我们日常生活中所熟悉的风扇，其最显著的标志就是驱使空气流动的叶片。不过，近年来市场上出现了一类长相怪异的无叶风扇。从名字中就可以看出，这类风扇没有叶片，大多看上去像是一个连接着柱子的圆环，有的甚至长成了塔形或球形。

不过，这类风扇虽然号称“无叶”，但如果将其拆解的话，就会发现并非如此。以圆环形无叶风扇为例，其柱体底座表面设有许多进气孔，其内装有空气压缩机。当机器运行时，空气压缩机利用涡轮叶片的旋转，从进气孔吸入空气并增压，之后排向上部圆环的中空部分，并从圆环边缘的细缝高速流出，最终形成吹向我们的气流。

无叶风扇的核心是空气压缩机 图/Dyson

照这样说的话，这类风扇就只是把叶片隐藏起来？那我们在常规的有叶风扇外加上一个罩子，引导其风向，不就成无叶风扇了？的确，有不少手持小风扇就是这样做的。但我们这里讨论的无叶风扇并非这么简单。它最大的特点，就是吹出的风量能远远超过空气压缩机吸入的风量，因此也被称为“空气倍增器”(air multiplier）。

其实，无叶风扇能够增加风量的奥秘并不复杂。首先是流体力学中的伯努利原理：流速越快，流体压强越小。伴随着高速的气流射出细缝，内圈表面会产生负压，迫使后方的空气流入环内。其次，内圈表面被设计成类似于机翼的形状，并有一定的倾角。基于机翼产生升力的原理：在一定的角度范围内，倾角越大，内圈靠近后端处会产生更大的负压。因此，在这两个作用的叠加下，内圈轴向上出现了显著的压强差，驱使着后部气流进入圆环内，以此增加出风量。

某款无叶风扇的产品图，右图示意其圆环轴向被设计成类似于机翼的结构（内圈部分类似于机翼的上表面），气流从其后部的狭缝喷出。 图/Dyson

同时，流出圆环的气流由于具有一定的黏性，能将四周的空气也“夹带”进来。据已有的计算结果，无叶风扇在内圈表面具有很强的涡度，可以产生较强的黏性切应力，所以流出圆环的气流能“夹带”大量空气，进而增加出风量。相比之下，常规风扇对于周边空气的“黏性夹带”就相对弱了一点。因为常规风扇所产生的气流还带有切向速度，因此削减了轴向的速度梯度，使得黏性切应力较小，无法带动更多周边气流。

某款无叶风扇的计算流体力学模拟（颜色示意气流速度） 图/www.symspace.com

需要注意，无论是何种原理，增加出风量就意味着给更多空气增速，其能量来源总是从细缝中射出的气流。因此，随着出风量的增加无叶电风扇，风速总会变小。以某款无叶风扇的数据来看，其细缝中气流的射出流速能达到24米/秒无叶电风扇，距风扇60厘米处的气流轴向速度大约为2.5米/秒；风扇的进气量在20～30升/秒，而出风量最大能达到400升/秒左右。

和常规风扇相比，无叶风扇最大的优势在于能产生平稳并且连续的气流。常规风扇的叶片在旋转时会切割气流，而且在叶尖会产生“涡流脱落”，导致产生的气流有强烈的变化和间断。相比之下，无叶风扇所产生的气流更为稳定舒适。另外，显而易见，无叶风扇由于外形结构简单，因此更易于清洗且安全便捷。然而，由于采用了空气压缩机，相比常规风扇中的电机，无叶风扇整体会产生更大的噪声。而且目前来看，其市场上的平均价格也是要高于常规风扇。

撰文/ @TurbJet

本文选自《科学世界》2019年第2期