מנהרת רוח שולחנית

ככל הנראה: החור ביציאה הוא 3 מ”מ עם דופן של 0.4, אז הקצה של הכנף הוא בעצם גליל קטום בקוטר 3.8 מ”מ. האוויר מלמעלה ומלמטה לא מצליח לסגור אחריו, מתנתק, ויוצר זוג מערבולות הפוכות. הלחץ בתוכן נמוך, אז הן שואבות את העשן לשני הצדדים.

הרעיון הראשון שלי היה להוציא מהכנף קשיות קטנות שבולטות כמה מילימטרים, כדי שהעשן ייצא רחוק מההפרעה. אבל קשית כזאת היא בעצמה גליל קטום באותו קוטר, אז היא רק מזיזה את הבעיה כמה מילימטרים קדימה. (קשית מתכת דקה, כמו מחט רפואית, הייתה עובדת טוב יותר, כי הדופן שלה כמעט אפסית.)

1. יציאה אליפטית אנכית. החור העגול הופך בתוך המזרק (Loft) לחריץ של בערך 1×7 מ”מ. אותו שטח לעשן, אבל השפה האחורית יכולה להיות דקה הרבה יותר. לחפש השראה: זרבוביות ריסוס בצורת מניפה, זרועות מתלה של פורמולה 1.
2. שפה אחורית משוננת. חותכים “מפרצים” בין החורים, והחורים יושבים על השיניים. כמו בנחירי המנוע של בואינג 787 ובלהבים של טורבינות רוח.
3. “צביטה” לפני הסוף. הכנף מתכנסת פנימה רגע לפני הקצה, כמו קליע עם זנב סירה, וכך הבועה שמאחור קטנה יותר.

החשוד הראשי הוא המאוורר. מאוורר צירי לא רק מושך, הוא גם מסובב את האוויר, והסחרור הזה מטפס אחורה עד תא הניסוי. גם דליפות קטנות בניילון יכולות לשאוב סילונים של אוויר מהחדר, כי בפנים יש תת־לחץ.

הסבר אפשרי: כשהעשן יוצא לאט יותר מהאוויר שסביבו, השוליים שלו מתגלגלים פנימה לשתי מערבולות הפוכות, וזה נראה כמו שני פסים. מתחבר גם לבועה שראיתי ב־CFD מאחורי השפה הקטומה.

מאחורי מכונית החיפושית רואים רק פס שיורד בעדינות. החיפושית עגולה מאחור והזרימה נצמדת אליה. במספר ריינולדס כל כך נמוך הצמיגות מרסנת הרבה. והפסים שלי מראים רק את הקו המרכזי, בעוד שהמערבולות של רכב כזה נמצאות בעיקר בצדדים.

סטטור, כלומר להבים קבועים לפני המאוורר.

• צלב לא מספיק. ברבעים של 90 מעלות האוויר עדיין יכול להסתחרר.
• כוורת לא מתאימה. לפני המאוורר האוויר הכי מהיר, וכוורת שם תיקח למאוורר את כל הלחץ.
• הנבחר: סטטור רדיאלי. להבים כמו קרני שמש. חשוב שמספר הלהבים לא יהיה שווה למספר הלהבים של המאוורר או כפולה שלו, אחרת כל הלהבים חותכים את השובלים באותו רגע ונוצרים פולסים של לחץ.

• NACA 0021 עבה: ההזדקרות הדרגתית, ורואים את בועת הניתוק זוחלת קדימה
• Kline-Fogleman: פרופיל עם מדרגה שלוכדת מערבולת
• פרופיל עם חריץ: מדמה דשים של מטוס בנחיתה

בפרוטוטייפ היה צינור ישר של 120 מ”מ בקוטר 7. בגרסה האמיתית הצינור ארוך יותר, 230 מ”מ, ויש בו כמה פיתולים (כל אחד פחות מ־90 מעלות).

שתי ההנחות שלי היו נכונות, והן מושכות לכיוונים הפוכים:

• צינור עבה טוב. פחות דופן ביחס לנפח, אז פחות טיפות פוגשות פלסטיק ומתעבות, וההתנגדות יורדת מהר מאוד עם הקוטר.
• צינור עבה מדי רע. העשן זז לאט, נשאר יותר זמן בצינור, והטיפות מספיקות להתאחד ולשקוע.

בפיתולים חדים יש בעיה שלישית: טיפות לא מספיקות לפנות ומתרסקות בדופן. הפיתולים שלי מתונים מאוד, אז זה פחות מדאיג.

בחרתי 8 מ”מ פנימי ו־11.2 חיצוני. זה בערך 30% יותר שטח חתך מה־7 של הפרוטוטייפ. הדופן יוצאת 1.6 מ”מ, בדיוק 4 היקפים של דיזה 0.4, כך שהצינור יהיה אטום.

אם הצינור יורד לכיוון המזרק, המים ירדו אליו, לא חזרה לקופסה.

רציתי לראות מה קורה למהירות בכל שלב:

• תא ההשקטה (תכלת): האוויר זוחל, פחות מ־1 מטר לשנייה. זה המקום השקט שבו המזרק יושב.
• הכונס (ירוק עד כתום): האוויר מאיץ בהדרגה, בלי קפיצות.
• תא הניסוי (אדום): הכי מהיר, ואחיד כמעט מקיר לקיר.
• הדיפוזר (צהוב): האוויר מאט שוב לפני המאוורר.
• מאחורי המזרק יש כתם כחול כהה קטן, והמהירות המינימלית בסקאלה שלילית (בערך מינוס 0.16 מטר לשנייה). כלומר יש שם אוויר שחוזר אחורה, וזאת הבועה שמאחורי השפה הקטומה.

למה בתא הניסוי יש 4.4 ולא 2.8? ביציאה הגדרתי את הספיקה המלאה של המאוורר, 93 CFM. אם כל הספיקה הזאת עוברת בחתך של 10×10 ס”מ, יוצאים בדיוק כ־4.4 מטר לשנייה. במציאות המאוורר לא נותן את הספיקה המלאה מול ההתנגדות של הכוורת, הרשת והכונס, ולכן המהירות האמיתית תהיה נמוכה יותר. הסימולציה טובה לראות את הצורה של הזרימה, לא את המספר המדויק.

ביציאה הגדרתי מהירות במקום לחץ, כי זה מתכנס יציב יותר. 93 CFM דרך עיגול של 140 מ”מ זה כ־2.85 מטר לשנייה. האפשרות השנייה הייתה לחץ של מינוס 15 פסקל.

כן. הפרופיל עובד, והזרימה צמודה אליו לכל האורך, בלי ניתוקים.

יש שובל, והכונס מכווץ אותו. אבל לא מעלים לגמרי: נשאר פס דק של מהירות נמוכה בדיוק בקו האמצע. הפס המרכזי כנראה יהיה הכי פחות יציב.

שכבת הגבול בתא הניסוי מתעבה. היא גדלה לאורך הקירות, והשוליים ליד הקירות איטיים יותר מהמרכז.

בחתך שבו יוצא העשן, השפה האחורית כבר לא חדה. החור הופך אותה לקיר קטום. מאחוריו נוצרת בועה עם שתי מערבולות קטנות, בדיוק במקום שבו העשן אמור לצאת נקי.

הרשת בסימולציה גסה מדי באזור השובל. התוצאות טובות כדי להבין מה קורה, לא כדי לקבל מספרים.

• אחידות המהירות. המאוורר מושך חזק יותר בקצוות הלהבים, והרשת מפזרת את זה על כל החתך.
• השובלים של הכוורת. הרשת חותכת את השובלים הקטנים שהכוורת יוצרת.

במהירויות שלי זה כנראה לא קריטי. אם מוותרים עליה:

• להאריך את תא ההשקטה ב־20 עד 30 מ”מ
• לסמוך על הכונס
• לעבוד במהירות הנמוכה ביותר שעוד נותנת פסים
• לנקות כל חוט פלסטיק מהכוורת, כי עכשיו היא קו ההגנה היחיד

פתח ישר וחד גורם לאוויר להתנתק בפינה ויוצר זרימה מהירה במרכז ואיטית ליד הקירות. קשת קטנה שנפתחת החוצה פותרת את זה. מעצבן שזה עלה רק עכשיו.

היא יוצרת קצת לחץ נגדי שמצמיד את האוויר לקירות, וכך אפשר דיפוזר קצר עם זווית רחבה בלי ניתוק.

שתי מסגרות, זכר ונקבה, עם ברגים מסביב.

הרעיון: פילטר על התאורה ועל המצלמה כדי להעלים השתקפויות מהפרספקס. נשמע מגניב, אבל לא הסתדר לי ודרשתי בדיקה חוזרת. מסתבר שטיפות מים שומרות על הקיטוב של האור, כך שהפילטר היה מעלים גם את העשן, והפרספקס עצמו משנה קיטוב. במקום זה: רקע קטיפה שחור ותאורת חריץ מלמעלה.

• קופסה של בערך 14×7×10 ס”מ עם מחולל אדים קולי ומים
• מאוורר רדיאלי קטן במהירות קבועה שדוחף אוויר לקופסה
• צינור יציאה של כ־7 מ”מ שמתפצל לשניים, אחד עולה ואחד יורד, ומזין את המזרק משני הקצוות

הכל מודפס, בלי סיליקון.

ניקוז: הצינור התחתון רחב יותר, 9 עד 10 מ”מ, ויורד בשיפוע רציף חזרה לקופסה, כך שמים שמתעבים חוזרים למאגר.

זה בדיוק מה שמצופה בלי זרימה מסביב: אין רוח שתסחב את הפסים קדימה, אז הם מאבדים מהירות, מתערבבים באוויר ומתפרקים. מה שחשוב בבדיקה הזאת הוא שכל החורים מוציאים עשן, בערך באותה כמות.

• כמה עשן ובאיזו מהירות. לא רציתי לשפוך אדים החוצה, כי זה פחות עשן במנהרה. במקום זה יש שרוול הזזה שמשחרר אוויר מהמאוורר לפני שהוא פוגש את המים. פחות אוויר באותו קצב אידוי נותן עשן סמיך ואיטי יותר. זה גם הכלי להתאים את מהירות העשן למהירות האוויר (הזרקה איזוקינטית).
• כמה עשן למעלה וכמה למטה. פיצול Y עם דלתית על ציר.

צינורות ההולכה של 6 מ”מ עבדו טוב. הקשיות הקטנות, 2.5 מ”מ בקוטר ו־15 מ”מ אורך, נסתמו אחרי 3 שניות. טיפה שמתעבה בצינור כזה נוגעת בדופן הנגדית ומתח הפנים סוגר אותו. בצינור של 6 מ”מ הטיפה נופלת לפני שהיא מגשרת.

המסקנה: לא קשיות, אלא חור ישר בשפה האחורית של הפרופיל.

אם החור רחב מהקצה של הכנף, הוא “נוגס” בצדדים ויוצר צורת אוכף. העשן נמרח על הפלסטיק לפני שהוא יוצא.

מטען USB של 30W עם מד זרם: המאוורר לבד לוקח 0.3A, אבל עם פס הלדים המתח נופל ל־4.5V ושומעים את המאוורר מאט. ב־5V בלי תקשורת עם המטען הוא נותן הרבה פחות מ־30W. הפתרון: ספק 5V פשוט וחזק, או ספק נפרד ללדים.

רציתי מאגר גדול שישמור על מפלס קבוע ליד המחולל. פסלתי בקבוק הפוך (לא סומך על ואקום בחלק מודפס) ופסלתי מצוף.

הזמנתי לארדואינו מגה:

• פוטנציומטרים לשליטה בעוצמת הרוח
• חיישן מפלס למיכל המים של האדים
• תא עומס כדי למדוד כוח עילוי על דגמים
• מסך קטן שיציג הכל

רציתי צינור פיטו עם חיישן לחץ. ב־2 מטר לשנייה הלחץ הדינמי הוא רק כ־2.4 פסקל. חיישנים מדויקים מספיק יקרים לי מדי, וחיישן ברומטרי רועש פי כמה מהאות. הרעיון שנשאר: דגלון קטן שתלוי על אחד הפוטנציומטרים ונוטה לפי הרוח.

עברתי מרחק אחרי מרחק: כוורת, רשת, מזרק, תחילת הכונס. הבנתי שכל מרחק נמדד לפי מי שיוצר את ההפרעה:

• אחרי הכוורת: לפי קוטר התא (D)
• אחרי הרשת: לפי עובי החוט, לא גודל החור. החוט הוא מה שמשיל מערבולות, והחור הוא רק חלל.

משושה בקיר אחד קשה להדפסה, אז עברתי לריבועים. בדקתי ואין כמעט הפסד: השטח הפתוח והקוטר ההידראולי זהים לשתי הצורות.

צילום המסך של המפרט הראה שהוא בעצם 140 מ”מ (דגם 14025):

• ספיקה של 93 CFM
• לחץ סטטי של כ־15 פסקל, הרבה יותר ממה שהכוורת והרשת לוקחות
• עובד על 5V ו־0.35A, עם שני חוטים בלבד, בלי מדידת סל”ד

שליטה במהירות תהיה עם PWM דרך דרייבר (L298N יכול).

הרבה הלוך ושוב על מספרים. למדתי לעצור ולבקש טבלה מסודרת במקום לקבל כל פעם מספר אחר.

לרגע שקלתי. אבל שטח הדיסקה של המאוורר (כ־113 סמ”ר לעיגול של 12 ס”מ) קטן מ־144 סמ”ר של הריבוע, אז המעבר אליו היה מצר את הזרימה, ומאוורר צירי מאבד הרבה ספיקה מול התנגדות כזאת. ב־10×10 (100 סמ”ר) המעבר מתרחב, עובד כדיפוזר ומוריד עומס מהמאוורר. נשארתי עם 10×10. ההערכה הייתה כ־2.8 מטר לשנייה בתא ריק.

חשבתי להעביר קשיות עשן מבחוץ דרך הכוורת, כדי שלא יהיה גוף בתוך הזרימה. זה היה חוסם תאים ומחורר את הרשת, אז ירד.

חששתי שהגוף שמחזיק את החורים יהרוס את הזרימה. בפרופיל דק של 6 מ”מ בתעלה של 200 מ”מ זו חסימה של 3% בלבד.

החלטתי שהמזרק יעבור לכל הגובה. אין קצה חופשי שמייצר מערבולת, הוא קשיח יותר כי הוא מעוגן משני הצדדים, ומים שמתעבים יכולים לזלוג למטה החוצה.

בתא ההשקטה, ממש לפני הכונס. שם האוויר איטי (בערך רבע מהמהירות בתא) והמזרק כמעט לא מייצר שובל. הכונס מותח את הפסים ומגהץ הפרעות קטנות.

1. התחלתי עם צינוריות מודפסות בקוטר פנימי של 4 עד 5 מ”מ, כדי שטיפות מים לא יסתמו אותן. הפס מתכווץ בכונס פי שורש יחס ההתכנסות, אז מ־4.5 מ”מ יוצא פס של 2.3 מ”מ.
2. רציתי פסים עבים יותר, וזה דחף לצינורית של 8 מ”מ. אבל צינור עגול בקוטר חיצוני של 10 מ”מ הוא גליל שמשיל מערבולות, גם במהירות האיטית של תא ההשקטה.
3. הפתרון: לעצב את המזרק כפרופיל כנף סימטרי, כשהעשן יוצא מהשפה האחורית. שם הזרימה משני הצדדים נפגשת בצורה חלקה.
4. האדים צריכים להגיע מצד אחד, ואז החלוקה בין החורים לא אחידה. בשביל זה חשבתי על תא השוואת לחצים, או על הזנה משני הקצוות דרך פיצול Y.
5. צינור ההזנה ייכנס מלמטה, כי האדים כבדים מהאוויר ומה שמתעבה צריך לרדת החוצה.

מעבר מתון לשטח גדול יותר, כדי שהאוויר לא יתנתק ממש לפני המאוורר וישלח תנודות לחץ אחורה לתא הניסוי. מאוורר של 30 CFM שהסתכלתי עליו נותן רק כ־0.6 מטר לשנייה בחתך 15×15, וזה איטי מדי. במהירות כזאת העשן כבר מתעקם מהפרשי טמפרטורה.

תא ניסוי 10×10, חלון 15 ס”מ ופתח כניסה 20×20. כך כל חלק נכנס בחלק אחד למדפסת. הסקיצה הראשונה ב־SolidWorks יצאה 760 מ”מ. קיצרתי את הדיפוזר (זווית גדולה יותר), את הכונס (150 מ”מ) ואת תא ההשקטה (רשת אחת), והגעתי לכ־580 מ”מ.

צילמתי כמה רשתות ליד מטבע של יואן (25 מ”מ, כמעט אינץ’) כדי לספור חורים לאינץ’. נבחרה רשת 30 Mesh. היא צפופה מספיק לשבור מערבולות, ופתוחה מספיק כדי לא לחנוק את המאוורר.

כלום עוד לא נבנה. אבל ההבנה ש־Windsible, מוצר מסחרי, נראה מעולה בלי כמעט אף אחד מהכללים, גרמה לי להבין כמה התאורה חשובה.