我們日常生活中所熟悉的風扇，其最顯著的標誌就是驅使空氣流動的葉片。不過，近年來市場上出現了一類長相怪異的無葉風扇。從名字中就可以看出，這類風扇沒有葉片，大多看上去像是一個連接著柱子的圓環，有的甚至長成了塔形或球形。
不過，這類風扇雖然號稱「無葉」，但如果將其拆解的話，就會發現並非如此。以圓環形無葉風扇為例，其柱體底座表面設有許多進氣孔，其內裝有空氣壓縮機。當機器運行時，空氣壓縮機利用渦輪葉片的旋轉，從進氣孔吸入空氣並增壓，之後排向上部圓環的中空部分，並從圓環邊緣的細縫高速流出，最終形成吹向我們的氣流。
照這樣說的話，這類風扇就只是把葉片隱藏起來？那我們在常規的有葉風扇外加上一個罩子，引導其風向，不就成無葉風扇了？的確，有不少手持小風扇就是這樣做的。但我們這裡討論的無葉風扇並非這麼簡單。它最大的特點，就是吹出的風量能遠遠超過空氣壓縮機吸入的風量，因此也被稱為「空氣倍增器」(air multiplier）。
其實，無葉風扇能夠增加風量的奧秘並不複雜。首先是流體力學中的伯努利原理：流速越快，流體壓強越小。伴隨著高速的氣流射出細縫，內圈表面會產生負壓，迫使後方的空氣流入環內。其次，內圈表面被設計成類似於機翼的形狀，並有一定的傾角。基於機翼產生升力的原理：在一定的角度範圍內，傾角越大，內圈靠近後端處會產生更大的負壓。因此，在這兩個作用的疊加下，內圈軸向上出現了顯著的壓強差，驅使著後部氣流進入圓環內，以此增加出風量。
某款無葉風扇的產品圖，右圖示意其圓環軸向被設計成類似於機翼的結構（內圈部分類似於機翼的上表面），氣流從其後部的狹縫噴出。
同時，流出圓環的氣流由於具有一定的黏性，能將四周的空氣也「夾帶」進來。據已有的計算結果，無葉風扇在內圈表面具有很強的渦度，可以產生較強的黏性切應力，所以流出圓環的氣流能「夾帶」大量空氣，進而增加出風量。相比之下，常規風扇對於周邊空氣的「黏性夾帶」就相對弱了一點。因為常規風扇所產生的氣流還帶有切向速度，因此削減了軸向的速度梯度，使得黏性切應力較小，無法帶動更多周邊氣流。
某款無葉風扇的計算流體力學模擬（顏色示意氣流速度）
需要注意，無論是何種原理，增加出風量就意味著給更多空氣增速，其能量來源總是從細縫中射出的氣流。因此，隨著出風量的增加，風速總會變小。以某款無葉風扇的數據來看，其細縫中氣流的射出流速能達到24米/秒，距風扇60釐米處的氣流軸向速度大約為2.5米/秒；風扇的進氣量在20～30升/秒，而出風量最大能達到400升/秒左右。
和常規風扇相比，無葉風扇最大的優勢在於能產生平穩並且連續的氣流。常規風扇的葉片在旋轉時會切割氣流，而且在葉尖會產生「渦流脫落」，導致產生的氣流有強烈的變化和間斷。相比之下，無葉風扇所產生的氣流更為穩定舒適。另外，顯而易見，無葉風扇由於外形結構簡單，因此更易於清洗且安全便捷。然而，由於採用了空氣壓縮機，相比常規風扇中的電機，無葉風扇整體會產生更大的噪聲。而且目前來看，其市場上的平均價格也是要高於常規風扇。
本文節選自《科學世界》2019年第2期
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