大家都是风扇,凭什么无叶风扇这么能“吹”? / 头条资讯

1年前 阅读 / 318 来源 / 原创 文 / 越读党订阅

天气越来越热,但吹上一整天空调又难免冻得肩酸背痛,想必很多小伙伴和小编一样,又把柜子深处的电风扇“发掘”出来,让它再发挥发挥余热了。 来源 | 网络 然而,风扇的家族里似乎混入了一些形状奇特的东西——酷炫的外形,反直觉的设计,让它一跃...

天气越来越热,但吹上一整天空调又难免冻得肩酸背痛,想必很多小伙伴和小编一样,又把柜子深处的电风扇“发掘”出来,让它再发挥发挥余热了。


来源 | 网络

然而,风扇的家族里似乎混入了一些形状奇特的东西——酷炫的外形,反直觉的设计,让它一跃晋升为时尚新品。这个类型的设计甚至影响到了其他电器,但凡能出风的小家电,就能看到它的影子。就连吹风机这个“行当”也被插了一脚,差点被抢了饭碗。


来源丨某品牌吹风机宣传图样

看到上面的图片你可能已经猜到了,我们今天要说的东西,就是没有扇叶还能吹风的——无叶风扇。它到底是何方神圣?真的没有扇叶吗?风是怎么凭空吹出来的?今天小编就化身为“捕风小侦探”为你揭开无叶风扇的秘密!

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扇叶去哪了?

如果你有一台无叶风扇,好奇地“把玩”一番,你一定会发现在无叶风扇中空环的内侧有一圈缝隙,开机后,风就会源源不断地从这个缝隙里吹出来。


无叶风扇剖面图。来源 | 普象网

另外,在它的底座有一圈镂空的气孔,靠近时隐隐地能感受到一股“吸力”。不用说这一定是进气口了。

说到这儿,我们大概可以猜测到“风的来处”:空气首先从底座上的气孔被吸入,经过某个东西加速,再从中空环的隙缝中吹出。

那么,什么东西能给空气加速呢?一些“脑洞大开”的网友想到了它


来源丨某品牌风扇宣传图样

没错,就是普通得不能再普通的小电风扇 有没有一种绕了一大圈又回到了起点的感觉。

外国一位心灵手巧的大叔也想到了这个方法,他用一台小电风扇和一堆木头自己制作了一台无叶风扇。

还真能吹出风来,看起来像模像样的!


来源 | Pask Makes

市面上售卖的无叶风扇内部构造与之类似,但其中一个部件的不同,让它的性能有了质的飞跃,从模型、玩具变成了有实用价值的产品。

真正的无叶风扇不是用普通的电扇给气流加速,而是用离心式压气机,其中最核心的部件是叶轮。


离心式压气机构造。来源 | 某品牌宣传资料

看起来是不是有点像飞机发动机中的涡轮,或是汽车中的涡轮增压器?没错!它们结构类似,都有可以给空气加压的功能。

电风扇和离心压气机之间的差距有多大呢?说出来怕吓到你!

普通电风扇的叶片,转速为1000转/分钟,也就是一分钟转1000圈,人眼看起来这个转速已经很快了。

一般离心式压气机工作时,内部的叶轮在电机的带动下每分钟能转50000圈,而有些家用无叶风扇用的离心压气机转速甚至能达到110000转/分钟,是电扇的100倍!

除了转速上差异巨大,它们的工作原理也大不相同。

先说说普通的扇叶。如果你仔细观察会发现,普通电风扇叶片不是平平的一片,而是曲面的,具有特殊的形状。

当风扇旋转时,这样的形状可以将叶片附近空气切割并向前推出,空气被叶片推出后就形成了向前的风,为我们带来一丝清凉。同时,由于一部分空气被扇叶推走了,电扇后方的空气会从四面八方慢慢流入扇叶附近,补充空气。


普通风扇的靠扇叶将空气推出。来源 | 知乎

相比于普通电风扇的扇叶,叶轮具有更多的叶片和更复杂的叶片形状。当叶轮旋转时,空气先被切割并推进叶轮内部,这里的原理与电风扇类似。

前面我们说过,叶轮的转速非常大,是普通电风扇扇叶的100倍。空气在叶片的推动下,也会随之高速转起来。

我们知道,以物体自身为参照,它转动时会受到远离旋转中心,向外甩的力,这个力叫做惯性离心力。并且其他条件不变时,转速越快,惯性离心力就越大。

跟随叶轮飞快转动的空气会受到很大的惯性离心力,在这个力的作用下空气会被抛向叶轮的边缘。

于是,进入叶轮内的空气就会被源源不断地被惯性离心力从中心甩到叶轮边缘,然后被输送至环形出风口。


空气从下方中心吸入,被甩向上方边缘。来源 | 某品牌宣传资料

那么,空气被甩到边缘后会发生什么呢?这就要仔细看看叶轮的结构了。


叶轮模型。来源 | 自制

也许你已经注意到,叶轮靠近中心的入口处,每个叶片之间的距离很近,能使空气通过的空间很窄。而叶轮边缘的出口处,每个叶片之间的距离较远,能使空气通过的空间较宽。这“一窄一宽”之间,藏着大门道!

有生活经验的朋友应该都知道,刮风天时,窄巷子里的风,要比宽阔的大路上更猛烈。同样的道理,叶轮入口处更窄的地方空气流速更快,叶轮边缘更宽的地方空气流速更慢。

这是因为,单位时间内流经某一截面的气体质量是相等的,这一规律的本质是质量守恒的体现。

那么,叶轮内这种速度的差异最终会造成什么影响呢?

大家不妨跟小编一起做个实验:撕下一张纸,手握住一端,用力吹纸条上方,你会发现纸条飘了起来。


关于伯努利原理的小实验。来源 | 百度

这是因为,流速大的地方空气压强小,你吹气时,纸条上方的压强比下方更小,于是纸条就被下方压强更大的空气托了起来,这便是伯努利原理。

同理,叶轮内的空气从狭窄区域流到宽阔区域时,流速降低,压强增加,起到了加压的效果。

这要归功于电机超高的转速与叶轮精妙的结构,离心式压气机能够将下方的空气瞬速吸入,同时将空气压缩,增加压强。


叶轮进气口附近流速快,压强低;出口附近流速慢,压强高。来源 | 某品牌宣传资料

对于性能较好的家用无叶风扇,其内部的离心压气机每秒能将33升的空气从机身底部吸入,加压,并输送至环形出风口,这个性能是十分卓越的。

不过,事实真的这么简单吗?你吹到的风仅仅是从出风口喷出的加压空气吗?

2

被放大的风

不知道你有没有发现这样一个细节。当用手感受来自无叶风扇环形出风口的风时,会觉得虽然气流很快,但只是窄窄的一条,风量并不算大。

然而当你站得远一些,正对着无叶风扇时,你会感受到一股均匀的气流迎面而来,风量也十分充足,足以覆盖上半身。

这是怎么回事?风量怎么会凭空变大?

还是先做一个小实验:如果你用勺子的背面贴近水龙头里流出的水流,你会发现水流会贴着勺子流淌,在勺子的引流作用下,整个水柱都会变弯。


康达效应。来源 | 百度

同为流体的空气也具有这样的特性。当快速流淌的空气吹过一个缓而平滑的曲面时,气流会贴附着曲面流过,随着曲面的形状一起转弯。

这个现象叫做康达效应,飞机的机翼就利用了这种效应。

如果你仔细观察无叶风扇出风口前端的表面,会发现这个表面呈类似机翼的形状,它能够有效地让气流有效的集中在环形内壁,贴合着表面快速流动。

这样做会发生什么呢?

你会发现,流速快的空气集中在了环形的内壁表面,环的外部空气流速较慢。

还记得前面提到的伯努利原理吗?流速快的地方压强低,流速慢的地方压强高。在压强差的作用下,外界的空气会被压力压进无叶风扇的环形区域内,并向前喷出,这样一来,无叶风扇吹出的风量就大大增加了。


康达效应与空气放大技术。来源丨某品牌宣传资料

其实,无叶风扇出风口喷出的加压气体的量很少,却起到了抛砖引玉的效果,大部分的风都来自环外的,都是在压强差下被压入环内并喷出的,这项技术又被称作“空气倍增技术”。

这样一来,机身内的离心压缩机虽然转速很快,但它只需要压缩很少的气体就能让无叶风扇产生流速快、流量大的风。一般离心式压气机每秒可以产生33升压缩空气,而经过空气倍增,从中空环中吹出的风量可以达到每秒500升。因此,无叶风扇里的离心压气机的大小和功率都不需要很大。


离心式压气机与空气放大是无叶风扇的两个核心技术。来源 | 新浪网

那么问题来了,无叶风扇更值得去买吗?

相比于普通风扇,无叶风扇用到了更先进的技术。然而无叶风扇的价格也是惊人的高,甚至能达到普通风扇的数十倍!典型的物美但价不廉 除了贵,很多无叶风扇在风速较大时噪音也是很大的。

技术上的进步,到底值不值如此高的价格,也是需要我们思考的问题。

审核专家: 刘传振

德国布伦瑞克工业大学流体力学博士后

来源:数字北京科学中心

编辑:Eric

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