研究者：中国人民大学附属中学赵梦佳
【摘要】 “伯努利吹排式油烟机”是一项主要为减少污染、保护环境、节约能源、方便使用而设计的厨房油烟机的新技术方案。
这项技术方案的设计目标是解决目前通用的厨房油烟机的问题。目前通用的油烟机都是“吸排式”的，即灶台区的油烟直接穿过风扇，使风扇沾附了大量油垢。油垢不仅影响风机的使用效率和能耗，清洗油垢还要使用大量化学溶剂和强力清洗剂，造成严重的环境污染。
这项新的设计方案使风扇和电机完全不与油烟接触，风扇和电机不会沾附油垢。这样不仅减少了油烟机的清洗量，减少了清洗造成的污染，还保证了油烟机的效率，节约了能源。
“伯努利吹排式油烟机”于2013年7月获得了中国专利局授予的“实用新型”专利权。
【关键词】 家用油烟机；伯努利原理；吹排式；保护环境
以往厨房的油烟机大多是“吸排式”的，它有严重的缺点，就是灶区的油烟直接穿过风扇，使风扇沾附了厚厚的油垢。油垢不但会降低油烟机的效率，还增加了能耗，所以不得不经常请人来清洗。清洗油烟机的工人把油烟机外壳拆开后，可看到油烟腔内到处是油垢，特别是风扇和电机的外壳上油垢更厚。工人师傅要用许多化学溶剂和强力清洗剂，费很大工夫才能把油烟机清洗干净。然后，他们把用过的、含有化学溶剂和清洗剂的脏水随手泼在地上。
这次经历引起了我的思考：油烟机存在这么严重的缺点，造成这么严重的污染，应该设法改进。这就是我设计新型油烟机的出发点。
一、工程目标
我设计新型油烟机的工程目标就是克服目前通用的油烟机的缺点，设法减少风扇和电机上沾附的油垢，以达到减少清洗量，保护环境，节约能源和方便使用的目的。
二、方案原理
要想达到工程目标的要求，最好的办法是不让风扇和电机接触油烟。因此，就不能沿用目前通用的油烟机采用的“吸排式”办法，必须另辟蹊径。
“伯努利吹排式油烟机”采用了全新的理念——根据伯努利原理进行设计。伯努利原理是瑞士数学家、物理学家丹尼尔·伯努利在1726年首先提出的。伯努利原理的主要内容是：在水流或气流里，如果速度慢，压强就大；如果速度快，压强就小。这个原理已经得到了广泛的应用。例如：
飞机的机翼就是根据伯努利原理设计的。机翼的翼型使机翼上方的气流速度快、压强小；机翼下方的气流速度慢、压强大，这个压强差就产生了升力。
喷雾器和汽车内燃机的化油器也是根据伯努利原理设计的。它是利用高速气流形成的负压区的空吸作用，把低处的液体吸上来的。
足球运动员踢出的旋转球，是由于伯努利原理的作用才形成“香蕉球”的。
乒乓球运动员拉出的弧圈球，也是由于伯努利原理的作用才使乒乓球改变飞行轨迹的。
“伯努利吹排式油烟机”的工作原理也是伯努利原理——利用吹入油烟腔的高速气流形成的负压区的空吸作用把油烟吸上来，随之吹入排烟道，排出室外。
三、技术设计
我的技术设计是受到伯努利原理的一个小实验的启发开始的。这个小实验是这样的（见图1、图2）：用一台小电风扇把一张纸的边沿压在桌边，开启风扇后，桌沿外下垂的纸会慢慢升起来——高速气流产生的空吸作用把下垂的纸吸上来了。
高速气流为什么能把纸张吸上来呢？经过查询有关伯努利原理的资料才知道：高速气流形成的负压区产生了空吸作用，是空吸作用把纸张吸起来的。这个实验让我想到，把这种物理现象运用到油烟机的设计上，就能利用高速气流的空吸作用把油烟吸上来，然后吹入排烟道。于是，在老师和家长的帮助下我开始摸索设计。
（一）第一方案样机
我的第一台油烟机样机，是按照我家油烟机的尺寸缩小一半，制作了一个油烟机的外壳。外壳的侧壁开孔，装上风扇。外壳的底面开了许多小孔，作为吸入油烟的通路（见图3）。
做好样机后就进行实验。我把油烟机架起来一定高度，下面点燃一段能冒烟的艾条，然后开启风扇。气流越来越强，可是艾条的烟雾还是四处飘散，并没有被吸入油烟机，实验多次都不成功。
图1 伯努利原理小实验装置
图2 伯努利原理小实验进行中：空吸作用使纸张升起
第一方案的设计失败了。
（二）第二方案样机
第一方案的设计为什么失败呢？很可能是因为吸入油烟的孔洞太小，使得空吸作用的吸气不畅。根据这种分析，把吸入油烟的孔洞开成1厘米宽的长方形孔，制成第二方案样机（见图4）。
改好样机后再进行实验，结果还是不见起色。
图3 第一方案样机
图4 第二方案样机
（三）第三方案样机
第二设计方案失败的原因又是什么呢？是不是电机的风量不够，气流的速度不够高呢？这只有通过实验才能找到答案。于是我又设计了第三种样机，把风扇由一台增加为两台，看看提高气流速度的效果如何（见图5）。
改好样机后又进行实验，实验多次，还是不行。
（四）第四方案样机
我有些困惑了：设计原理是完全正确的，为什么效果却达不到工程目标的要求呢？
这时我奶奶提示说：是不是横向的吸气孔对气流产生了阻力，影响了气流的速度呢？
图5 第三方案样机
这个问题启发了我——为什么不改成竖向的吸气孔试试呢？ 于是，按照这个思路设计了第四种样机（见图6）。
图6 第四方案样机
实验中能把一些油烟吸入油烟腔了，这次修改设计让我看到了成功的曙光。虽然效果还不是很好，但是这种设计方向是有希望的。
这个现象让我想到伯努利原理的小实验，在气流不受任何阻力的情况下其空吸作用是很强的。接下来应该沿着减小气流阻力的方向进行设计。
（五）第五方案样机
在家长和老师的帮助下我又进行了多次修改、实验，终于研制成了第五方案的样机”（见图7、图8和图9）
图7 第五方案样机
图8 第五方案样机的模拟演示装置
第五方案机样机运行实验：接通电源，微调电位器调整电压，使气流达到适当的速度，能吸取灶台区的部分油烟，随即吹入排烟道。但仍还有少量油烟散失，效果还不够理想。
（六）第六方案样机
仔细观察第五方案样机吸起纸张的实验，发现有时吸起的纸张的左前角总在向下抖动，这表明气流不是平稳地向前吹，而是有一小股向左前角下方吹的气流。
图9 第五方案样机启动风扇后模拟油烟的纸张被吸起
这是为什么呢？我和老师、家长反复进行分析，并设计了“绸布条实验”进行探索（见图10）。
图10 轴流风机吹出的气流使绸布条扭转抖动
我们把一个绸布条置于风扇的气流中进行观察，发现绸布条不仅有沿着风机轴向的飘动，还有横向的扭转抖动。这说明轴流风机吹出的气流并不平稳，不仅有向前的气流，还有一些旋转的气流。正是这个旋转的气流使得纸张的左前角向下抖动。
原因找到了，解决的办法是寻找能产生平稳气流的风机。
哪种风机能产生平稳气流呢？我们用“绸条实验法”寻找。我先后实验了电风扇、吹风机、空调室内机，最后发现空调室内机吹出的气流是平稳的。空调室内机里面装的是哪种风机呢？反复查询后，确定为是横流风机。我们从网上买来横流风机进行实验，果然能产生平稳气流（见图11）。
图11 横流风机能吹出平稳气流
我把直流12V、电流0.35A的横流风机装在油烟机上，制成了第六方案样机（见图12）。
图12 第六方案样机
我在第六方案样机上进行了多次实验，这些实验让我喜出望外——终于成功了！无论吸纸张还是吸油烟，都达到了工程目标的要求（见图13）。
图13 第六方案样机把模拟油烟的纸张吸起来
图14 伯努利吹排式油烟机结构图
四、创新点
“伯努利吹排式油烟机”的创新点主要有三项：
（1）设计原理首次运用了伯努利原理，首创了“吹排式”油烟机技术方案。即利用高速气流产生的负压的空吸作用把灶台区的油烟吸入油烟腔，随即被高速气流吹入排烟道，排出室外；
（2）首次在设计中把风扇和电机装在油烟腔外面，使风扇、电机完全不与油烟接触。使风扇、电机上没有油垢沾附，做到了完全免清洗，从而减少了污染；
（3）首次在油烟机中采用横流风机，气流稳，风量大，噪音小，能耗低。
2013年1月9日，我向中国知识产权局专利局为伯努利吹排式油烟机申请了实用新型专利。2013年7月24日，我的申请获得授权——伯努利吹排式油烟机获得实用新型专利权。（见附件：伯努利吹排式油烟机实用新型专利证书）
五、结论与收获
“世上无难事，只怕有心人”。在研制新型油烟机的过程中，我遇到许许多多的困难。但是我坚信科学的力量，咬定科学原理不放松，抓住改进和实验不放松，终于成就了自己的研制课题，基本达到了工程目标的要求，也算是为保护环境做了一点贡献。
“伯努利吹排油烟机”的研制历时一年多，实践中取得了不少收获：
（1）对于伯努利原理及其应用有了一些了解；
（2）初步学会了加工有机玻璃的一些方法；
（3）对各种风机的性能和用途有了进一步的了解；
（4）实践中增强了环境保护意识，也提升了自己的实践能力；
（5）对于科学原理、科学方法与技术发明的关系有了一些亲身体验。
六、改进设想
任何技术设计都不可能“毕其功于一役”，都是在不断的创新与改进中逐步完善的，我的小发明也如此。我的研制成果还是初步的，还只是伯努利原理应用于油烟机设计的一个雏形，还有许多改进的余地。我的改进设想是：
（1）为油烟腔内壁配置一种可以方便贴敷和揭下的薄膜，方便随时替换，让油烟腔也可以免清洗。使“伯努利吹排式油烟机”成为彻底免清洗的油烟机；
（2）继续摸索改进油烟机的设计，特别是改进风扇的进气区与灶台的油烟区隔离的方法，让这种油烟机使用更方便。
[1]（美）小富兰克林·米勒等.物理学概念[M].北京：文化教育出版社，1982.
[2]数理化自学丛书编委会数学编写小组.物理[M].上海：上海科学技术出版社，1966.
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