審核專家：劉傳振
德國(guó)布倫瑞克工業(yè)大學(xué)流體力學(xué)博士后

天氣越來(lái)越熱，但吹上一整天空調(diào)又難免凍得肩酸背痛，想必很多小伙伴和小編一樣，又把柜子深處的電風(fēng)扇“發(fā)掘”出來(lái)，讓它再發(fā)揮發(fā)揮余熱了。

來(lái)源 | 網(wǎng)絡(luò)

然而，風(fēng)扇的家族里似乎混入了一些形狀奇特的東西——酷炫的外形，反直覺(jué)的設(shè)計(jì)，讓它一躍晉升為時(shí)尚新品。這個(gè)類型的設(shè)計(jì)甚至影響到了其他電器，但凡能出風(fēng)的小家電，就能看到它的影子。就連吹風(fēng)機(jī)這個(gè)“行當(dāng)”也被插了一腳，差點(diǎn)被搶了飯碗。

來(lái)源丨某品牌吹風(fēng)機(jī)宣傳圖樣

看到上面的圖片你可能已經(jīng)猜到了，我們今天要說(shuō)的東西，就是沒(méi)有扇葉還能吹風(fēng)的——無(wú)葉風(fēng)扇。它到底是何方神圣？真的沒(méi)有扇葉嗎？風(fēng)是怎么憑空吹出來(lái)的？今天小編就化身為“捕風(fēng)小偵探”為你揭開(kāi)無(wú)葉風(fēng)扇的秘密！

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扇葉去哪了？如果你有一臺(tái)無(wú)葉風(fēng)扇，好奇地“把玩”一番，你一定會(huì)發(fā)現(xiàn)在無(wú)葉風(fēng)扇中空環(huán)的內(nèi)側(cè)有一圈縫隙，開(kāi)機(jī)后，風(fēng)就會(huì)源源不斷地從這個(gè)縫隙里吹出來(lái)。

無(wú)葉風(fēng)扇剖面圖

來(lái)源 | 普象網(wǎng)

另外，在它的底座有一圈鏤空的氣孔，靠近時(shí)隱隱地能感受到一股“吸力”。不用說(shuō)這一定是進(jìn)氣口了。

說(shuō)到這兒，我們大概可以猜測(cè)到“風(fēng)的來(lái)處”：空氣首先從底座上的氣孔被吸入，經(jīng)過(guò)某個(gè)東西加速，再?gòu)闹锌窄h(huán)的隙縫中吹出。

那么，什么東西能給空氣加速呢？一些“腦洞大開(kāi)”的網(wǎng)友想到了它↓↓↓

來(lái)源丨某品牌風(fēng)扇宣傳圖樣

沒(méi)錯(cuò)，就是普通得不能再普通的小電風(fēng)扇……有沒(méi)有一種繞了一大圈又回到了起點(diǎn)的感覺(jué)。

外國(guó)一位心靈手巧的大叔也想到了這個(gè)方法，他用一臺(tái)小電風(fēng)扇和一堆木頭自己制作了一臺(tái)無(wú)葉風(fēng)扇。

還真能吹出風(fēng)來(lái)，看起來(lái)像模像樣的！

來(lái)源 | Pask Makes

市面上售賣的無(wú)葉風(fēng)扇內(nèi)部構(gòu)造與之類似，但其中一個(gè)部件的不同，讓它的性能有了質(zhì)的飛躍，從模型、玩具變成了有實(shí)用價(jià)值的產(chǎn)品。

真正的無(wú)葉風(fēng)扇不是用普通的電扇給氣流加速，而是用離心式壓氣機(jī)，其中最核心的部件是葉輪。

離心式壓氣機(jī)構(gòu)造

來(lái)源 | 某品牌宣傳資料

看起來(lái)是不是有點(diǎn)像飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中的渦輪，或是汽車中的渦輪增壓器？沒(méi)錯(cuò)！它們結(jié)構(gòu)類似，都有可以給空氣加壓的功能。

電風(fēng)扇和離心壓氣機(jī)之間的差距有多大呢？說(shuō)出來(lái)怕嚇到你！

普通電風(fēng)扇的葉片，轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分鐘，也就是一分鐘轉(zhuǎn)1000圈，人眼看起來(lái)這個(gè)轉(zhuǎn)速已經(jīng)很快了。

一般離心式壓氣機(jī)工作時(shí)，內(nèi)部的葉輪在電機(jī)的帶動(dòng)下每分鐘能轉(zhuǎn)50000圈，而有些家用無(wú)葉風(fēng)扇用的離心壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速甚至能達(dá)到110000轉(zhuǎn)/分鐘，是電扇的100倍！

除了轉(zhuǎn)速上差異巨大，它們的工作原理也大不相同。

先說(shuō)說(shuō)普通的扇葉。如果你仔細(xì)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)，普通電風(fēng)扇葉片不是平平的一片，而是曲面的，具有特殊的形狀。

當(dāng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí)，這樣的形狀可以將葉片附近空氣切割并向前推出，空氣被葉片推出后就形成了向前的風(fēng)，為我們帶來(lái)一絲清涼。同時(shí)，由于一部分空氣被扇葉推走了，電扇后方的空氣會(huì)從四面八方慢慢流入扇葉附近，補(bǔ)充空氣。

普通風(fēng)扇的靠扇葉將空氣推出

來(lái)源 | 知乎

相比于普通電風(fēng)扇的扇葉，葉輪具有更多的葉片和更復(fù)雜的葉片形狀。當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，空氣先被切割并推進(jìn)葉輪內(nèi)部，這里的原理與電風(fēng)扇類似。

前面我們說(shuō)過(guò)，葉輪的轉(zhuǎn)速非常大，是普通電風(fēng)扇扇葉的100倍。空氣在葉片的推動(dòng)下，也會(huì)隨之高速轉(zhuǎn)起來(lái)。

我們知道，以物體自身為參照，它轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心，向外甩的力，這個(gè)力叫做慣性離心力。并且其他條件不變時(shí)，轉(zhuǎn)速越快，慣性離心力就越大。

跟隨葉輪飛快轉(zhuǎn)動(dòng)的空氣會(huì)受到很大的慣性離心力，在這個(gè)力的作用下空氣會(huì)被拋向葉輪的邊緣。

于是，進(jìn)入葉輪內(nèi)的空氣就會(huì)被源源不斷地被慣性離心力從中心甩到葉輪邊緣，然后被輸送至環(huán)形出風(fēng)口。

空氣從下方中心吸入，被甩向上方邊緣

來(lái)源 | 某品牌宣傳資料

那么，空氣被甩到邊緣后會(huì)發(fā)生什么呢？這就要仔細(xì)看看葉輪的結(jié)構(gòu)了。

葉輪模型 來(lái)源 | 自制

也許你已經(jīng)注意到，葉輪靠近中心的入口處，每個(gè)葉片之間的距離很近，能使空氣通過(guò)的空間很窄。而葉輪邊緣的出口處，每個(gè)葉片之間的距離較遠(yuǎn)，能使空氣通過(guò)的空間較寬。這“一窄一寬”之間，藏著大門道！

有生活經(jīng)驗(yàn)的朋友應(yīng)該都知道，刮風(fēng)天時(shí)，窄巷子里的風(fēng)，要比寬闊的大路上更猛烈。同樣的道理，葉輪入口處更窄的地方空氣流速更快，葉輪邊緣更寬的地方空氣流速更慢。

這是因?yàn)椋瑔挝粫r(shí)間內(nèi)流經(jīng)某一截面的氣體質(zhì)量是相等的，這一規(guī)律的本質(zhì)是質(zhì)量守恒的體現(xiàn)。

那么，葉輪內(nèi)這種速度的差異最終會(huì)造成什么影響呢？

大家不妨跟小編一起做個(gè)實(shí)驗(yàn)：撕下一張紙，手握住一端，用力吹紙條上方，你會(huì)發(fā)現(xiàn)紙條飄了起來(lái)。

關(guān)于伯努利原理的小實(shí)驗(yàn) 來(lái)源 | 百度

這是因?yàn)?，流速大的地方空氣壓?qiáng)小，你吹氣時(shí)，紙條上方的壓強(qiáng)比下方更小，于是紙條就被下方壓強(qiáng)更大的空氣托了起來(lái)，這便是伯努利原理。（伯努利原理：壓力+1/2′密度′速度的平方=常數(shù)）

同理，葉輪內(nèi)的空氣從狹窄區(qū)域流到寬闊區(qū)域時(shí)，流速降低，壓強(qiáng)增加，起到了加壓的效果。

這要?dú)w功于電機(jī)超高的轉(zhuǎn)速與葉輪精妙的結(jié)構(gòu)，離心式壓氣機(jī)能夠?qū)⑾路降目諝馑菜傥?，同時(shí)將空氣壓縮，增加壓強(qiáng)。

葉輪進(jìn)氣口附近流速快，壓強(qiáng)低；出口附近流速慢，壓強(qiáng)高

來(lái)源 | 某品牌宣傳資料

對(duì)于性能較好的家用無(wú)葉風(fēng)扇，其內(nèi)部的離心壓氣機(jī)每秒能將33升的空氣從機(jī)身底部吸入，加壓，并輸送至環(huán)形出風(fēng)口，這個(gè)性能是十分卓越的。

不過(guò)，事實(shí)真的這么簡(jiǎn)單嗎？你吹到的風(fēng)僅僅是從出風(fēng)口噴出的加壓空氣嗎？

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被放大的風(fēng)不知道你有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這樣一個(gè)細(xì)節(jié)。當(dāng)用手感受來(lái)自無(wú)葉風(fēng)扇環(huán)形出風(fēng)口的風(fēng)時(shí)，會(huì)覺(jué)得雖然氣流很快，但只是窄窄的一條，風(fēng)量并不算大。

然而當(dāng)你站得遠(yuǎn)一些，正對(duì)著無(wú)葉風(fēng)扇時(shí)，你會(huì)感受到一股均勻的氣流迎面而來(lái)，風(fēng)量也十分充足，足以覆蓋上半身。

這是怎么回事？風(fēng)量怎么會(huì)憑空變大？

還是先做一個(gè)小實(shí)驗(yàn)：如果你用勺子的背面貼近水龍頭里流出的水流，你會(huì)發(fā)現(xiàn)水流會(huì)貼著勺子流淌，在勺子的引流作用下，整個(gè)水柱都會(huì)變彎。

康達(dá)效應(yīng) 來(lái)源 | 百度

同為流體的空氣也具有這樣的特性。當(dāng)快速流淌的空氣吹過(guò)一個(gè)緩而平滑的曲面時(shí)，氣流會(huì)貼附著曲面流過(guò)，隨著曲面的形狀一起轉(zhuǎn)彎。

這個(gè)現(xiàn)象叫做康達(dá)效應(yīng)，飛機(jī)的機(jī)翼就利用了這種效應(yīng)。

如果你仔細(xì)觀察無(wú)葉風(fēng)扇出風(fēng)口前端的表面，會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)表面呈類似機(jī)翼的形狀，它能夠有效地讓氣流有效的集中在環(huán)形內(nèi)壁，貼合著表面快速流動(dòng)。

這樣做會(huì)發(fā)生什么呢？

你會(huì)發(fā)現(xiàn)，流速快的空氣集中在了環(huán)形的內(nèi)壁表面，環(huán)的外部空氣流速較慢。

還記得前面提到的伯努利原理嗎？流速快的地方壓強(qiáng)低，流速慢的地方壓強(qiáng)高。在壓強(qiáng)差的作用下，外界的空氣會(huì)被壓力壓進(jìn)無(wú)葉風(fēng)扇的環(huán)形區(qū)域內(nèi)，并向前噴出，這樣一來(lái)，無(wú)葉風(fēng)扇吹出的風(fēng)量就大大增加了。

康達(dá)效應(yīng)與空氣放大技術(shù)

來(lái)源丨某品牌宣傳資料

其實(shí)，無(wú)葉風(fēng)扇出風(fēng)口噴出的加壓氣體的量很少，卻起到了拋磚引玉的效果，大部分的風(fēng)都來(lái)自環(huán)外的，都是在壓強(qiáng)差下被壓入環(huán)內(nèi)并噴出的，這項(xiàng)技術(shù)又被稱作“空氣倍增技術(shù)”。

這樣一來(lái)，機(jī)身內(nèi)的離心壓縮機(jī)雖然轉(zhuǎn)速很快，但它只需要壓縮很少的氣體就能讓無(wú)葉風(fēng)扇產(chǎn)生流速快、流量大的風(fēng)。一般離心式壓氣機(jī)每秒可以產(chǎn)生33升壓縮空氣，而經(jīng)過(guò)空氣倍增，從中空環(huán)中吹出的風(fēng)量可以達(dá)到每秒500升。因此，無(wú)葉風(fēng)扇里的離心壓氣機(jī)的大小和功率都不需要很大。

離心式壓氣機(jī)與空氣放大是無(wú)葉風(fēng)扇的兩個(gè)核心技術(shù)

來(lái)源 | 新浪網(wǎng)

那么問(wèn)題來(lái)了，無(wú)葉風(fēng)扇更值得去買嗎？

相比于普通風(fēng)扇，無(wú)葉風(fēng)扇用到了更先進(jìn)的技術(shù)。然而無(wú)葉風(fēng)扇的價(jià)格也是驚人的高，甚至能達(dá)到普通風(fēng)扇的數(shù)十倍！典型的物美但價(jià)不廉……除了貴，很多無(wú)葉風(fēng)扇在風(fēng)速較大時(shí)噪音也是很大的。

技術(shù)上的進(jìn)步，到底值不值如此高的價(jià)格，也是需要我們思考的問(wèn)題。

來(lái)源：數(shù)字北京科學(xué)中心



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