为什么涡轮风扇发动机是通过降低排气速度以产生更大推力？
首先，咱们得明白发动机推力的本质。简单来说，推力就是发动机向后喷射空气（或者燃气），根据牛顿第三定律——作用力与反作用力相等且方向相反——空气被往后推，发动机就往前冲。这个推力的大小，主要跟两个因素有关：空气的质量流量（单位时间内发动机吸入和排出的空气有多少）和空气被加速的速度差（吸入的空气和排出的空气的速度有多大的区别）。
打个比方，你扔东西。扔一个很轻的羽毛，即使你使了很大的劲儿把它扔出去，它也不会飞多远。但你要是扔一块大石头，即使你用的劲儿差不多，石头因为质量大，反作用力也更大，你能感觉到它把你往后推得更厉害。这就是质量流量的作用。
然后说速度差。你要是轻轻地把一个球推出去，它飞得不快，对你的反作用力也很小。但你要是使出浑身力气把球狠狠地砸出去，球飞得贼快，你会感觉到你的手被往后震了一下，这就是速度差带来的反作用力。
涡轮风扇发动机之所以叫“涡轮风扇”，就是因为它有两部分：涡轮和风扇。涡轮就像发动机的心脏，它由燃料燃烧产生的极高温高压燃气驱动，然后通过一根轴带动后面的风扇高速旋转。这个风扇就像一个巨大的螺旋桨，它吸入大量的空气，然后把它加速，向后排出。
这里就有个关键点：涡轮风扇发动机的推力，绝大部分（往往是80%以上）都来自于那个风扇排出的那股“冷空气”，而不是涡轮里出来的“热燃气”。这个风扇吸入的空气量非常大，是核心涡轮产生热空气的好几倍，甚至几十倍。
现在咱们再回到降低排气速度产生更大推力这个话题。这事儿得看在什么情境下。
为什么有时候我们追求的是高排气速度？
在很多早期或者一些特殊的发动机设计里，比如涡轮喷气发动机（就是纯靠涡轮排出的热燃气产生推力的那种），它的核心任务就是把燃气压缩、燃烧，然后以尽可能高的速度排出，来产生最大的推力。这时候，燃气的温度和压力越高，排气速度就越快，推力也就越大。你可以想象，就像点燃一串鞭炮，窜出来的火花越猛越快，产生的声响和冲击力也就越大。
但涡轮风扇发动机是怎么玩出花样的？
涡轮风扇发动机的厉害之处在于，它有两个气流通道：
1. 核心气流通道 (Core Stream)： 这是在发动机的中心，经过压缩、燃烧、涡轮膨胀的那部分。这部分气流速度非常快，温度也非常高，能量很足。
2. 涵道气流通道 (Bypass Stream)： 这是风扇吸入并被加速的那部分“冷空气”。这部分空气绕过了核心部分，直接被风扇推出去。
对于涡轮风扇发动机来说，要产生更大的推力，关键在于增加总的质量流量，并且让被加速的空气总量产生足够的动量变化。
你可以这么理解：
总推力 = （涵道气流的质量流量 × 涵道气流的速度）+ （核心气流的质量流量 × 核心气流的速度）
虽然核心气流速度很高，但它的质量流量相对较小。而涵道气流的速度虽然不如核心气流那么快，但它的质量流量却大得多。
发动机工程师们在设计时，会有一个叫做“涵道比”的概念。涵道比就是涵道气流的质量流量与核心气流的质量流量之比。涵道比越高的发动机，就意味着风扇吸入和排出的“冷空气”越多。
那为什么降低排气速度能增加推力呢？这里有几个更深层次的原因：
1. 提高效率，延长加力时间：
风扇的主要作用是加速大量的空气。它通过叶片的旋转，把空气“扇”出去。风扇叶片的形状、角度以及转速，决定了它能把多少空气扇出去，以及扇出去的速度有多快。
如果风扇把空气扇得太快，虽然单股空气的动量变化很大，但它可能吸入的空气总量受到限制。而且，过于高的排气速度意味着能量在排出时可能没有被充分利用。
工程师们发现，在特定的速度范围内，风扇加速空气的效率最高。在这个效率区间工作，同样消耗的能量能产生更大的推力。这就像你跑步，不是越快越好，而是在一个最适合你的配速下，你能跑得最远、最久。
而且，在很多情况下，飞机的总推力并不是由发动机瞬时能产生的最大速度决定的，而是由发动机在特定飞行状态下能够持续提供的推力决定的。一个高效的、速度控制得当的发动机，可以在更长的时间内保持稳定的推力输出，这对于起飞、爬升等关键阶段至关重要。
2. 优化推力与燃料消耗的关系：
涡轮风扇发动机设计的一个重要目标是提高燃油效率。这意味着在产生足够推力的同时，尽量少地消耗燃油。
将大部分空气通过风扇加速到相对较低的速度，比将少量空气加速到极高的速度，通常来说燃油效率更高。
想象一下，你有一个风扇，你希望它吹出更大的风量。你可以让它转得飞快，产生很强的风，但可能很耗电。另一种方式是，你让它转得稍微慢一点，但扇叶更大，一次能扇动更多的空气。后者往往更省电，产生的总体“风力”也可能更大，更持久。
涡扇发动机通过增大涵道比，就是让更多的空气绕过核心发动机，仅仅被风扇加速。即使这部分冷空气的排出速度不高，但由于其巨大的质量流量，它们组合起来产生的推力是相当可观的，而且这个过程的燃油效率远高于核心发动机的超高速排气。
3. 降低噪声：
排气速度是产生飞机噪音的主要因素之一。排气速度越高，速度越快、越混乱的空气相互作用，产生的噪音也就越大。
涡扇发动机通过降低涵道气流的排气速度，显著降低了飞机的整体噪音水平。这对于现代客机的运营非常重要。
4. 更适合亚音速和跨音速飞行：
绝大多数民航客机都在亚音速（低于音速）或跨音速（接近音速）飞行。在这个速度区间，用风扇加速大量的空气到接近音速的速度，比把少量核心气流加速到超音速（远高于音速）要来得高效得多。
如果核心气流速度太高，会产生很多激波，效率会急剧下降，而且对发动机结构也是极大的考验。风扇产生的相对较低的速度，更容易与周围的空气混合，整体效率更高。
所以，总结一下，为什么涡轮风扇发动机有时候会通过“降低”排气速度（主要是涵道气流的速度）来产生更大的推力？
这并不是说它真的把速度“降到很低”，而是说在优化设计时，工程师们会找到一个最佳平衡点：
增大风扇的尺寸和吸入空气的质量流量，让更多的空气被加速。
调整风扇叶片的设计，使其在加速大量空气的同时，保持一个相对高效的速度区间。
提高涵道比，将大部分推力“分配”给涵道气流，利用其巨大的质量流量来累积推力。
核心气流依然保持较高的速度，但其贡献的推力占比相对较小。
这种设计哲学就是：与其让少量的燃气以“火箭般”的速度喷出去，不如让大量的空气以“强劲的洪流”般的速度涌出去。 后者在整体上，尤其是在燃油经济性和噪音控制方面，表现更出色，而且在亚音速区域产生的总推力也更大。
所以，这并不是“降低排气速度”本身就能产生更大推力，而是通过优化空气动力学设计，增大质量流量，并控制排出速度在高效区间，从而实现更大的总推力，并且兼顾效率和噪音。这是一种更聪明的能量转化方式，也是涡轮风扇发动机成为现代航空主流的根本原因。
网友意见
实用的喷气式发动机主要可分为四类，涡喷、涡扇、涡桨、涡轴；前三者效率依次递增，涡轴发动机不直接提供推力，主用于直升机。这里主要讨论前三种发动机效率高低，可以用牛顿定律和能量守恒定律做一个简单的分析。
飞机飞行中消耗的能量可分为有效能量和无效能量，有效能量即实际消耗在克服空气阻力做功，使飞机能够保持一定速度持续飞行所消耗的能量，无效能量即对飞机飞行没有直接帮助而消散的能量。
对有效能量做一个简化，认为飞机不论安装涡喷、涡扇或是涡桨发动机，其在相同速度下空气阻力相同，故稳定飞行获得的推力相同，而消耗的有效能量也就相同，故讨论他们的效率高低，只要对比在提供相同大小的推力下，消耗的无效能量的大小即可。
PS：实际三种发动机的阻力并不相同，在最后会做额外分析。
我们知道，喷气式发动机提供动力的来源是对空气做功，使其加速向后喷出从而获得反推力，根据冲量公式 F×t=m×V可知，决定发动机推力大小的主要因素，是单位时间内喷出气体的质量和速度乘积，显然，要想达到一定的推力，既可以提高喷射出的气体速度，也可以增加喷射出气体的质量，但其乘积不能变化。
发动机消耗的无效能量，一小部分消耗在加热发动机本体并不断加热周围空气，基本可忽略；而绝大部分被喷射出的气体带走，喷射走的气体带走的能量又可分为两个部分，一个是气体本身被加热而带走的内能，E=C×d×（T2-T1），或者简化为E=d×m×ΔT，其中d为质量温度系数，另一个部分是气体喷射带走的动能，E=1/2 × m × V×V。
此外还有一小部分是燃料燃烧不够充分而丢失的化学能，不过这一点在现代喷气式发动机中基本无需考虑，进一步提高燃烧效率属于高投入接近无回报的研究了。
PS：为何喷射走的气体带走的热能要计算，发动机加热周边空气消耗的热能无需计算，不必多做解释吧
显然，减少无效能量可以从三个方向入手：1、降低排气温度，2、减少排气质量，3降低排气速度。
其中与排气质量、速度相关能量计算可变形为E=1/2 ×（m × V）× V，可以看出，在保持同等推力的情况下，不可能通过减少排气质量的方法减少无效能量。
结论：提高喷气发动机的效率归根结底只有两条出路：1、降低排气速度，2、降低排气温度
进一步思考，如何实现这两点？一个最简单的方法，就是在将燃烧室出来的高温气体，混入大量的冷空气，再喷出，就可以同时达到两个目的，同时由于增加排气质量，虽然降低了排气速度，依然可以保持推力不下降，甚至通过良好的设计，还可以增大推力。
所以，喷气式发动机发展的历程就出来了：
1、最早的版本，就是现代的涡喷发动机的雏形，“简单”的将空气吸入，混油，燃烧，加速排出。
2、为了提高推力，就要增加排气速度，空气吸入后先通过压气机增压，再使用更好的燃料在燃烧室燃烧获得更高的温度，更热的排气，也就有了更高的排气速度。
3、燃烧室温度不能无限上升，材料吃不住，就从压气机额外引出温度稍高的气体冷却燃烧室，结果发现不但温度下去了，在不提高排气速度的情况下推力还增加了。
4、进一步加大冷空气的比例，最后索性单独装个大风扇专门向后吹冷空气作为排气，效率更好（涡扇发动机出现了）。
5、随着涵道比提高（不经过燃烧室的冷空气提供的推力和燃烧后的高温气体提供的推力之比），进气道太大了，干脆就把原来包裹在进气道内的大风扇拿出来，变成了螺旋桨。（涡桨发动机出现了）。
所以喷气式发动机的效率从涡喷、涡扇、涡轴越来越高，排气速度和排气温度越来越低，排气质量越来越高。
但是，为什么不抛弃涡喷发动机呢？
涡扇发动机的一大标志就是那个大风扇，我们知道在相同转速的情况下，半径越大，叶尖的线速度就越大，而当叶尖线速度接近音速时，叶尖阻力会剧增，同时还会带来严重的激波颤动，具体的空气动力学这里不多分析，但是一般来说叶尖线速度不能超过音速太多，还必须使用特殊材料制作，而象涡桨发动机，螺旋桨叶片更长，而考虑成本使用的材料比涡扇的风扇要差，至多也就是持平，使用速度更受限制。
风扇和螺旋桨都是由燃烧室出来的高温燃气冲击涡轮带动的，转速受限--->排气温度受限--->排气速度受限--->推力受限--->飞机最大速度受限。
因此，涡桨发动机只能运行在亚音速，一般不会超过0.6马赫，涡扇发动机只能运行在高亚音速，一般不超过0.85马赫，低涵道比的可以用在跨音速，但在超过1.2马赫以上的超音速领域，就只能用涡喷了，到了3马赫以上，冲压发动机就开始取代涡喷了。
PS：以上划分针对民用发动机，在新一代军用发动机上，也开始使用小涵道比涡扇发动机，由于军机有较长的特殊设计的进气道，和使用更高成本的材料制作叶片，其涡扇发动机使用的速度领域会更广。
除此之外，前文说过，我们认为同一架飞机在安装不同发动机时阻力相同，这实际上是理想化了，同样推力的发动机，涡扇的迎风面积比涡喷大得多，最新一代的民用涡扇发动机Leap直径就已经达到军用同推力涡喷的三倍了，因此飞机选择何种发动机需要综合考虑。
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