Duct fan คือการนำท่อมาครอบใบพัดเอาไว้ (Duct = ท่อ) นิยมนำมาใส่ไว้ในโดรนประเภทปีกหมุน (rotary wing) เพื่อป้องกันอันตรายจากใบพัด แต่รู้หรือไม่ว่านอกจากหน้าที่นี้แล้ว เจ้าตัว duct นี้ยังมีคุณประโยชน์อย่างอื่นแฝงอยู่ด้วย นั่นคือ ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการสร้างแรงยกของใบพัด !! และหลักการเพิ่มประสิทธิภาพของใบพัดจะเป็นอย่างไรนั้น เดี๋ยวเรามาหาคำตอบกันได้เลยครับ
โดยปกติแล้ว ในใบพัดที่มีการหมุนในที่โล่งโดยไม่มีอะไรมาปิดกั้นด้านข้างของใบพัดหรือไม่มีท่อ (duct) เนื่องจากใบพัดก็เหมือนเป็นปีกที่มีการหมุน มี airfoil อยู่ ดังนั้นเวลาหมุนไปปะทะกับลม ย่อมเกิดความเร็วที่แตกต่างกันระหว่างด้านบนกับด้านล่างใบพัด โดยตามสมการของเบอร์นูลลีแล้ว ด้านล่างใบพัดก็จะมีความดันสูงกว่าด้านบน ทำให้อากาศด้านล่างก็จะพยายามไหลไปด้านบน (หลักการของ induced drag) เกิดเป็น vortex (กระแสอากาศแบบวนๆ) ซึ่งการที่มันเกิด vortex นี่แหละทำให้สิ้นเปลืองพลังงานและยังทำให้แรงยกลดลงอีกด้วย
ดังนั้นเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพให้ใบพัดแล้วการใส่ duct ครอบใบพัดโดรนก็เป็นอีกตัวเลือกหนึ่ง ตามทฤษฎีแล้ว การนำ Duct ไปครอบใบพัด จะทำให้อากาศด้านล่างที่มีความดันสูงถูกป้องกัน ( block) ไว้ไม่ให้ขึ้นด้านบนหรือขึ้นน้อยที่สุด ตัว vortex ที่เกิดขึ้นก็จะลดลงไปอย่างมาก ก็จะทำให้แก้ปัญหาเรื่อง vortex ได้ และทำให้หากเราต้องการแรงขับ (Thrust) ที่เท่าเดิม แต่เราจะใช้พลังงานที่น้อยลงได้นั่นเอง แต่นี่เป็นเพียงขั้นตอนในการลด vortex เท่านั้น
แล้วถ้าเราต้องการสร้างแรกยกเพิ่มด้วยล่ะ จะทำอย่างไรดี ?
คำตอบคือ เราสามารถสร้างแรกยกให้มากขึ้นได้โดยทำให้ปลายของ duct ขาเข้ามีความโค้งดังในรูปด้านบน จากความโค้งนี้ เมื่ออากาศถูกดูดเข้าไปโดยใบพัด อากาศก็จะผ่านส่วนโค้งนี้ด้วย และส่วนโค้งนั้นจะทำหน้าที่เหมือน airfoil ทำให้เกิดแรง ณ บริเวณส่วนโค้งนั้นด้วย เกิดเป็น lift หรือ thrust ที่เกิดขึ้นนอกเหนือจาก thrust ของใบพัดอีกด้วย
หลักการของการลด vortex ด้วยวิธีนี้ เป็นหลักการเดียวกันของการสร้าง winglet มาติดที่ปีกของเครื่องบิน หรือการสร้างหางแบบ H-tail ที่จะช่วยลด vortex ที่เกิดที่หางระดับได้ ซึ่งช่วยลดแรงต้านที่เกิดขึ้นได้มากมายและช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของอากาศยานให้มากขึ้น
ปล. หากใครนึกภาพของ vortex ไม่ออก เราเอาการทดลองให้เห็น vortex ที่เกิดขึ้นในอุโมงค์ลม (wind tunnel) มาฝากกันครับ สามารถรับชมวีดีโอได้เลยครับ
