審核專家：劉傳振
德國布倫瑞克工業(yè)大學流體力學博士后

天氣越來越熱，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扇“發(fā)掘”出來，讓它再發(fā)揮發(fā)揮余熱了。

來源 | 網(wǎng)絡

然而，風扇的家族里似乎混入了一些形狀奇特的東西——酷炫的外形，反直覺的設計，讓它一躍晉升為時尚新品。這個類型的設計甚至影響到了其他電器，但凡能出風的小家電，就能看到它的影子。就連吹風機這個“行當”也被插了一腳，差點被搶了飯碗。

來源丨某品牌吹風機宣傳圖樣

看到上面的圖片你可能已經(jīng)猜到了，我們今天要說的東西，就是沒有扇葉還能吹風的——無葉風扇。它到底是何方神圣？真的沒有扇葉嗎？風是怎么憑空吹出來的？今天小編就化身為“捕風小偵探”為你揭開無葉風扇的秘密！

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扇葉去哪了？如果你有一臺無葉風扇，好奇地“把玩”一番，你一定會發(fā)現(xiàn)在無葉風扇中空環(huán)的內(nèi)側(cè)有一圈縫隙，開機后，風就會源源不斷地從這個縫隙里吹出來。

無葉風扇剖面圖

來源 | 普象網(wǎng)

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

說到這兒，我們大概可以猜測到“風的來處”：空氣首先從底座上的氣孔被吸入，經(jīng)過某個東西加速，再從中空環(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”的網(wǎng)友想到了它↓↓↓

來源丨某品牌風扇宣傳圖樣

沒錯，就是普通得不能再普通的小電風扇……有沒有一種繞了一大圈又回到了起點的感覺。

外國一位心靈手巧的大叔也想到了這個方法，他用一臺小電風扇和一堆木頭自己制作了一臺無葉風扇。

還真能吹出風來，看起來像模像樣的！

來源 | Pask Makes

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

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

離心式壓氣機構(gòu)造

來源 | 某品牌宣傳資料

看起來是不是有點像飛機發(fā)動機中的渦輪，或是汽車中的渦輪增壓器？沒錯！它們結(jié)構(gòu)類似，都有可以給空氣加壓的功能。

電風扇和離心壓氣機之間的差距有多大呢？說出來怕嚇到你！

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

一般離心式壓氣機工作時，內(nèi)部的葉輪在電機的帶動下每分鐘能轉(zhuǎn)50000圈，而有些家用無葉風扇用的離心壓氣機轉(zhuǎn)速甚至能達到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。

先說說普通的扇葉。如果你仔細觀察會發(fā)現(xiàn)，普通電風扇葉片不是平平的一片，而是曲面的，具有特殊的形狀。

當風扇旋轉(zhuǎn)時，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，為我們帶來一絲清涼。同時，由于一部分空氣被扇葉推走了，電扇后方的空氣會從四面八方慢慢流入扇葉附近，補充空氣。

普通風扇的靠扇葉將空氣推出

來源 | 知乎

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

前面我們說過，葉輪的轉(zhuǎn)速非常大，是普通電風扇扇葉的100倍?？諝庠谌~片的推動下，也會隨之高速轉(zhuǎn)起來。

我們知道，以物體自身為參照，它轉(zhuǎn)動時會受到遠離旋轉(zhuǎn)中心，向外甩的力，這個力叫做慣性離心力。并且其他條件不變時，轉(zhuǎn)速越快，慣性離心力就越大。

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

于是，進入葉輪內(nèi)的空氣就會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)形出風口。

空氣從下方中心吸入，被甩向上方邊緣

來源 | 某品牌宣傳資料

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

葉輪模型 來源 | 自制

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

有生活經(jīng)驗的朋友應該都知道，刮風天時，窄巷子里的風，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。

這是因為，單位時間內(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造成什么影響呢？

大家不妨跟小編一起做個實驗：撕下一張紙，手握住一端，用力吹紙條上方，你會發(fā)現(xiàn)紙條飄了起來。

關(guān)于伯努利原理的小實驗 來源 | 百度

這是因為，流速大的地方空氣壓強小，你吹氣時，紙條上方的壓強比下方更小，于是紙條就被下方壓強更大的空氣托了起來，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，流速降低，壓強增加，起到了加壓的效果。

這要歸功于電機超高的轉(zhuǎn)速與葉輪精妙的結(jié)構(gòu)，離心式壓氣機能夠?qū)⑾路降目諝馑菜傥耄瑫r將空氣壓縮，增加壓強。

葉輪進氣口附近流速快，壓強低；出口附近流速慢，壓強高

來源 | 某品牌宣傳資料

對于性能較好的家用無葉風扇，其內(nèi)部的離心壓氣機每秒能將33升的空氣從機身底部吸入，加壓，并輸送至環(huán)形出風口，這個性能是十分卓越的。

不過，事實真的這么簡單嗎？你吹到的風僅僅是從出風口噴出的加壓空氣嗎？

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被放大的風不知道你有沒有發(fā)現(xiàn)這樣一個細節(jié)。當用手感受來自無葉風扇環(huán)形出風口的風時，會覺得雖然氣流很快，但只是窄窄的一條，風量并不算大。

然而當你站得遠一些，正對著無葉風扇時，你會感受到一股均勻的氣流迎面而來，風量也十分充足，足以覆蓋上半身。

這是怎么回事？風量怎么會憑空變大？

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

康達效應 來源 | 百度

同為流體的空氣也具有這樣的特性。當快速流淌的空氣吹過一個緩而平滑的曲面時，氣流會貼附著曲面流過，隨著曲面的形狀一起轉(zhuǎn)彎。

這個現(xiàn)象叫做康達效應，飛機的機翼就利用了這種效應。

如果你仔細觀察無葉風扇出風口前端的表面，會發(fā)現(xiàn)這個表面呈類似機翼的形狀，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。

這樣做會發(fā)生什么呢？

你會發(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？流速快的地方壓強低，流速慢的地方壓強高。在壓強差的作用下，外界的空氣會被壓力壓進無葉風扇的環(huán)形區(qū)域內(nèi)，并向前噴出，這樣一來，無葉風扇吹出的風量就大大增加了。

康達效應與空氣放大技術(shù)

來源丨某品牌宣傳資料

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

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

離心式壓氣機與空氣放大是無葉風扇的兩個核心技術(shù)

來源 | 新浪網(wǎng)

那么問題來了，無葉風扇更值得去買嗎？

相比于普通風扇，無葉風扇用到了更先進的技術(shù)。然而無葉風扇的價格也是驚人的高，甚至能達到普通風扇的數(shù)十倍！典型的物美但價不廉……除了貴，很多無葉風扇在風速較大時噪音也是很大的。

技術(shù)上的進步，到底值不值如此高的價格，也是需要我們思考的問題。

來源：數(shù)字北京科學中心



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