероятностью будет прилипать, и если наши частицы меньше этого размера, они будут прилипать.

Начальную силу сцепления легче всего оценить по экспериментально полученной формуле.

Центростремительная сила (которая проявляется как реальная сила, вращающая системы отсчета) будет просто

Силу сопротивления можно представить как

На самом деле есть и другие явления, которые играют роль в удалении частиц, например, когда новая частица сталкивается с уже прикрепленной частицей, есть шанс, что обе частицы будут удалены. Эти взаимодействия сложно смоделировать, поскольку они зависят от многих переменных, включая жесткость и геометрию частиц. Конечно, для оценки этих факторов существуют статистические модели, основанные на экспериментах, но я считаю, что уже предоставленной информации должно быть достаточно, чтобы объяснить, почему пыль прилипает к лопастям вентилятора и почему на передней кромке пыли гораздо больше, чем где-либо еще.

Большая часть информации в этом посте, которая не относится к элементарной аэродинамике, моему собственному анализу или иным образом цитируется, была взята из «Аэрозольной технологии» Уильяма К. Хайндса.

Вот некоторые из моих наблюдений:

• Если вентилятор не используется, налипание пыли происходит с той же скоростью, что и других предметов.

• Если используется вентилятор, даже медленное вращение, пыль все равно может прилипать намного быстрее, чем неиспользуемый вентилятор.

• Пыль прилипает не только к пропеллеру, но и к крышке сзади и спереди от него. Это может дать толстый слой пыли в обоих местах.

• Вокруг вентилятора есть (пластиковое?) покрытие, поэтому металл там не подвергается прямому воздействию.

• Возле кухни пыль скапливается немного быстрее. На поверхности вентилятора также много масла.

Следовательно, я думаю, что наиболее важной причиной высокой скорости прилипания должна быть высокая пропускная способность воздуха. Пыль не будет двигаться к самому вентилятору.

По причине прилипания, я думаю, это должно быть связано с электростатическим зарядом пыли. Это похоже на удаление пыли на электростанции. Кроме того, пыль может прилипать к наиболее распространенным поверхностям, таким как стол, стена и пластик, поэтому наличие заряда у вентилятора не должно быть важным фактором.

И электростатический заряд, и масло должны увеличить скорость прилипания. После первоначального прилипания шероховатая поверхность должна способствовать более легкому прилипанию пыли в дальнейшем, поэтому я предполагаю, что скорость накопления ускорится.

Я предполагаю, что очень тонкий слой масла покрывает лезвие, возможно, из-за близости к смазанным подшипникам, что делает его немного липким. Лезвие будет собирать лишнюю пыль, потому что оно проходит через большее количество воздуха, чем если бы оно было неподвижным. Согласно этой гипотезе, статическое электричество не участвует.

Поскольку кажется, что участие в вопросах о наградах — это что-то вроде нашего группового спорта, я не мог не подумать и об этом вопросе.

Я думаю, что ответы, данные в соответствии с исчезающей скоростью винта, вряд ли объяснят это явление. Частицы пыли, хотя и очень тонкие, имеют трехмерную форму. Таким образом, даже если нет скорости на нулевом расстоянии (что является упомянутым граничным условием), будет относительное движение вдоль частицы пыли (помните, что турбулентность имеет место на всех масштабах для уравнений Навье-Стокса), которое, на мой взгляд, действует как сила притяжения частицы.

На мой взгляд, проблема относится к электростатической. Пропеллер, скорее всего, имеет некоторый заряд из-за его движения в воздухе и продолжающегося трения. Заряд (может быть, даже очень маленький) индуцирует дипольный момент на частицах пыли поблизости, которые, как я полагаю, можно рассматривать как диэлектрические шарики.

Этот дипольный момент будет притягивать частицы пыли, которые в результате касаются поверхности. Если бы сейчас все было металлом, то был бы немедленный (полный) баланс заряда и сила притяжения исчезла бы. Но в предположении диэлектрической среды сохраняется некоторый дипольный момент, сила притяжения и пыль на пропеллере.

Привет

Редактировать: я только что увидел, что электростатический аргумент уже возник. Тем не менее, я надеюсь, что мои объяснения по-прежнему полезны.

Правда, пограничный слой делает так, что пыль не может сдуться самим вентилятором. Но это не могло ответить на вопрос, почему пыль вообще притягивается к лезвию. Думаю, это связано с явлением кавитации. Но вместо того, чтобы вызывать кипящие пузыри, которые могут быть разорваны вращающимся вентилятором в жидкости, он просто притягивает частицы пыли. Может потому, что плотность воздуха составляет 1/1000 плотности воды.

Это вызвано относительным движением двух разных материалов, вызывающим статическое электричество - Трибоэлектрический эффект. Упрощенно вентилятор будет одним, а воздух и все, что в нем, - другим.

http://www.explainthatstuff.com/how-static-electricity-works.html

Я считаю, что статическое электричество, вызванное этим эффектом, притягивает пыль к вентилятору. Кроме того, вносят свой вклад многие другие факторы, упомянутые в ответах, такие как пар и масло.

Мне понравился следующий отрывок из книги Стивена Фогеля «Жизнь в движущихся жидкостях », стр. 21. Здесь он просто объясняет пограничные слои, а не конкретно пыль на лопастях вентилятора.

«Должно скептически настроенный читатель, возможно, заметил в нашей демонстрации вязкости своеобразное предположение: жидкость должна прилипать к стенкам [контейнера], а не просто скользить по стенкам.

Теперь жидкость действительно прилипает сама к себе. Если одна крошечная часть жидкости движется, она имеет тенденцию уносить с собой другие частицы жидкости — величина этой тенденции как раз и соответствует вязкости. Менее очевидно, что жидкости прилипают к твердым телам так же хорошо, как и к самим себе. Насколько мы можем судить по самым лучшим измерениям, скорость жидкости на границе раздела с твердым телом всегда такая же, как и у твердого тела. Это последнее утверждение выражает то, что называется «условием прилипания» — жидкости не скользят по отношению к соседним твердым телам. …

[A] Особенность этого условия прилипания состоит в том, что природа твердой поверхности не имеет большого значения. Если вода течет по твердому телу без границы раздела воздух-вода, что усложняет ситуацию, условие прилипания выполняется независимо от того, является ли твердое тело гидрофильным или гидрофобным, шероховатым или гладким, жирным или чистым. Природа твердой поверхности имеет значение только тогда, когда у нас также присутствует граница раздела жидкость-газ — короче говоря, когда поверхностное натяжение становится фактором».

Условие прилипания имеет ряд важных разветвлений. В частности, это означает, что каждый раз, когда жидкость течет поперек твердого тела, присутствует градиент скорости. … На практике условие прилипания объясняет (частично), почему пыль и грязь скапливаются на лопастях вентилятора, почему трубы (включая кровеносные сосуды) сталкиваются с проблемами из-за накопления отложений, а не из-за износа, и почему немного взвешенной породы необходимо в воде, чтобы последняя стала эффективно эрозионной. … В качестве альтернативы просто подумайте, почему кухонные тряпки и швабры намного эффективнее для уборки, чем простое полоскание.«

Большая часть пыли оседает в критической точке (местная скорость линии тока = 0) на передней кромке вращающегося вентилятора. Этому также способствует пограничный слой.

Вентилятор действительно сдует большую часть пыли. Однако действуют два фактора, которые увеличивают накопление пыли на нем.

1. Не всю пыль можно легко сдуть: возьмите любую запыленную поверхность и подуйте на нее, затем протрите начисто и посмотрите, сколько пыли еще осталось. Многие частицы пыли содержат жир/смолы (особенно если вы курите), и они прилипают к любой поверхности, с которой соприкасаются.

2. Накопление пыли увеличивается с увеличением объема воздуха, с которым соприкасается вентилятор, по сравнению со статической поверхностью.

В результате во время работы на вентилятор попадает много пыли, но это не совсем та пыль, которую вы видите на статичных поверхностях. Пыль, которую можно сдуть, обычно оседает в другом месте .