为什么无叶风扇能吹出“自然风”

电风扇像“自动扇”，利用电动机带动旋转叶片，推动空气流通产生风，风吹过体表加速汗液蒸发，保持体表干爽、并起到降温作用。但是吹过风扇的人，大概都有这样的体验：正对着电风扇吹会让人感觉很“冲”，而稍离开一点风扇吹风的方向，风又几乎没了，吹风扇让人进入一个是“吹”还是“不吹”的二选一的境地。

这种现象主要和风扇造成的风场特点有关。图1所示为一款吊扇的风场分析结果，风扇叶片转动时，在风扇的正方向产生一个射流区，该区域整体呈圆柱形，直径近似为风扇直径。射流区是整个风场风速最大的区域，且气流极不稳定，具有高度的湍流特征，而在射流区之外的挟卷区，风速很小，射流区与挟卷区边界明显，这就是为什么直吹风扇时会让人感觉很“冲”，而稍远离风扇方向又感觉不到风的原因。

图1 某款吊扇风场分布图 （参考文献[1]绘制）

2009年，英国富豪、戴森公司创始人詹姆斯·戴森（James Dyson,1947）从干手器（戴森于2006年发明）得到灵感，发明了无叶片式风扇（简称无叶风扇）。图2所示即为戴维公司的一款无叶风扇，从外观上看，无叶风扇去掉了传统风扇的叶片，主体由一个环形圈加一个底座构成，给人一种“空穴来风”的感觉。无叶风扇因没有外部叶片，从而减少了使用者因叶片受伤的概率，同时也使得风扇更加容易清洁，且具有低噪声和节能的优点，一经上市迅速引起了人们的极大关注，并于当年被美国科技杂志评为了2009年全球十大发明之一。

图2 戴森公司推出的无叶风扇 [2]

无叶风扇看似没有叶片，但实际只是将叶片隐藏在底座中。图3所示为无叶风扇的剖面图，底座开有进气孔，上端装有旋转叶片。当叶片（impeller）旋转后将空气从进气孔吸入，在叶片的推动下将空气压入环形圈空腔内，此时空气压力增大。环形空腔一侧开有一个朝反向开口的缝隙，这个缝隙非常小，通常只有1-3毫米，不仔细观察很难被发现，空气正是从这个狭缝喷出，成为无叶风扇“空虚来风”的风源。

请大家注意它的出风口方向，是在图示左端开口吹向右端，这使得风在流出狭缝之后，将迅速与环形圈内壁相遇。罗马尼亚发明家亨利·柯恩达 (Henri Coandă)于1910年发现，当流体流过物体表面时，流体会改变方向沿着物体表面轮廓流动（流固边界会产生边界层，形成对空气的吸附作用）。这在厨房就可以验证，用勺子底部挡在水龙头的流水，在流速适当的条件下，可以清晰地看到，水流沿着勺子底部弯曲流动，并不会四处飞溅，这就是柯恩达效应起的作用。

图3 无叶风扇翼型轮廓图（注意观察出口狭缝及横截面的布置） [3]

据估算无叶风扇的出风口出风时速可以达到10公里每小时以上，有的大功率可超过30公里每小时。柯恩达效应可以产生三个结果：一是将强气流的湍流程度减弱，将高速的射流变为柔和的均匀流，使风变得柔和。二是沿着壁面流动时，可以改变风的流动方向，使得受风区域增大。三是由于空气流动，环形圈内部气压降低，周围的空气被吸进来，形成更大的出风量。经测试，无叶风扇的出风量可达到进气口进风量的15-18倍以上，这也让无叶风扇获得了另一个别名：空气倍增器（Air Multiplier）。

研究人员对无叶风扇的风场流向进行了研究，如图4所示，从图中可以看出，在出风口处空气流速较为均匀，风速变化较大的区域（图中红色黄色区域）仅限于贴近风扇环形圈很小的区域（图中两个稍大的白点为无叶风扇的剖面，可认为是俯视图）。此外，在无叶风扇出风方向和反向都有风流动，覆盖范围比传统风扇要大很多，且整体来看风场强度较为均匀，这也是无叶风扇吹出的风变得柔和起来，更加接近于自然风的原因。

图4 无叶风扇流场分布图[3]

如今，随着智能家电技术的兴起，无叶风扇又融合了更多功能，如空气净化、照明等功能，并在使用方式上增加了摇头、遥控、声控等功能，让无叶风扇不仅仅是一台家电，更成为营造生活氛围的重要元素。