#无叶电风扇是怎么吹出风来的#
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。
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。
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）
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，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，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。
本文选自《科学世界》2019年第2期
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。
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。
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）
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，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，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。
本文选自《科学世界》2019年第2期
#军事新闻# 辛苦研制十年功，梦碎只要一分钟！波音承制登月火箭遇首次重大失败#武器装备#
1月17日，由美国波音公司研制的“航天发射系统”（SLS）火箭芯一级在斯坦尼斯中心实施首次点火试验的过程中，仅仅燃烧了67秒就自动关机，没有达到预期的8分钟燃烧。这是SLS火箭研制过程中，第一次遭遇重大试验失败。
应该说，SLS火箭一级试验没有任何失败的理由。RS-25来自著名的航天飞机主发动机，自从1981年首次飞行以来，RS-25已经支撑了100多次飞行，每次都顺利完成任务。两次航天飞机事故都与RS-25没有关系。承担发动机制造的洛克达因公司也没有掉链子，如期拿出了足够数量的发动机。
SLS芯级与航天飞机的重大区别，是发动机从三台增加到四台，取消巨大的外置燃料箱和分离机构，把燃料箱置入火箭级段之内。应该说工程实现上要比航天飞机更加容易。而且SLS不考虑重复使用，又比航天飞机少了一个巨大的难点。当年的波音公司既然能与洛马联手建造航天飞机，对SLS这种传统火箭应该是没有太多重大关键技术要攻关的。
即使如此，波音公司也用了10年时间，才从合同走到了芯一级点火试验的这一天。在拥有成熟发动机的情况下，这真的不是个好成绩。
自从航天飞机投入使用的几十年来，航天界在发射系统的各种领域都有了更深刻的认识和长足进步，无论对结构分析、振动分析、流体力学分析，都有了更多的手段，包括各种传感器和超级计算机。电子技术的进步也让工程师们可以用更小、更轻、更可靠的器件来搭建火箭。波音公司还是不能顺利完成首次一级点火试验，实在有点说不过去。
如果说航空航天是一件充满风险的事情，失败和错误在所难免，波音公司这些年的“在所难免”也太多了一点。除了民航客机上的诸多问题尚未解决，除了已经进入成熟期的“德尔塔-4”火箭，几乎哪个宇航型号都不顺利。
波音公司在2019年末的CST-100载人飞船试验失败也是个非常不好的信号。波音一度提出，要自筹资金，在2020年内再实施一次CST-100的不载人飞行，为载人飞行做好准备。然而元旦已过，我们正在迈向2021年的春节，CST-100还是没有复飞。按照现在看到的计划，这次发射打算排到3月份。波音居然根据这样的时间表，决定2021年6月就实施CST-100的首次载人飞行！要知道，争分夺秒的马斯克都不敢给自己设定这样紧凑的时间表。他在2019年3月实施了“载人龙”飞船的第一次无人飞行，筹备了一年多之后才实施第一次载人飞行。而且马斯克的安全记录清单要比波音好看多了。几乎可以肯定，CST-100在2021年6月是无法做到载人飞行的。
NASA正在调查导致自动关机的原因。根据初步说法，箭上计算机发现4台发动机中的一台存在问题，因此自动切断了燃料供应。我们从视频上可以看到，四台发动机的喷射都是比较正常的，也没有发生异常的振动。进一步的推测就让人不寒而栗了：和CST-100一样，SLS的软件系统有BUG。SLS作为新一代超级火箭，软件体系是非常庞大的，要想在里面“抓虫子”，工作量可想而知。
如果故障原因真的如此，人们不得不得到一个有点悲观的结论：这家曾经的航空航天超级巨头，似乎已经失去了同时驾驭多个大型项目的能力。
这次试验的失利，又一次沉重打击了NASA的“阿尔忒弥斯”计划。按照特朗普原本的想法，他会在2020年大选中获胜，然后执政到2024年，以载人重返月球的成功来结束自己的任期。为此，NASA制定了环环相扣的进度表，几乎没有留下任何时间余量，任何一次大型试验的失败都会导致2024年的节点不保。至少SLS在2021年底首飞的希望很渺茫了。
NASA作为一个科学机构，还是对人类有很大贡献的。多数人还是希望看到重返月球的设想能够变成现实，这在很大程度上取决于波音公司够不够给力。从近期浮现的波音公司管理问题来看，前路坎坷。
1月17日，由美国波音公司研制的“航天发射系统”（SLS）火箭芯一级在斯坦尼斯中心实施首次点火试验的过程中，仅仅燃烧了67秒就自动关机，没有达到预期的8分钟燃烧。这是SLS火箭研制过程中，第一次遭遇重大试验失败。
应该说，SLS火箭一级试验没有任何失败的理由。RS-25来自著名的航天飞机主发动机，自从1981年首次飞行以来，RS-25已经支撑了100多次飞行，每次都顺利完成任务。两次航天飞机事故都与RS-25没有关系。承担发动机制造的洛克达因公司也没有掉链子，如期拿出了足够数量的发动机。
SLS芯级与航天飞机的重大区别，是发动机从三台增加到四台，取消巨大的外置燃料箱和分离机构，把燃料箱置入火箭级段之内。应该说工程实现上要比航天飞机更加容易。而且SLS不考虑重复使用，又比航天飞机少了一个巨大的难点。当年的波音公司既然能与洛马联手建造航天飞机，对SLS这种传统火箭应该是没有太多重大关键技术要攻关的。
即使如此，波音公司也用了10年时间，才从合同走到了芯一级点火试验的这一天。在拥有成熟发动机的情况下，这真的不是个好成绩。
自从航天飞机投入使用的几十年来，航天界在发射系统的各种领域都有了更深刻的认识和长足进步，无论对结构分析、振动分析、流体力学分析，都有了更多的手段，包括各种传感器和超级计算机。电子技术的进步也让工程师们可以用更小、更轻、更可靠的器件来搭建火箭。波音公司还是不能顺利完成首次一级点火试验，实在有点说不过去。
如果说航空航天是一件充满风险的事情，失败和错误在所难免，波音公司这些年的“在所难免”也太多了一点。除了民航客机上的诸多问题尚未解决，除了已经进入成熟期的“德尔塔-4”火箭，几乎哪个宇航型号都不顺利。
波音公司在2019年末的CST-100载人飞船试验失败也是个非常不好的信号。波音一度提出，要自筹资金，在2020年内再实施一次CST-100的不载人飞行，为载人飞行做好准备。然而元旦已过，我们正在迈向2021年的春节，CST-100还是没有复飞。按照现在看到的计划，这次发射打算排到3月份。波音居然根据这样的时间表，决定2021年6月就实施CST-100的首次载人飞行！要知道，争分夺秒的马斯克都不敢给自己设定这样紧凑的时间表。他在2019年3月实施了“载人龙”飞船的第一次无人飞行，筹备了一年多之后才实施第一次载人飞行。而且马斯克的安全记录清单要比波音好看多了。几乎可以肯定，CST-100在2021年6月是无法做到载人飞行的。
NASA正在调查导致自动关机的原因。根据初步说法，箭上计算机发现4台发动机中的一台存在问题，因此自动切断了燃料供应。我们从视频上可以看到，四台发动机的喷射都是比较正常的，也没有发生异常的振动。进一步的推测就让人不寒而栗了：和CST-100一样，SLS的软件系统有BUG。SLS作为新一代超级火箭，软件体系是非常庞大的，要想在里面“抓虫子”，工作量可想而知。
如果故障原因真的如此，人们不得不得到一个有点悲观的结论：这家曾经的航空航天超级巨头，似乎已经失去了同时驾驭多个大型项目的能力。
这次试验的失利，又一次沉重打击了NASA的“阿尔忒弥斯”计划。按照特朗普原本的想法，他会在2020年大选中获胜，然后执政到2024年，以载人重返月球的成功来结束自己的任期。为此，NASA制定了环环相扣的进度表，几乎没有留下任何时间余量，任何一次大型试验的失败都会导致2024年的节点不保。至少SLS在2021年底首飞的希望很渺茫了。
NASA作为一个科学机构，还是对人类有很大贡献的。多数人还是希望看到重返月球的设想能够变成现实，这在很大程度上取决于波音公司够不够给力。从近期浮现的波音公司管理问题来看，前路坎坷。
平台没有内容审核能力又一例。“水蒸气”，在绝大多数情况下是肉眼不可见的。日常生活中被高呼“水蒸气”的，要么是一堆小水滴，比如常温下开水壶喷出来的；要么是一堆小冰晶，比如图一里这种。
一堆小冰晶往往要比一堆小水滴更白，解释起来既要用到晶体学也要用到光学。原因是水蒸气“凝华”形成的冰晶，冷冻的速度特别快，冰晶的方向杂乱无章，会把光线折射向各种方向，于是从哪个方向看都很白（也就是亮）。而水虽然折射率其实比冰更大，但是水滴往往尺寸比较大，于是不够杂乱。
为什么大冷天泼开水比泼常温水更容易出现这种“舞台效果”，这得深入了解热力学，要看得懂图二。
图二是水的“三相图”，三相，就是固相、液相和气相。一个物质是什么相，受温度和压力两个因素的影响。所以我们说，水在一个标准大气压下，在0℃会结冰，也就是从液相转换成固相。同样是一个标准大气压下，100℃会沸腾，也就是从液相转成气相。都知道上了高原，水烧开了也可能不够热，因为气压低。同样，在高压锅里，水就可以超过100℃不沸腾，从而更快烹饪食物。
图二里有个点，就是三个色块交汇的点，当温度在0.01℃，气压为0.61千帕时，水以固、液、气三相共存，也就是在这个温度压力下，水可以沸腾，同时水还可以是冰。很难理解是吧，毕竟不存在于日常体验中。
言归正传，为什么要泼开水。首先，你要有大量的水蒸气，在同样的气压下，温度越高，水越可能成为气体。从保温杯泼出去的那一刻，水的温度要足够高，让更多液相变成气相。泼出去的水迎面撞上低温，在一个大气压下，如果温度低于0℃，水蒸气就不会再凝结成液相，直接变成冰晶，这就是凝华。
如果水温不够高，泼出去更多是以液体形式存在的，尤其是泼，不是喷，液滴会相当大，啊，这又要讲流体力学了。如果温度不是极低，在水滴落地之前，可能都无法冻结，即便冻结，由于结晶速度相对较慢，也会是比较透明的冰块。而如果天气不够冷，即便泼热水，水蒸气和较小的液滴也不会变成小冰晶，所以也不会这么好看。
南方同学可能会有点羡慕，其实，在温暖的地方也可玩这个，泼一杯液氮就好了。记得戴上护目镜，也当心不要泼到别人身上。#微博公开课##泼水成冰#
一堆小冰晶往往要比一堆小水滴更白，解释起来既要用到晶体学也要用到光学。原因是水蒸气“凝华”形成的冰晶，冷冻的速度特别快，冰晶的方向杂乱无章，会把光线折射向各种方向，于是从哪个方向看都很白（也就是亮）。而水虽然折射率其实比冰更大，但是水滴往往尺寸比较大，于是不够杂乱。
为什么大冷天泼开水比泼常温水更容易出现这种“舞台效果”，这得深入了解热力学，要看得懂图二。
图二是水的“三相图”，三相，就是固相、液相和气相。一个物质是什么相，受温度和压力两个因素的影响。所以我们说，水在一个标准大气压下，在0℃会结冰，也就是从液相转换成固相。同样是一个标准大气压下，100℃会沸腾，也就是从液相转成气相。都知道上了高原，水烧开了也可能不够热，因为气压低。同样，在高压锅里，水就可以超过100℃不沸腾，从而更快烹饪食物。
图二里有个点，就是三个色块交汇的点，当温度在0.01℃，气压为0.61千帕时，水以固、液、气三相共存，也就是在这个温度压力下，水可以沸腾，同时水还可以是冰。很难理解是吧，毕竟不存在于日常体验中。
言归正传，为什么要泼开水。首先，你要有大量的水蒸气，在同样的气压下，温度越高，水越可能成为气体。从保温杯泼出去的那一刻，水的温度要足够高，让更多液相变成气相。泼出去的水迎面撞上低温，在一个大气压下，如果温度低于0℃，水蒸气就不会再凝结成液相，直接变成冰晶，这就是凝华。
如果水温不够高，泼出去更多是以液体形式存在的，尤其是泼，不是喷，液滴会相当大，啊，这又要讲流体力学了。如果温度不是极低，在水滴落地之前，可能都无法冻结，即便冻结，由于结晶速度相对较慢，也会是比较透明的冰块。而如果天气不够冷，即便泼热水，水蒸气和较小的液滴也不会变成小冰晶，所以也不会这么好看。
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