陳家明 辛軍哲 鄭才翥 趙秀錢

（1.廣州大學；2.廣東瑞泰通風降溫設(shè)備有限公司；3.東莞市億昌制冷科技有限公司）

0 引言

空調(diào)能耗是建筑能耗的主要組成部分[1]，減小空調(diào)能耗一直是該專業(yè)科技工作者和工程技術(shù)人員努力的一個重要方向。為了減少空調(diào)能耗，在一定范圍的溫度環(huán)境下，采用吊扇代替空調(diào)，能夠達到同樣的舒適效果，甚至在較熱的環(huán)境下，使用吊扇結(jié)合空調(diào)系統(tǒng)，通過吊扇的作用，來盡量減少空調(diào)系統(tǒng)的運行負荷[2-3]。吊扇以其占用空間小、造型美觀、作用范圍大等優(yōu)點得到廣泛的應(yīng)用。

但現(xiàn)有的吊扇大多轉(zhuǎn)速較高、安全性較差，尤其是風速分布極不均勻，直接處于風扇下方風速很大，而略微遠離風扇直徑以外風速會迅速下降，甚至感受不到風。HVLS風扇是一種大直徑、低轉(zhuǎn)速、大風量的吊裝風扇。與傳統(tǒng)的吊扇相比，該風扇不但轉(zhuǎn)速更低、噪聲更小、更加安全可靠，更重要的是其作用范圍大大增加，且風速更加均勻，極大地解決了高大空間的空氣循環(huán)和“氣流冷卻”效果。HVLS除了使用在畜牧業(yè)谷倉、工業(yè)廠房、飛機場（飛機庫）、設(shè)備制造間等工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，還越來越多的使用在一些公共環(huán)境，如：餐館酒吧、體育中心、教學大樓、服務(wù)中心和大型商場等[4-5]。

HVLS風扇出現(xiàn)的歷史并不長，1998年為了給奶牛降溫減少熱應(yīng)激，增加產(chǎn)奶量，WaIter Boyd發(fā)明了HVLS風扇，設(shè)計制造了一直徑達7.3m，轉(zhuǎn)速為50r/min的吊扇，形成第一代HVLS風扇[4，6-9]。而在我國，HVLS風扇出現(xiàn)的時間大約在21世紀00年代后期，對HVLS的認識、使用和研究目前僅僅處于起步階段，對于HVLS風扇的設(shè)計理論和方法均處于探索過程。我國的HVLS風扇設(shè)計水平不高，各單位風扇的性能參差不齊，未能使HVLS風扇性能達到最優(yōu)化。本文將從HVLS風扇的技術(shù)特點入手，分析HVLS風扇的技術(shù)發(fā)展狀況，并試圖對HVLS風扇未來的發(fā)展提出個人見解，進一步提高HVLS風扇的性能，為HVLS風扇進行優(yōu)化設(shè)計和使用標準的制定提供參考。

1 舒適性作用范圍及HVLS的技術(shù)特點

HVLS是High Volume Low Speed即大體積低速度英文單詞首字母的縮寫。其代表著這類風扇的設(shè)計理念就是要求這種風扇在作用范圍內(nèi)所產(chǎn)生的氣流速度要小，但作用范圍要大。

風速可以增強人體的散熱，使其在炎熱的夏天覺得涼爽。按照文獻[10]的描述，風速從0.15m/s提升到3m/s時，標準有效溫度SET可以從23.8℃降低到18.8℃，相當于有5℃的溫降。而有美國公司研究表明[11]，在夏季，恒溫器的設(shè)定溫度高于25℃時，每升高1℃，就能節(jié)省9%～12%的冷卻能源。將流過人體的風速盡可能的加大，以最大限度地達到節(jié)能的效果。但過高的風速會使人受到風壓的壓迫感[12-13]、眼睛干澀[14-15]和吹冷風感[15]，同時還會將頭發(fā)、紙張和衣裙等輕薄物品吹起[11,15]，這些都會使人感到不適或不便。按照文獻[10]的規(guī)定，在空調(diào)環(huán)境下，要達到人體的熱舒適性要求，流過人體氣流的平均速度應(yīng)不超過0.8m/s。在通風環(huán)境下，人體所接受的風速與工作環(huán)境有很大關(guān)系，一般場合下，平均風速不會超過1.6m/s。如果以PMV相差0.5作為人體對環(huán)境不同位置均勻度的要求，假設(shè)環(huán)境溫度相同時，可計算得出環(huán)境不同位置的風速。對空調(diào)環(huán)境大致應(yīng)控制在0.3～0.8m/s范圍內(nèi)，對通風環(huán)境應(yīng)控制在0.55～1.6m/s范圍內(nèi)，我們把平均風速處于這個范圍的區(qū)域稱作風扇的有效作用范圍。但對傳統(tǒng)的高轉(zhuǎn)速小直徑吊扇而言，限制了最高風速，同時就意味著將風扇的有效作用范圍大大縮小。圖1為一典型吊扇與HVLS風扇的站姿平均風速分布圖（按照ASHRAE 55-2017中規(guī)定，將0.1m、1.1m和1.7m三個高度風速的平均值稱為站姿平均風速值），其中橫坐標為測點距中心距離與風扇半徑的無量綱數(shù)。從圖中可以看出，該直徑為1.5m的吊扇[16]在高速檔的202r/min轉(zhuǎn)速下運行，其最大站姿平均速度為2.1m/s左右，遠遠超過空調(diào)和通風環(huán)境下可接受的最高速度。當其在低速檔的121r/min轉(zhuǎn)速下工作時，按照上述吊扇有效作用范圍的標準，在通風環(huán)境下，該典型吊扇的有效作用范圍直徑約為風扇直徑的3倍，且其最大速度所在的位置約為0.5R。從圖中可以看出，直徑為7.3m的HVLS風扇在轉(zhuǎn)速為23r/min下運行時，同樣按照上述吊扇有效作用范圍的標準，該風扇在通風環(huán)境的有效作用范圍直徑約為風扇直徑的5倍，其最大速度所在的位置約為1.2R，覆蓋面積明顯大于普通吊扇，且風速能夠保證在人體可接受范圍內(nèi)，這就是HVLS風扇的最大優(yōu)勢所在。

圖1 直徑為1.5m的典型吊扇與直徑為7.3m的HVLS風扇的站姿平均風速分布Fig.1 The average wind speed distribution of standing posture of atypicalceiling fan with 1.5mdiameter and an HVLS fan with 7.3mdiameter

為了進一步研究HVLS風扇與高速風機性能的比較，Zhiqiang(John)Zhai等人對HVLS風扇和小直徑高轉(zhuǎn)速風扇流場進行數(shù)值模擬研究[17]。研究兩種風扇對于房間的消除溫度分層效果，結(jié)果表明小直徑高轉(zhuǎn)速風扇僅對風扇正下方的小范圍起作用，而HVLS風扇無論是在額定轉(zhuǎn)速還是額定轉(zhuǎn)速的一半運行時，作用范圍都明顯更廣，且對消除整個空間的溫度分層作用更大，使房間溫度分布更加均勻，如圖2。而Bitopan Das等學者在文獻[18]中對高速風扇（500r/min）和HVLS風扇（90r/min）作對比，也能得出相似的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)HVLS風扇在覆蓋范圍與均勻性具有更優(yōu)的效果，模擬結(jié)果如圖3。

圖2 模擬流場情況Fig.2 Flow field simulation

圖3 HVLS風扇和高速風扇在距地1m高的風速輪廓圖Fig.3 The air speed profile of HVLS fan&high-speed fan at1m above the ground

為了達到風速小而作用范圍大的效果，HVLS風扇在結(jié)構(gòu)上的重要特點就是大直徑和低轉(zhuǎn)速。但目前市場上對于HVLS風扇仍沒有嚴格地定義，大多數(shù)廠家將HVLS風扇直徑設(shè)置在2.1～7.3m，轉(zhuǎn)速一般在25～125r/min，轉(zhuǎn)速比一般吊扇低。而功率范圍在0.1～1.5kW?，F(xiàn)有非等效采用IEC60879：1986《環(huán)流電扇及其調(diào)速器的結(jié)構(gòu)和性能》的國家標準GB/T 13380-2018《交流電風扇和調(diào)速器》[19]，其雖然沒有明確規(guī)定吊扇的最大直徑，但其規(guī)格上限設(shè)定為直徑1800mm。為了將HVLS風扇與傳統(tǒng)吊扇區(qū)分開來，2020年，由中國機械工業(yè)聯(lián)合會牽頭組織制定了行業(yè)標準JB/T 13889-2020[20]，并將該風扇名稱統(tǒng)一為“工業(yè)吊扇”，指直徑大于1.8m的吊扇，為該風扇的市場和技術(shù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

雖然HVLS與傳統(tǒng)吊扇相比，主要體現(xiàn)在大直徑和低轉(zhuǎn)速兩個基本特征。但如何能在低轉(zhuǎn)速情況下產(chǎn)生比較大的風速和風量，噪聲又小，并保持較高效率，并不是將傳統(tǒng)吊扇直接加大直徑、降低轉(zhuǎn)速這樣簡單容易，需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，打破原有傳統(tǒng)吊扇的技術(shù)思維，在許多方面尋求新的突破。

2 HVLS風扇扇葉形狀及氣動特征參數(shù)研究進展

2.1 扇葉斷面形狀

傳統(tǒng)吊扇從加工成本角度考慮，大多數(shù)葉片截面是平的或是彎曲的，而截面平直的葉片容易在吊扇運行時產(chǎn)生失速現(xiàn)象，使輸入功率的很大一部分在湍流中耗散掉；而彎曲截面的葉片相對平直的葉片來說，可以適當減少壓力阻力，增加升力[11]。與傳統(tǒng)吊扇葉片比較，HVLS風扇大多會設(shè)計成翼型扇葉，其具有更好的空氣動力性能，能夠產(chǎn)生更大的推力，推動更大體積的空氣，并且速度分布均勻。T.M.I.Mahlia等學者通過實驗和模擬對Gilbert Morris-15（GM15）翼型扇葉（如圖4）和傳統(tǒng)平直型扇葉的性能進行了評估[21]。在實驗測試中，采用鋁板預(yù)制翼型扇葉和平直型扇葉，測量扇葉下方1.2m的位置，測量得出該平面風扇所產(chǎn)生風量。并定義風扇的性能系數(shù)為風量與輸入功率之比，通過性能系數(shù)COP來評估吊扇性能。結(jié)果顯示，由實驗測量得出（如表1和2）：GM15翼型葉片的COP為2.85（m3/min/W），而普通吊扇葉片的COP值為2.74；數(shù)值模擬得出GM15翼型葉片的COP值為3.4,常規(guī)吊扇葉片的COP值為2.43。研究發(fā)現(xiàn)無論在實驗測試還是數(shù)值模擬中，在輸入功率相同時，翼型葉片產(chǎn)生的風量更多，從而判斷GM15翼型葉片比傳統(tǒng)葉片表現(xiàn)出更好的性能。

表1 GM 15翼型風扇的平均COPTab.1 The average COP of fan with GM 15 airfoilblade

圖4 Gilbert Morris-15（GM15）截面翼型圖Fig.4 Airfoilsection of Gilbert Morris-15（GM 15）

表2 傳統(tǒng)風扇的平均COPTab.2 The average COP of conventional fan

但即使是翼型截面，也有不同的截面幾何參數(shù)。截面幾何參數(shù)不同，其性能也就不同。Mohammad Moshfeghi等學者對三種不同翼型進行數(shù)值模擬，分析不同翼型吊扇流場[22]。該三種翼型為NACA5414、6413和7415（如圖5）。通過CFD模擬直徑為6m的吊扇在24×24×18（m）的房間流場。結(jié)果顯示如表3、表4，翼型扇葉所受的升力大小和吊扇產(chǎn)生扭矩、HVLS風扇所生成風量成正比。在三種翼型中，NACA7415翼型的HVLS風扇所產(chǎn)生的升力最大，所需扭矩也最大，而且吊扇體積流量最大，并在0.1、1.1、1.7m高度的平均流速均最高。所以對于不同的翼型，盡管在相同的沖角情況下，也會產(chǎn)生不同的能效。Widad Yossria等學者采用CFD研究翼型尺寸對于渦輪機氣動性能的影響[23]。文中模擬了NACA0012、NACA0015、NACA4412和NACA4415四種翼型扇葉的性能，通過計算升力系數(shù)、阻力系數(shù)和升阻比來判斷出NACA4412翼型扇葉性能最好，但計算得NACA4412的耗功也最大。并且研究了NACA4412翼型不同扇葉長度的影響，得知隨著葉片長度的增加，扇葉的應(yīng)力量級也增大了。

圖5 文獻[22]研究的翼型截面圖Fig.5 Airfoilsecti on studied in reference[22]

表3 不同翼型的HVLS風扇性能比較Tab.3 The performance comparison of HVLS fans with differentairfoils

表4 不同HVLS風扇在不同高度的風速Tab.4 The wind speed ofdifferent HVLS fans at differen the ights

為了得到更好的吊扇性能，產(chǎn)生更大的空氣流量和覆蓋面積，翼型扇葉形狀不斷地得到了改變。在2005年，Aynsley RM利用兩個橢圓相交線作為翼型上下面設(shè)計出一種翼型扇葉[24]。張佳偉對翼型厚度影響翼型氣動性能進行研究[25]，結(jié)果表明在小攻角時，在較小厚度的翼型時，升阻比較大；而在較大的攻角時，增大翼型厚度可以改善翼型流動特性。

2.2 扇葉傾斜角和沖角等角度的研究進展

扇葉葉片傾斜角是指葉片翼展方向與垂直于旋轉(zhuǎn)軸的平面之間的夾角，與主氣流方向相同的傾斜角為負傾斜角，與主氣流方向相反的傾斜角為正傾斜角。扇葉傾斜角對葉片的性能影響很大，在負傾斜角時會產(chǎn)生具有明顯渦流的狹窄射流，能夠使風速達到更大范圍；而正傾斜角的風量較大，風速較為均勻[26]。Muhammad Aaqib Afaq等學者[27]在實驗室對風扇的測量實驗并通過數(shù)值模擬了在0°～10°范圍內(nèi)的八個扇葉傾斜角的吊扇流場。結(jié)果顯示如圖6，6°與10°扇葉傾斜角均具有較高的能效，即在相同扭矩下產(chǎn)生的空氣流量較大。10°傾斜角的扇葉具有較小的扭矩，但是其產(chǎn)生的風量也相對較少，而6°傾斜角能在扭矩一定的情況下產(chǎn)生最大的風量，具有最大的能效值。

圖6 文獻[27]中對于不同葉片傾斜角的吊扇的體積流量、扭矩和能效值的對比情況Fig.6 Comparison of volume flow,torque and the energy efficiency ofceiling fans with different rake angles in reference[27]

扇葉葉片沖角是指葉片進口氣流方向與葉片進口中弧面切線方向的夾角。葉片的沖角是影響HVLS吊扇性能的重要因素。若翼型扇葉的沖角取值太小，未能達到較好的翼型的氣動性能，導致吊扇效率低下；若翼型扇葉的沖角取值太大，則會產(chǎn)生失速現(xiàn)象，使氣流能力損失嚴重，吊扇性能下降[28]。Swaroop MP等學者通過數(shù)值模擬研究對比四個葉片沖角對風扇風速的影響[29]，結(jié)果表明8°的平均風速最大，但是該文章沒有對比四種葉片沖角的吊扇功耗情況，因此沒有辦法很好的判斷不同葉片沖角的性能。E.Adeeb等學者采用數(shù)值模擬、設(shè)計實驗和響應(yīng)面法對葉根沖角和葉尖沖角等參數(shù)進行研究與優(yōu)化[30-32]。在葉根與葉尖處分別設(shè)置了6°和12°兩個等級的扇葉沖角來進行數(shù)值模擬分析。模擬得到在不同沖角情況下風扇的體積流量、扭矩和能效，見表5。由此可見，葉根與葉尖沖角均對風扇的體積流量、扭矩和能效產(chǎn)生重要的影響，而葉尖沖角的影響更加明顯。Widad Yossria等學者采用CFD方法模擬了NACA0012、0015、4412和4415四種翼型在不同沖角下的性能[23]，其不同沖角下的升阻比如圖7所示，可以看出沖角對翼型的升阻比影響很大，而且不同翼型的最佳沖角值各不相同，但該四種翼型的最佳沖角均集中在3°～5°之間。

表5 不同葉根沖角與葉尖沖角情況下的參數(shù)對比表Tab.5 The comparison of parameters of ceiling fan with differentattack angle of blade root and tip

圖7 翼型NACA0012、0015、4412和4415在扇葉沖角為0°～8°內(nèi)的升阻比Fig.7 The lift-drag ratio ofNACA0012、0015、4412 and 4415 airfoil with 0°～8°attack angle

Mustafa Serdar Gen?等學者通過實驗測試NACA4412翼型在低雷諾數(shù)時的失速特性[33]，采用自動計算機控制力測量系統(tǒng)分別測試了該翼型在雷諾數(shù)25000、50000、75000情況下隨著沖角增加時的失速現(xiàn)象。測試結(jié)果得到，翼型NACA4412在雷諾數(shù)為25000時，產(chǎn)生失速現(xiàn)象的沖角為12°，在雷諾數(shù)為50000時，產(chǎn)生失速現(xiàn)象的沖角為16°，在雷諾數(shù)為75000時，產(chǎn)生失速現(xiàn)象的沖角為18°。然后采用煙氣線顯示流場情況，分別在雷諾數(shù)為25000、50000和75000的流場中觀察翼型在不同沖角情況下的流場情況，發(fā)現(xiàn)在雷諾數(shù)為25000時，分離氣泡較為明顯，當沖角從8°增加到12°時，分離氣泡先前緣移動；而在雷諾數(shù)為50000和75000時，失速現(xiàn)象分別明顯產(chǎn)生在沖角為16°和19°時。兩種方法均測得產(chǎn)生明顯失速現(xiàn)象的沖角會隨著雷諾數(shù)的增大而增大。因此對于HVLS風扇的翼型扇葉需合理設(shè)置扇葉沖角，避免在高轉(zhuǎn)速或者轉(zhuǎn)速較大時產(chǎn)生失速現(xiàn)象。Oleson R A等人發(fā)明了一個可以在輪轂與翼型扇葉之間貼合安裝的配件以改變扇葉沖角[34]。在不同的風扇轉(zhuǎn)速情況下，配對不同型號的配件，以使風扇能夠達到較好的運行工況，避免失速現(xiàn)象產(chǎn)生。

2.3 翼型扇葉葉尖小翼研究進展

葉尖小翼是設(shè)置在葉尖末端的附加件，有的會使用彎曲端蓋替代，其目的是增加向下氣流量，穩(wěn)定空氣流動，消除葉尖紊流[5]。根據(jù)翼型繞流理論，若在翼型葉片的葉尖處不設(shè)置葉尖小翼，則在葉尖處會產(chǎn)生強烈的渦流，并且會引起噪聲。這些渦流的形成是空氣從較高壓力的葉片下表面流向較低壓力的葉片上表面，繞著葉尖運動而形成如圖8（a）所示的渦流[4,11]，而這些渦流的形成會大大影響翼型葉片的推力和壓差分布。在葉尖處設(shè)置葉尖小翼能夠很好減弱葉尖渦，如圖8（b），小翼有助于維持葉片兩側(cè)的壓差，從而提高葉尖附近表面的氣動效率，提高HVLS風扇的性能，而且能降低噪聲。

圖8 有無葉尖小翼時的葉尖渦流情況Fig.8 Tip vortex without(a)orwith(b)tip winglets

Aynsley RM等人發(fā)明了一個翼型扇葉的葉尖小翼，垂直安裝于扇葉葉尖，改善扇葉的空氣動力，以提高風扇效率[35]，該專利中對比了14英尺直徑的HVLS風扇是否帶有該小翼的不同轉(zhuǎn)速下的性能，結(jié)果對比如表6和表7，明顯發(fā)現(xiàn)安裝了葉尖小翼的HVLS風扇的能效更高。而且顯示出在一定轉(zhuǎn)速下，有葉尖小翼時能夠大大提高HVLS風扇能效，在轉(zhuǎn)速為37.5r/min時，兩種情況的能效差最大，為14m3/（min·W）。而在某些轉(zhuǎn)速下，提升能效的效果不明顯，在75r/min時，提升能效不到1m3/（min·W）。

表6 無葉尖小翼的14英尺HVLS風扇性能Tab.6 Performance of the 14ftHVLS fan with non-tip winglets

表7 有葉尖小翼的14英尺HVLS風扇性能Tab.7 Performance o f the 14 ftHVLS fan with tip w inglets

Oleson RA等人發(fā)明了斜角翼配件，可以插入翼型扇葉的葉尖處，改善氣流控制，以提高HVLS風扇的效率[36]。Mohamed Khaled等學者對于小型水平軸流風機葉尖小翼的長度與傾角進行實驗與數(shù)值模擬分析[37]，并用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對小翼長度與傾角進一步優(yōu)化。模擬得出葉片半徑長度的6%和7%的壓力系數(shù)和推力系數(shù)較好。當小翼為45°傾角比90°傾角在越靠近葉尖處的壓差更大，說明45°傾角比90°傾角的風扇性能更好。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進一步優(yōu)化后，發(fā)現(xiàn)小翼長度在葉片半徑的6.32%，傾角為48.3°時性能最優(yōu)。A.Farhan等學者通過數(shù)值模擬研究兩種不同的葉尖小翼（矩形與橢圓形）對風機性能的影響[38]。研究結(jié)果表明，長度為15cm，傾角為45°的小翼結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出性能最佳，而S809翼型矩形小翼對NREL六相旋翼性能的提高效果最好。Tian-tian Zhang等學者對垂直軸風力機翼型葉片的葉尖小翼進行數(shù)值研究[39]。對小翼的六個不同的參數(shù)采用正交試驗設(shè)計，用功率系數(shù)評價不同參數(shù)對性能的影響。研究結(jié)果表明，小翼的扭角對功率系數(shù)影響最大。在三種TSRs模擬中，小翼最大提高相對功率系數(shù)能達到10.5%。

但增加小翼并不總使風扇的性能增加，不合適的設(shè)計反而還會使性能減小。Michael Danielsson對10葉與6葉HVLS風扇在有無葉尖小翼情況下測量風扇的推力和扭矩，對比發(fā)現(xiàn)小翼在某些轉(zhuǎn)速情況下，能夠提高吊扇性能，而在部分情況下沒有小翼的吊扇性能更好[40]。

2.4 HVLS風扇葉片數(shù)量研究進展

HVLS風扇的設(shè)計過程中，扇葉實度是一個重要的影響因素，它決定著吊扇所能產(chǎn)生的體積流量，直接影響HVLS風扇的性能。扇葉實度定義為葉片所占面積與葉片所掃過面積的比值[11]，影響HVLS風扇的扇葉實度的參數(shù)有風扇直徑，葉片寬度和葉片數(shù)量。在一定直徑的情況下，可以通過增加葉片數(shù)量在提高風扇扇葉實度，從而提高吊扇性能。因此，了解葉片數(shù)量對于HVLS風扇性能的影響，對HVLS風扇的設(shè)計有著關(guān)鍵的作用。

文獻[5]對葉片數(shù)6和10的不同直徑的HVLS風扇風量進行研究，測試得出風扇風量如表8，明顯比較出六葉比十葉的風量大，而且當扇葉數(shù)量減少到6片，這樣HVLS風扇的重量減少了接近40%，從而降低了扭矩，可以延長HVLS風扇的壽命。

表8 六葉與十葉HVLS風扇風量對比Tab.8 Comparison ofair volume between six-blade and ten-blade HVLS fans

Ehsan Adeeb等學者采用數(shù)值模擬的方法，對比了2～6片扇葉數(shù)量的傳統(tǒng)吊扇的體積流量、質(zhì)量流量、扭矩和能效[41]。結(jié)果顯示六葉式吊扇的體積流量、質(zhì)量流量和扭矩均最大，雙葉式風扇的體積流量、質(zhì)量流量和扭矩均最??；但從能效來看二葉式風扇能效最高、六葉式風扇能效最低，因此建議風扇使用三葉式或四葉式風扇，能保證一定體積流量的同時，不會產(chǎn)生較大的扭矩。Mohammad Moshfeghi等學者對采用沖角為13°的NACA7415翼型扇葉，直徑6m的吊扇進行關(guān)于扇葉數(shù)量對性能影響的數(shù)值模擬研究[22]。研究結(jié)果如表9，隨著扇葉數(shù)量的增加，HVLS風扇的升力、扭矩和體積流量均增大，顯示六葉式吊扇所形成的體積流量最大，但扭矩也最大，而五葉式吊扇表現(xiàn)的性能最佳，因為在相同扭矩情況下，產(chǎn)生的體積流量最大。

表9 采用沖角為13°的NACA7415翼型扇葉的HVLS風扇不同扇葉數(shù)量的性能對比Tab.9 Comparison of performance of HVLS fans with differentnumbers of blades of NACA7415 airfoilblades with an attack angle of13°

3 HVLS風扇葉片材料及結(jié)構(gòu)研究進展

扇葉材料會直接影響扇葉的強度，若扇葉強度不夠，在吊扇轉(zhuǎn)動時扇葉有可能發(fā)生強烈抖動，甚至會斷裂等，涉及到安全問題。而在規(guī)范UL507[42]中規(guī)定玻璃、中密度纖維板不能作為吊扇葉片材料，聚合物葉片有相應(yīng)的溫度、濕度使用要求等。在國家標準JB/T 13889-2020[20]中對扇葉材料的要求是需符合相關(guān)材料對應(yīng)的標準要求，若無相應(yīng)標準的材料應(yīng)給出化學成分、力學性能和實驗要求。

目前國內(nèi)外大多數(shù)廠家仍采用航空鋁材作為扇葉材料，而有少部分廠家會采用新型復合材料。文獻[28]認為，常用的6063鋁合金非常適合作為翼型扇葉的材料，該材料具有中等強度，良好的沖擊韌性、熱塑性、拋光性、著色性，和優(yōu)良的焊接性、抗蝕性，并且目前有多種提高強度的工藝，如加工強化、固溶強化和細晶強化，均可以一定程度的提高扇葉的強度，保證吊扇的安全與性能。目前大部分廠家通過模具擠壓成鋁合金翼型扇葉，為了達到更好的吊扇性能，而且為了進一步提高扇葉強度，在空心的翼型結(jié)構(gòu)中增加了強筋，避免葉尖處嚴重下垂等。

與傳統(tǒng)的鋁合金扇葉相比，復合材料的扇葉由多層纖維與材料制成，質(zhì)量更輕，強度更大，受濕度和腐蝕性氣體影響更小[7,43]。Amazing Comfortson S等人研究一種由玻璃纖維增強的復合物材料制作扇葉，并于傳統(tǒng)的鋁葉片的質(zhì)量、電費、空氣流速做對比[44]。結(jié)果可知，復合材料葉片質(zhì)量比鋁葉片輕27.5%，并且年運行電費節(jié)省了26%，而且成本還節(jié)省了28%。，并在地上0.5m處測量風速，發(fā)現(xiàn)復合材料葉片風速比鋁葉片風速大15%，但是該文章沒有清晰描述關(guān)于風速的測量情況。

Priyanka Dhurvey等人分別對不同材料的扇葉性能進行研究[45]，該文章對鋼、鋁、GFRP復合材料和PVC材料四種不同材料扇葉性能系數(shù)進行分析計算。扇葉模型采用的是GM-15翼型，使用Creo Elements/Pro5.0進行對吊扇建模并用ANSYS進行流場計算分析。采用MATLAB計算不同材料的性能系數(shù)COP（即空氣體積流量與耗能的比值），隨著速度的變化而變化，結(jié)果可得：隨著空氣速度的增大，COP也增大，使用不同材料扇葉的COP增大順序是PVC材料＞復合材料＞鋁＞鋼。而由ANSYS分析得出了不同葉片材料風機在氣動力作用下的應(yīng)力分布和撓度，其中應(yīng)力依次遞增為：PVC＜復合材料＜鋁＜鋼，撓度依次遞增為：鋼＜鋁＜復合材料＜PVC。對比了不同材料的耗電量，其中使用PVC作為扇葉材料是耗電量最少，電費最少的。因此采用PVC質(zhì)量輕，機械強度好，耗電少，省電省錢，有利于吊扇葉片的選材設(shè)計。

4 HVLS風扇的電機研究進展

傳統(tǒng)的吊扇通常使用單相感應(yīng)電機[46]和交流感應(yīng)電機。感應(yīng)電機雖然耐用、容易生產(chǎn)和便宜，但是有明顯的缺點是功率因數(shù)低、效率低、脈動轉(zhuǎn)矩差，從而導致整機性能不佳。目前國內(nèi)廠家大多數(shù)采用同軸齒輪減速機、永磁同步電機等作為HVLS風扇電機。潘旭光認識到目前市場上的工業(yè)吊扇配套的交流異步電動機存在功率低下，調(diào)速性能差、體積大、質(zhì)量重等問題，因此，研發(fā)了一種與工業(yè)吊扇配套的外轉(zhuǎn)子永磁同步電機[47]。低速外轉(zhuǎn)子永磁同步電機省去了以往電動機的傳動裝置，縮小了電機體積，降低了噪聲，提高了電機效率，進一步優(yōu)化了工業(yè)吊扇的性能。李朝全發(fā)明了一種用于工業(yè)吊扇的永磁直流電機，更好的克服了以往電機承受工業(yè)吊扇在軸向載荷時的磨損和軸承容易損壞的問題[48]。

每種電機都有各自的優(yōu)缺點，為了進一步提高吊扇性能，需對不同吊扇電機的改進設(shè)計與仿真模擬優(yōu)化等研究。Nor R等人研究了馬來西亞HVLS風扇的電機發(fā)展情況，主要研究對比了小型吊扇使用的單相感應(yīng)電機，永磁電機，無刷直流電機和橫向磁通電機四種吊扇電機的優(yōu)缺點[46]，如表10。

表10 HVLS風扇電機的應(yīng)用Tab.10 App lication of HVLS fanmotor

Hasnul Zickry Hashim提出一種可以發(fā)電的永磁吊扇電機，吊扇的電機部分發(fā)揮吊扇的正常功能，而增加的發(fā)電機系統(tǒng)則將轉(zhuǎn)動葉片所浪費的轉(zhuǎn)動動能轉(zhuǎn)化為電能[49]。通過對電機模擬仿真，以觀察和研究電機的磁通分布特性，包括旋轉(zhuǎn)固定磁通以及由電機產(chǎn)生的反電動勢。模擬模型的通量分布規(guī)律符合預(yù)期的通量特性，反電動勢產(chǎn)生的趨勢具有良好的特性，需要調(diào)整。優(yōu)化設(shè)計得分流比優(yōu)化為0.52和極螺距比優(yōu)化為0.5。Anchal Saxena根據(jù)感應(yīng)電機吊扇用永磁無刷直流電機葉片的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性，推導出了吊扇用永磁無刷直流電機的規(guī)格，并提出了兩種采用結(jié)合釹鐵硼和鐵氧體磁體的設(shè)計方案，還比較了兩種設(shè)計的成本和性能[50]。結(jié)果顯示兩種電機在相同的輸出功率和速度下，雖然釹鐵硼電機為鐵氧體磁體電機質(zhì)量的68%，而成本為鐵氧體磁體電機的1.28倍，但是兩種電機效率相當。D.Ishak等學者通過直流試驗、堵轉(zhuǎn)子試驗和空載試驗對一種永磁分體式單相感應(yīng)電動機的參數(shù)進行了研究，并據(jù)此對電機的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性進行了估計[51]。用二維有限元法對電機進行仿真，并進行了堵轉(zhuǎn)試驗和空載試驗。試驗表明電容值越大，起動轉(zhuǎn)矩越大，則額定負載下運行效率更高，但是需要的成本更高和電機體積更大，需衡量。N.F.Zulkarnain等學者對采用單轉(zhuǎn)子雙定子結(jié)構(gòu)的永磁同步電機（PMSM）進行優(yōu)化設(shè)計[52]，通過分析開路磁通分布、氣隙磁通密度和反電動勢，對5種不同分流比和極距比的優(yōu)化設(shè)計方案進行了有限元分析，預(yù)測了設(shè)計方案的性能。結(jié)果表明，氣隙半徑改變通過定子鐵心的磁通量，影響磁通分布、氣隙磁通密度和反電動勢，所有分流比設(shè)計對氣隙磁通密度和反電動勢都有良好的性能。反電動勢的平均值隨著南北弧長的變化而減小，氣隙的磁通分布呈波動趨勢。從仿真結(jié)果來看，在氣隙磁通密度、反電動勢和齒槽轉(zhuǎn)矩效應(yīng)方面，分流比和極距比的最佳值分別為0.52和0.5。Utkarsh Sharma等學者提出了提高吊扇單相感應(yīng)電機(SPIM)效率的設(shè)計方案，以適應(yīng)修訂后的印度標準(374)和印度BEE的星級評定[53]。設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)影響電機性能的關(guān)鍵挑戰(zhàn)包括:保持氣隙、可變槽填充系數(shù)、增加電機慣性以及修改葉片以保持掃掠尺寸不變。用IS 374建立的方法對樣機的電氣參數(shù)和空氣輸送進行了測試，結(jié)果顯示與現(xiàn)有吊扇相比，所有設(shè)計出的原型都具有更高的服務(wù)價值。

5 關(guān)于HVLS風扇的若干研究課題探討

從前面有關(guān)風扇扇葉主要結(jié)構(gòu)參數(shù)、扇葉材料以及風扇電機，尤其是有關(guān)扇葉主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的國內(nèi)外研究進展中可以看出，現(xiàn)有的研究大多集中在對風扇風量和耗功的研究上，尤其是集中在無扭曲平直翼型扇葉斷面參數(shù)的研究上，并取得了有關(guān)斷面幾何參數(shù)、傾斜角、迎風角、小翼以及葉片數(shù)量等重要參數(shù)的優(yōu)化成果。但這些研究，大多屬于吊扇性能的通用研究。針對HVLS風扇特殊用途和結(jié)構(gòu)形式的研究，目前相對較少，而很多吊扇通用的研究成果并不適用于HVLS。要對HVLS進行研究，就要緊緊抓住其特點，并可重點從以下幾方面入手：

1）提高風扇作用范圍內(nèi)風速均勻性的研究

從圖1可以看出，目前HVLS風扇設(shè)計仍不能在風扇覆蓋范圍內(nèi)達到較好的風速均勻性。盡管在風扇直徑下的覆蓋范圍內(nèi)，風扇中心位置的風速較低，而葉尖周圍的風速較高，并且遠離風扇的直徑覆蓋面積后，風速就明顯下降。這主要是由于HVLS風扇扇葉普遍采用無扭曲平直扇葉所致。

為了避免出現(xiàn)和普遍HVLS風扇一樣，風扇中心無風或風速很小情況，某些企業(yè)的HVLS風扇采用扭曲式傾斜翼型扇葉[54]方式，使HVLS風扇能更加高效持續(xù)的保證一定的風速。而Kersten Schmidt等學者在2001年設(shè)計了一種葉片沖角隨著葉片長度變化而變化的氣動形葉片[55]。經(jīng)測試風扇葉片下方1m位置的風速，發(fā)現(xiàn)使用該類型扇葉的吊扇相比傳統(tǒng)吊扇在風扇中心的風速明顯提高，且與最大風速相近，無明顯的中心無風現(xiàn)象。而為了對HVLS風扇翼型扇葉進行扭曲，提高鋁合金材料扇葉性能，劉發(fā)[56]通過對常見的6061鋁合金材料的HVLS風扇扇葉進行扭轉(zhuǎn)工藝進行研究，是基于預(yù)扭轉(zhuǎn)下的拉伸成形和應(yīng)力松弛時效成形工藝技術(shù)，并通過模擬翼型扇葉不同扭轉(zhuǎn)角下不同拉伸情況的應(yīng)力分布，對今后翼型扇葉的扭轉(zhuǎn)工藝生產(chǎn)有十分重要的參考價值。研究扭曲翼型扇葉，提高HVLS風扇作用范圍內(nèi)的風速均勻性，這將是HVLS風扇在未來的一個重要的發(fā)展方向。

對于冬季使用HVLS風扇，由于人們對低溫時的風速接受值更小，這就要求風扇所提供的速度更低和更均勻。有學者研究發(fā)現(xiàn)[3,16]，吊扇反轉(zhuǎn)運行時，室內(nèi)空氣流速分布較為均勻。利用HVLS風扇反轉(zhuǎn)功能能夠在冬季將分層空氣混合在一起，形成一個統(tǒng)一且均勻的流場，能夠有較好的溫度和風速均勻性[4]。但是，為了達到較好的向下吹風性能，常規(guī)的葉片設(shè)計均為彎曲葉片，這會使風扇反轉(zhuǎn)時的風量大幅度減少[16]。因此提高風扇反轉(zhuǎn)的性能，會影響風扇正轉(zhuǎn)時的性能，需要對反轉(zhuǎn)時扇葉的沖角和翼型做進一步的研究。國外已有企業(yè)對此進行研究，并已生產(chǎn)出產(chǎn)品[43]，但其效果尚需進一步提高，而國內(nèi)很少對此研究設(shè)計。為了使HVLS風扇在反轉(zhuǎn)運行時達到更好的風速均勻分布效果，需要了解更多關(guān)于翼型、扇葉沖角和風扇正反轉(zhuǎn)之間的關(guān)系，衡量扇葉正反轉(zhuǎn)時的性能，是未來的一個研究方向。

2）提高風扇作用范圍的研究

由圖1可以看出，對傳統(tǒng)吊扇來說，增加吊扇轉(zhuǎn)速便可以明顯提高作用范圍，但在風扇直徑下方的覆蓋范圍內(nèi)，風速過大，且最大風速在風扇半徑內(nèi)，具有明顯的收縮現(xiàn)象，使風扇的作用范圍較小，且有較大的不均勻性。相較于傳統(tǒng)的吊扇，HVLS風扇的作用范圍已經(jīng)有了很大的提高，并且均勻性較好，但還需要在保證一定流場均勻性的前提下，進一步研究提高風扇的作用范圍。

但如前所述，Muhammad Aaqib Afaq等學者研究發(fā)現(xiàn)[27]，選取適當?shù)纳热~正傾斜角，能夠大大地提高風扇風量。Aynsley等學者描述到[26]，扇葉采用正傾斜角，能夠使風扇覆蓋更大面積。這是提高風扇作用范圍的一個重要手段，值得研究者以此來研究優(yōu)化。另一個值得研究的是風扇小翼。從前面的論述中可以看到，小翼可以減小葉尖渦流，增加風量并減小噪聲。但國外某些廠家通過對葉尖小翼效果的進一步研究發(fā)現(xiàn)，小翼還可使風扇覆蓋面積大大提高，有的甚至28%以上[58]。但目前各學者對小翼在這方面的研究相對較少，這就需要進一步合理分析葉尖小翼的作用，對葉尖小翼的形狀、結(jié)構(gòu)、尺寸、材料等進一步的研究，設(shè)計一種HVLS風扇普遍使用的小翼，其運行時能夠起到提高HVLS作用范圍，且能效范圍較好。

3）風扇葉片振動對疲勞應(yīng)力的影響研究

當?shù)跎冗M行周期旋轉(zhuǎn)運動時，非定常氣動載荷、旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力和轉(zhuǎn)子的不平衡等原因都會導致葉片振動，而葉片振動會使葉片產(chǎn)生周期疲勞，使用一段時間后，有可能導致葉片斷裂甚至產(chǎn)生嚴重安全事故[59]。而且隨著葉片的長度增加，在葉片振動的影響下，葉片的單位長度疲勞載荷也增大，尤其是在葉尖處，疲勞載荷變化較大[60]。除了對風扇結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響之外，扇葉的振動和變形也會大大影響扇葉的氣動性能[61]。HVLS風扇的葉片比傳統(tǒng)吊扇的葉片較長，因此在承受振動的情況運行時，產(chǎn)生較大的疲勞載荷。為了減少扇葉振動對HVLS風扇產(chǎn)生的影響，主要應(yīng)對葉尖小翼和葉片材料兩個因素展開進一步的研究。

對于翼型扇葉葉尖小翼，大量的研究表明，小翼有助于維持葉片兩側(cè)的壓差，從而提高葉尖附近表面的氣動效率，提高HVLS風扇的性能，而且能降低噪聲[62-64]，減少振動[64]。但從現(xiàn)有的研究結(jié)果來看，人們在HVLS風扇領(lǐng)域中對小翼的研究尚不十分完善。若部分葉片的小翼設(shè)計不當，反而會應(yīng)使風扇的性能下降，設(shè)計人員需要進一步了解小翼對于HVLS風扇的特殊影響。

扇葉的材料對扇葉的強度具有重要的影響，進而會影響到扇葉的振動大小。但從前面的研究結(jié)果可以看出，現(xiàn)有對扇葉材料的研究大多集中在扇葉送風性能上，對其振動影響的研究非常之少。復合材料具有優(yōu)越的性能，在一些其他的領(lǐng)域中，人們已經(jīng)有將復合材料葉片與金屬葉片的振動與載荷情況進行研究[64]。HVLS風扇扇葉可以考慮使用新型材料，這將是HVLS的一個重要的研究方向。

扇葉與風扇輪轂之間的聯(lián)接結(jié)構(gòu)：一方面是產(chǎn)生結(jié)構(gòu)不平衡的一個重要因素，另一方面是產(chǎn)生疲勞應(yīng)力的集中部位。目前這方面的研究比較少，僅有的公開發(fā)表的文章[65]主要考慮在葉片與輪轂之間增加聚合物材料和懸臂彈簧等結(jié)構(gòu)，以達到減振減噪的作用。但該研究并未對其設(shè)計的機理作深入的分析和實驗，缺乏科學的數(shù)據(jù)，今后可以在這方面進一步研究。對于影響扇葉性能的扇葉剛度和振動頻率的研究，目前均未見到公開發(fā)表的文獻。這是未來的一個不可忽視的研究方向。

4）夏季HVLS風扇對高大空間溫度分層的影響研究

HVLS風扇在使用時，由于循環(huán)作用，能夠一定程度上消除溫度分層的情況，這對冬季而言是有益的，但在夏季反而會帶來不良的效果。在高大空間的夏季環(huán)境下，高度方向上的溫度有較大的差異，高溫氣流處于高處位置[57]。當?shù)跎冗\行時，風扇會將空間上方較熱的空氣帶到人們的活動區(qū)域，使該區(qū)域的溫度上升，使部分人員舒適性降低。那么應(yīng)該如何對HVLS風扇進行優(yōu)化設(shè)計，使其吸入的空氣盡量來自活動區(qū)域，減少HVLS風扇在夏季對溫度分層的消除作用，變成為使HVLS風扇的作用效果更優(yōu)的一個重要的研究內(nèi)容。

6 結(jié)論

HVLS風扇從上世紀90年代就開始出現(xiàn)，發(fā)展至今，已經(jīng)得到越來越多市場的認可。其不但可以用于一般的空氣循環(huán)使用，更重要的是可以和空調(diào)系統(tǒng)結(jié)合使用，減少空調(diào)工程建設(shè)費用，顯著降低空調(diào)系統(tǒng)的運行成本。國內(nèi)外許多學者和工程技術(shù)人員已經(jīng)對該類型風扇的各方面性能有一定的研究，但仍有許多科學和技術(shù)問題，需要進一步去研究和優(yōu)化，使其能在更大程度上，為節(jié)能減排做出貢獻。