Аэродинамический секс: поднимаем КПД вентиляторов

Данная статья возникла как ответвление от проекта высокопроизводительного воздухоочистителя, где использованы вентиляторы 120х25мм 220В, однако изложенные методы можно применить почти к любому плоскому вентилятору.

Заниматься этим было хотя и желательно, но не обязательно, просто я захотел удовлетворить своего внутреннего исследователя¹ и, по возможности, снизить себестоимость. Изыскания не пропали даром — результаты оказались не только интересными, но и применимыми на практике!

Скачать модельку: https://www.thingiverse.com/thing:7108444

Цели и задачи

Как уже упомянуто выше, воздухоочиститель высокопроизводительный (и это не только лишь маркетинг)), для этого потребовалось увеличить:

• скорость потока,
• создаваемое давление,
• дальность струи, т.е. поток должен быть узконаправленным².

При этом не увеличивая:

• уровень шума³,
• габариты,
• цену.

Именно эти ограничения обусловили путь повышения КПД, а не мощности. Было решено использовать наработки из авиационных и ракетных двигателей. Бонусное требование: результат обязан быть красивым!⁴

Теория

Общие соображения подсказывали что какой-то эффект будет:

Область непосредственно за мотором (вентилятора, а не автомобиля) плоская и там неминуемо образуются всякие турбулентности отжирающие КПД. Если установить конус, то обтекание становится в основном ламинарным и потери снижаются, но будет ли этот эффект измерим в данном конкретном случае? В этом были обоснованные сомнения, так как скорость потока прямо скажем далека не только от ракет и самолётов, но даже от автомобилей и велосипедов.

Если эффект есть, то нудный подбор наиболее оптимальной формы, если нет, то ваяние красявостей в каде по принципу «не сильно испортить».

Теоретически здесь я должен был поставить узкоспециализированный софт для обсчёта воздушных потоков, практически нет сырья и кадров ни софта, ни профильных знаний у меня нет.

К тому же, терзают меня смутные сомнения, что мат.модели просто не рассчитаны на столь малые величины и всё равно пришлось бы их подтверждать горкой напечатанных деталей.

По этой же причине я не полез в учебники по аэродинамике — там рассматриваются совсем другие скорости при совершенно иных размерах.

Кстати, не забываем, что какая-то защита лопастей всё же желательна и все эти красявости могут стать полезностями.

Подготовка

Нельзя просто так взять и войти в Мордор.

Испытательный стенд

Первое с чего я начал — запроектировал уплотнительную прокладку (которая, по сути, являлась посадочным местом под все стыки) ибо раз уж пошла речь о КПД, как-то странно не исключить утечки рабочего тела. А ещё она вибрации гасит, что совсем не лишне — тонкостенные трубы это, ТУ-ДУ!, прекрасные резонаторы!

За основу стенда я взял маленькие весы с заявленным максимальным измеряемым весом 1кг и точностью 0.1гр. Первая цифра не внушает доверия, вторая, по многолетнему опыту эксплуатации, достоверна.

Поскольку весы маленькие, а вентилятор большой и не лёгкий (за счёт металлического корпуса набегает четверть кило!), чтобы водрузить одно на другое потребовался переходник, который был замоделирован, напечатан и торжественно прикручен винтами и гайками М4 через замоделенную выше мягкую⁵ прокладку.

На этом создание сложнейшего стенда торжественно завершилось⁶ и пришла пора начать…

Выявленные «особенности» вентиляторов

Как только речь заходит о практических измерениях всё идёт по пиз.. через ж.. не так как планировалось.

Сразу же обнаружился небольшой разнотяг вентиляторов, впрочем, учитывая ценовую категорию, это было ожидаемо. Неожиданностью стало падение тяги с 5.7гр на старте до 4.2гр в первые полторы минуты работы! Внимательно изучив вид из окна и не обнаружив признаков выхода на эшелон FL100⁷ я вынес неутешительный вердикт: ну ни хуя ж себе отрицательный рост на 31% после выхода на режим!

Зато в процессе разбирательств было обнаружено наличие отсутствия смазки В вентиляторе и присутствие наличия НА — удержаться от отзыва я не сумел:

Что удивительно, после смазывания падение тяги не изменилось, однако незначительно увеличилось время выхода на режим.

Рабочая гипотеза — подшипник не при делах, дело в температуре магнитов. Как бы то ни было, lifetime вентиляторов я увеличил раз в пять минимум, ибо без смазки они бы быстро издохли.

Методика проведения эксперимента

Пришлось создать корректную методику измерений, учитывающую все «особенности» изменения тяги вентиляторов. Вместо простого «включить и посмотреть на показания весов» пришлось идти через Морию окольным путём:

1. Собрать стенд, т.е. поставить вентилятор на переходнике на весы.
2. Включить и подождать пять минут для гарантированного выхода на режим.
3. Включить весы.
4. Выключить вентилятор.
5. Записать показания.
6. Повторить минимум три раза, ибо мы тут экспериментальной физикой занимаемся ёпта! Повторяемость бляха-муха нужна!

Что любопытно, по данной методике вес получается отрицательным, так как в начале весы калибруются в ноль, а после замеряется падение тяги вентилятора дующего вверх. Применимость такой методы потребовала отдельной проверки.

Итак, спустя часок, была получена контрольная серия из полтора десятка результатов с цифрами 4.3гр и 4,2гр (где-то здесь я подумал что хорошо бы иметь весы поточнее). Повторяемость признана великолепной, методика полностью верной, можно переходить к тестам разных форм конусов. Птица наивняк гнездится на ивах.

ЭЭЭКСПЕРИМЕНТЫ!

— Мы испытали ядерную бомбу мощностью 10-100 килотонн.
— Ээээ?!Оо
— Ну мы думали десять, а она как ебанула!..

Первый тест… ну камооон(((

Для ответа по какому пути идти (физика или эстетика?) я распечатал самый простой конус (с высотой равной диаметру), поставил его сверху на мотор и провёл три измерения по разработанной выше методике… получив показания от 3.9гр до 5.1гр!!! В где повторяемость результатов?!

Задав себе поистине библейский вопрос «WTF?!?!?!?!» я открыл пиво, включил сериальчик и приступил к… размышлениям.

Физико-лирическое отступление: долгое время серьёзные лаборатории отмахивались от EmDrive не просто так — в условиях гаража и малых измеряемых величин можно получить совершенно рандомные результаты. И никогда не суметь их объяснить.

Впрочем, я нашёл причины — неотцентрированный конус и моя морда. Будучи над вентилятором, для контроля центровки этого самого конуса, оная сильно искажала результат (смутно догадываюсь, что при старте с авианосца за самолётом кусок палубы поднимается не только для того чтобы никого не сдуло).

Модифицируем испытательный стенд

Для исключения вылезших эффектов я замоделил небольшую проставку (причём так, чтобы все её элементы находились в аэродинамической тени конструкции вентилятора), в которой фиксировались различные варианты конусов, всегда строго по центру, исключая и кривые руки и мою морду сверху.

Прикрутив деталь через вторую версию прокладки (3д печать это то место в котором вместо напильника можно нужно использовать кад — абсолютно нескрепно!) я как положено провёл ещё три теста и подтвердил что тяга осталась неизменной.

В этом месте я подумал что пора бы уже и дизайн оттестировать, поэтому взял какую-то фигуру вращения под страшным названием tangent ogive cone⁸ и распечатал её в вырвиглазно-оранжевом исполнении!

Момент истины! Работает ли тут аэродинамика?

ТА-ДАН! При включении весы показали аж 6.1гр, что больше всех предыдущих результатов ранее! Аэродинамика точно работает! Но вот насколько? Все помнят мем?

Дальнейшая нудная серия из пяти тестов по той же методике что и ранее показала стабильный результат 4.5гр тяги после выхода на режим. Много или мало? Ну… чуть более 7%, не много, но и не мало.

Что касается дизайна, всё получилось более чем прекрасно! Пожалуй даже лучше чем ожидалось!

Подбор формы конусов

Штош, оно работает! И оно красивое! Т.е. говоря вумным языком: был построен демонстратор технологии и доказана принципиальная работоспособность концепции. Далее реальная исследовательская работа. Довольно скучная если честно. Скучнее только выход на серийное производство — там ещё десять раз по столько времени, сил и ресурсов потратить⁹.

Изначально идея была такая:

1. Напечатать конусы разных высот для подбора оптимальной.
2. Конусы разных хитрых форм оптимальной высоты.
3. Конусы оптимальной формы с небольшими изменениями высоты.
4. Конусы нескольких близких форм наиболее оптимальной высоты.

Ориентировочно 15-20 конусов.

На практике выяснилось, что реальные цифры различаются весьма незначительно — слишком мала скорость потока и слишком грубы инструменты измерения, поэтому программа испытаний была безжалостно порезана к херам ибо похер сокращена в два раза без потери качества результатов.

Общие выводы:

• конусы разумного удлинения (от половины, до двух диаметров) дают слаборазличимые результаты;
• форма влияет на результат сильнее — наиболее эффективные это оживальная и параболоид.

А что если добавить юбку?

Честно говоря, к этому моменту я уже конкретно заебался несколько охладел к столь детальным исследованиям, но решил всё же добить. И не зря!

Было изготовлено несколько вариантов юбки: пара разных по высоте, а также сужающаяся, прямая и расширяющаяся. Всё это оттестировано с разными вариантами конусов.

Общие выводы:

• работает только сужающаяся юбка;
• оптимум лежит в районе трети-половины высоты центрального конуса.

Тут есть неочевидный нюанс — из-за возросшего сопротивления тяга на весах чуточку падает, но сам поток получается много более узконаправленным: по тестам наотвали зажигалка тухнет в полтора раза дальше. В моём случае это больше подходит под задачу «прокачать максимум объёма комнаты через фильтр воздухоочистителя», что достигается продувкой дальних углов помещения.

Альтернативное сопло

Данная форма, по предварительным тестам, будет незначительно менее эффективна, однако обладает значимыми эксплуатационными достоинствами:

• можно сделать воздухоочиститель не брутального, а весьма няшного дизайна;
• отсутствие острия положительно влияет на безопасность детей и других домашних животных.

Да-да, задел на коммерческое использование$)

Импеллер! (самый простой, эффективный и незаметный апгрейд)

Это когда вокруг пропеллера есть кольцо, т.е. все эти компьютерные вентиляторы правильно было бы называть импеллерами.

Физика процесса довольно банальна — чем ближе кольцо к лопастям, тем меньше перетекания воздуха через кромку.

Так вот, напечатав кольцевую проставку и сократив это расстояние с 2мм до 0.5мм я получил максимальное увеличение тяги. Да, вот так вот просто, банально и даже примитивно — деталь в виде цилиндра, из которой вычли другой цилиндр и три прямоугольных параллелепипеда, дала гораздо больше чем всякие там тангенциально-оживальные конусы и усечённые параболоиды извращения.

Здесь у пытливого читателя возникнет вопрос: «А что если сделать лопасти сразу с кольцом?! Ведь напечатать то легко!». Да, на момент 2025 года существуют целые комьюнити 3д печатников, где народ развлекается самыми разными формами крыльчатки, вплоть до крайне экзотических. К сожалению, есть одна неприятная неустранимая технологическая проблема — слоистая структура поверхности сильно просаживает КПД, т.е. для опытов прокатит, а вот для продакшна нужно литьё, которое, в свою очередь, довольно сильно ограничивает полёт фантазии. Лично я ожидаю здесь прорывов и выхода на массовый рынок вентиляторов принципиально новых форм в ближайшие несколько лет.

Важный момент: данный апгрейд увеличил не столько поток, сколько давление, что, в моём случае (протягивание воздуха через фильтр), даже важнее.

Рост тяги в цифрах — однозначный WIN!

Вместе с соплом аля турбовентиляторный двигатель и проставкой внутри тяга выросла с 4.2гр до 6.2гр или на ~47.6%.

Или, по-простому, дуть стало в полтора раза лучше!

Много это или мало? МНОГО! Учитывая что поток получился узконаправленный, эффективность ещё выше!

О трудозатратах

Может показаться, что я собрал огромную лабораторию и месяцами прожигал миллионы полимеров на НИОКР¹⁰… Открою небольшой секрет — нет:)

На самом деле «испытательный стенд» занимал краешек стола, а гора вариантов деталей коробку из под катушки пластика на табуретке рядом. Самого пластика на них затрачено ~220гр, в основном самого дешёвого.

Моделирование сводилось к масштабированию разных форм, нарезке и отправке на печать — это просто. Сейчас просто, а вот как сношались спецы времён Второй Мировой даже подумать страшно, это ведь каждый вариант надо было чертить на бумаге и точить на токарнике…

Красивые промофото снимались в основном в конце, на финальной серии тестов и причина у этого как ни странно научно-методологическая — показания немного плавали в зависимости от температуры/влажности окружающей среды.

Оценить чистое время затраченное на всё это не представляется возможным, так как занимался я этим по настроению между работой за которую таки платят;) Если ориентироваться по дате фотографий — от первой до последней прошла неделя.

Внешний вид на готовом изделии:

1. Да-да, надо жениться, я в курсе.
2. В контексте воздухоочистителя моей конструкции с вентиляторами направленными в стороны под разными углами (а не как у всех тупо вверх), это напрямую влияет на объём перемешиваемой атмосферы.
3. В идеале даже снизить! Забегая вперёд скажу что удалось, но незначительно.
4. Хорошо летать могут только красивые самолёты. © Туполев
5. Гибкие детали печатаются из TPU, если форма простая — без проблем, если сложная — могут начаться пляски.
6. Да, я понимаю что надо было ваять на основе крутильных весов, а данные снимать каким-то контроллером, но у меня всё же НЕ СТОЛЬКО дури!
7. Падение забортного давления на высоте чуть более трёх километров легко объяснило бы наблюдаемые цифры, спонсор расчёта кетайская нейронка(:
8. Хотя не так уж и страшно если чуть подумать или чуть погуглить.
9. Где-то здесь кроется ответ на вопрос почему у нас изобрели чуть ли не все изобретения мира, но собственно в мир они вышли в других странах. К счастью, моя задача проста — это всего навсего очиститель воздуха, а не новый экономичный высокоресурсный движок на пассажирский самолёт, который надо производить тысячами.
10. Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы — частенько самая дорогая часть проекта.