陳家明 辛軍哲 鄭才翥 趙秀錢

（1.廣州大學(xué)；2.廣東瑞泰通風(fēng)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(gè)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(dá)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(yùn)行負(fù)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(diǎn)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(fēng)速分布極不均勻，直接處于風(fēng)扇下方風(fēng)速很大，而略微遠(yuǎn)離風(fēng)扇直徑以外風(fēng)速會(huì)迅速下降，甚至感受不到風(fēng)。HVLS風(fēng)扇是一種大直徑、低轉(zhuǎn)速、大風(fēng)量的吊裝風(fēng)扇。與傳統(tǒng)的吊扇相比，該風(fēng)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(fēng)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(jī)場(chǎng)（飛機(jī)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(xué)大樓、服務(wù)中心和大型商場(chǎng)等[4-5]。

HVLS風(fēng)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(fēng)扇，設(shè)計(jì)制造了一直徑達(dá)7.3m，轉(zhuǎn)速為50r/min的吊扇，形成第一代HVLS風(fēng)扇[4，6-9]。而在我國，HVLS風(fēng)扇出現(xiàn)的時(shí)間大約在21世紀(jì)00年代后期，對(duì)HVLS的認(rèn)識(shí)、使用和研究目前僅僅處于起步階段，對(duì)于HVLS風(fēng)扇的設(shè)計(jì)理論和方法均處于探索過程。我國的HVLS風(fēng)扇設(shè)計(jì)水平不高，各單位風(fēng)扇的性能參差不齊，未能使HVLS風(fēng)扇性能達(dá)到最優(yōu)化。本文將從HVLS風(fēng)扇的技術(shù)特點(diǎn)入手，分析HVLS風(fēng)扇的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，并試圖對(duì)HVLS風(fēng)扇未來的發(fā)展提出個(gè)人見解，進(jìn)一步提高HVLS風(fēng)扇的性能，為HVLS風(fēng)扇進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和使用標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考。

1 舒適性作用范圍及HVLS的技術(shù)特點(diǎn)

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(fēng)扇的設(shè)計(jì)理念就是要求這種風(fēng)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(fēng)速可以增強(qiáng)人體的散熱，使其在炎熱的夏天覺得涼爽。按照文獻(xiàn)[10]的描述，風(fēng)速從0.15m/s提升到3m/s時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)有效溫度SET可以從23.8℃降低到18.8℃，相當(dāng)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(shí)，每升高1℃，就能節(jié)省9%～12%的冷卻能源。將流過人體的風(fēng)速盡可能的加大，以最大限度地達(dá)到節(jié)能的效果。但過高的風(fēng)速會(huì)使人受到風(fēng)壓的壓迫感[12-13]、眼睛干澀[14-15]和吹冷風(fēng)感[15]，同時(shí)還會(huì)將頭發(fā)、紙張和衣裙等輕薄物品吹起[11,15]，這些都會(huì)使人感到不適或不便。按照文獻(xiàn)[10]的規(guī)定，在空調(diào)環(huán)境下，要達(dá)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(fēng)環(huán)境下，人體所接受的風(fēng)速與工作環(huán)境有很大關(guān)系，一般場(chǎng)合下，平均風(fēng)速不會(huì)超過1.6m/s。如果以PMV相差0.5作為人體對(duì)環(huán)境不同位置均勻度的要求，假設(shè)環(huán)境溫度相同時(shí)，可計(jì)算得出環(huán)境不同位置的風(fēng)速。對(duì)空調(diào)環(huán)境大致應(yīng)控制在0.3～0.8m/s范圍內(nèi)，對(duì)通風(fēng)環(huán)境應(yīng)控制在0.55～1.6m/s范圍內(nèi)，我們把平均風(fēng)速處于這個(gè)范圍的區(qū)域稱作風(fēng)扇的有效作用范圍。但對(duì)傳統(tǒng)的高轉(zhuǎn)速小直徑吊扇而言，限制了最高風(fēng)速，同時(shí)就意味著將風(fēng)扇的有效作用范圍大大縮小。圖1為一典型吊扇與HVLS風(fēng)扇的站姿平均風(fēng)速分布圖（按照ASHRAE 55-2017中規(guī)定，將0.1m、1.1m和1.7m三個(gè)高度風(fēng)速的平均值稱為站姿平均風(fēng)速值），其中橫坐標(biāo)為測(cè)點(diǎn)距中心距離與風(fēng)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(yùn)行，其最大站姿平均速度為2.1m/s左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過空調(diào)和通風(fēng)環(huán)境下可接受的最高速度。當(dāng)其在低速檔的121r/min轉(zhuǎn)速下工作時(shí)，按照上述吊扇有效作用范圍的標(biāo)準(zhǔn)，在通風(fēng)環(huán)境下，該典型吊扇的有效作用范圍直徑約為風(fēng)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(fēng)扇在轉(zhuǎn)速為23r/min下運(yùn)行時(shí)，同樣按照上述吊扇有效作用范圍的標(biāo)準(zhǔn)，該風(fēng)扇在通風(fēng)環(huán)境的有效作用范圍直徑約為風(fēng)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(fēng)速能夠保證在人體可接受范圍內(nèi)，這就是HVLS風(fēng)扇的最大優(yōu)勢(shì)所在。

圖1 直徑為1.5m的典型吊扇與直徑為7.3m的HVLS風(fēng)扇的站姿平均風(fēng)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(jìn)一步研究HVLS風(fēng)扇與高速風(fēng)機(jī)性能的比較，Zhiqiang(John)Zhai等人對(duì)HVLS風(fēng)扇和小直徑高轉(zhuǎn)速風(fēng)扇流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究[17]。研究兩種風(fēng)扇對(duì)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(fēng)扇僅對(duì)風(fēng)扇正下方的小范圍起作用，而HVLS風(fēng)扇無論是在額定轉(zhuǎn)速還是額定轉(zhuǎn)速的一半運(yùn)行時(shí)，作用范圍都明顯更廣，且對(duì)消除整個(gè)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(xué)者在文獻(xiàn)[18]中對(duì)高速風(fēng)扇（500r/min）和HVLS風(fēng)扇（90r/min）作對(duì)比，也能得出相似的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)HVLS風(fēng)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(chǎng)情況Fig.2 Flow field simulation

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

為了達(dá)到風(fēng)速小而作用范圍大的效果，HVLS風(fēng)扇在結(jié)構(gòu)上的重要特點(diǎn)就是大直徑和低轉(zhuǎn)速。但目前市場(chǎng)上對(duì)于HVLS風(fēng)扇仍沒有嚴(yán)格地定義，大多數(shù)廠家將HVLS風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)GB/T 13380-2018《交流電風(fēng)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(fēng)扇與傳統(tǒng)吊扇區(qū)分開來，2020年，由中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)牽頭組織制定了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 13889-2020[20]，并將該風(fēng)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(fēng)扇的市場(chǎng)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(gè)基本特征。但如何能在低轉(zhuǎn)速情況下產(chǎn)生比較大的風(fēng)速和風(fēng)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(jiǎn)單容易，需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(fēng)扇扇葉形狀及氣動(dòng)特征參數(shù)研究進(jìn)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(yùn)行時(shí)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(duì)平直的葉片來說，可以適當(dāng)減少壓力阻力，增加升力[11]。與傳統(tǒng)吊扇葉片比較，HVLS風(fēng)扇大多會(huì)設(shè)計(jì)成翼型扇葉，其具有更好的空氣動(dòng)力性能，能夠產(chǎn)生更大的推力，推動(dòng)更大體積的空氣，并且速度分布均勻。T.M.I.Mahlia等學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)和模擬對(duì)Gilbert Morris-15（GM15）翼型扇葉（如圖4）和傳統(tǒng)平直型扇葉的性能進(jìn)行了評(píng)估[21]。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，采用鋁板預(yù)制翼型扇葉和平直型扇葉，測(cè)量扇葉下方1.2m的位置，測(cè)量得出該平面風(fēng)扇所產(chǎn)生風(fēng)量。并定義風(fēng)扇的性能系數(shù)為風(fēng)量與輸入功率之比，通過性能系數(shù)COP來評(píng)估吊扇性能。結(jié)果顯示，由實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)驗(yàn)測(cè)試還是數(shù)值模擬中，在輸入功率相同時(shí)，翼型葉片產(chǎn)生的風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(xué)者對(duì)三種不同翼型進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同翼型吊扇流場(chǎng)[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(chǎng)。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(fēng)扇所生成風(fēng)量成正比。在三種翼型中，NACA7415翼型的HVLS風(fēng)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(duì)于不同的翼型，盡管在相同的沖角情況下，也會(huì)產(chǎn)生不同的能效。Widad Yossria等學(xué)者采用CFD研究翼型尺寸對(duì)于渦輪機(jī)氣動(dòng)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(jì)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(jì)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(jí)也增大了。

圖5 文獻(xiàn)[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(fēng)扇性能比較Tab.3 The performance comparison of HVLS fans with differentairfoils

表4 不同HVLS風(fēng)扇在不同高度的風(fēng)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(gè)橢圓相交線作為翼型上下面設(shè)計(jì)出一種翼型扇葉[24]。張佳偉對(duì)翼型厚度影響翼型氣動(dòng)性能進(jìn)行研究[25]，結(jié)果表明在小攻角時(shí)，在較小厚度的翼型時(shí)，升阻比較大；而在較大的攻角時(shí)，增大翼型厚度可以改善翼型流動(dòng)特性。

2.2 扇葉傾斜角和沖角等角度的研究進(jìn)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(fù)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(duì)葉片的性能影響很大，在負(fù)傾斜角時(shí)會(huì)產(chǎn)生具有明顯渦流的狹窄射流，能夠使風(fēng)速達(dá)到更大范圍；而正傾斜角的風(fēng)量較大，風(fēng)速較為均勻[26]。Muhammad Aaqib Afaq等學(xué)者[27]在實(shí)驗(yàn)室對(duì)風(fēng)扇的測(cè)量實(shí)驗(yàn)并通過數(shù)值模擬了在0°～10°范圍內(nèi)的八個(gè)扇葉傾斜角的吊扇流場(chǎng)。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(fēng)量也相對(duì)較少，而6°傾斜角能在扭矩一定的情況下產(chǎn)生最大的風(fēng)量，具有最大的能效值。

圖6 文獻(xiàn)[27]中對(duì)于不同葉片傾斜角的吊扇的體積流量、扭矩和能效值的對(duì)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(jìn)口氣流方向與葉片進(jìn)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(dá)到較好的翼型的氣動(dòng)性能，導(dǎo)致吊扇效率低下；若翼型扇葉的沖角取值太大，則會(huì)產(chǎn)生失速現(xiàn)象，使氣流能力損失嚴(yán)重，吊扇性能下降[28]。Swaroop MP等學(xué)者通過數(shù)值模擬研究對(duì)比四個(gè)葉片沖角對(duì)風(fēng)扇風(fēng)速的影響[29]，結(jié)果表明8°的平均風(fēng)速最大，但是該文章沒有對(duì)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(xué)者采用數(shù)值模擬、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)面法對(duì)葉根沖角和葉尖沖角等參數(shù)進(jìn)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(gè)等級(jí)的扇葉沖角來進(jìn)行數(shù)值模擬分析。模擬得到在不同沖角情況下風(fēng)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(duì)風(fēng)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(xué)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(duì)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(duì)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(xué)者通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試NACA4412翼型在低雷諾數(shù)時(shí)的失速特性[33]，采用自動(dòng)計(jì)算機(jī)控制力測(cè)量系統(tǒng)分別測(cè)試了該翼型在雷諾數(shù)25000、50000、75000情況下隨著沖角增加時(shí)的失速現(xiàn)象。測(cè)試結(jié)果得到，翼型NACA4412在雷諾數(shù)為25000時(shí)，產(chǎn)生失速現(xiàn)象的沖角為12°，在雷諾數(shù)為50000時(shí)，產(chǎn)生失速現(xiàn)象的沖角為16°，在雷諾數(shù)為75000時(shí)，產(chǎn)生失速現(xiàn)象的沖角為18°。然后采用煙氣線顯示流場(chǎng)情況，分別在雷諾數(shù)為25000、50000和75000的流場(chǎng)中觀察翼型在不同沖角情況下的流場(chǎng)情況，發(fā)現(xiàn)在雷諾數(shù)為25000時(shí)，分離氣泡較為明顯，當(dāng)沖角從8°增加到12°時(shí)，分離氣泡先前緣移動(dòng)；而在雷諾數(shù)為50000和75000時(shí)，失速現(xiàn)象分別明顯產(chǎn)生在沖角為16°和19°時(shí)。兩種方法均測(cè)得產(chǎn)生明顯失速現(xiàn)象的沖角會(huì)隨著雷諾數(shù)的增大而增大。因此對(duì)于HVLS風(fēng)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(shí)產(chǎn)生失速現(xiàn)象。Oleson R A等人發(fā)明了一個(gè)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(fēng)扇轉(zhuǎn)速情況下，配對(duì)不同型號(hào)的配件，以使風(fēng)扇能夠達(dá)到較好的運(yùn)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(jìn)展

葉尖小翼是設(shè)置在葉尖末端的附加件，有的會(huì)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(dòng)，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(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流，并且會(huì)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(yùn)動(dòng)而形成如圖8（a）所示的渦流[4,11]，而這些渦流的形成會(huì)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(dòng)效率，提高HVLS風(fēng)扇的性能，而且能降低噪聲。

圖8 有無葉尖小翼時(shí)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(gè)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(dòng)力，以提高風(fēng)扇效率[35]，該專利中對(duì)比了14英尺直徑的HVLS風(fēng)扇是否帶有該小翼的不同轉(zhuǎn)速下的性能，結(jié)果對(duì)比如表6和表7，明顯發(fā)現(xiàn)安裝了葉尖小翼的HVLS風(fēng)扇的能效更高。而且顯示出在一定轉(zhuǎn)速下，有葉尖小翼時(shí)能夠大大提高HVLS風(fēng)扇能效，在轉(zhuǎn)速為37.5r/min時(shí)，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(shí)，提升能效不到1m3/（min·W）。

表6 無葉尖小翼的14英尺HVLS風(fēng)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(fēng)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(fēng)扇的效率[36]。Mohamed Khaled等學(xué)者對(duì)于小型水平軸流風(fēng)機(jī)葉尖小翼的長度與傾角進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬分析[37]，并用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)小翼長度與傾角進(jìn)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(dāng)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(fēng)扇性能更好。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(shí)性能最優(yōu)。A.Farhan等學(xué)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(duì)風(fēng)機(jī)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(duì)NREL六相旋翼性能的提高效果最好。Tian-tian Zhang等學(xué)者對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)翼型葉片的葉尖小翼進(jìn)行數(shù)值研究[39]。對(duì)小翼的六個(gè)不同的參數(shù)采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，用功率系數(shù)評(píng)價(jià)不同參數(shù)對(duì)性能的影響。研究結(jié)果表明，小翼的扭角對(duì)功率系數(shù)影響最大。在三種TSRs模擬中，小翼最大提高相對(duì)功率系數(shù)能達(dá)到10.5%。

但增加小翼并不總使風(fēng)扇的性能增加，不合適的設(shè)計(jì)反而還會(huì)使性能減小。Michael Danielsson對(duì)10葉與6葉HVLS風(fēng)扇在有無葉尖小翼情況下測(cè)量風(fēng)扇的推力和扭矩，對(duì)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(fēng)扇葉片數(shù)量研究進(jìn)展

HVLS風(fēng)扇的設(shè)計(jì)過程中，扇葉實(shí)度是一個(gè)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(fēng)扇的性能。扇葉實(shí)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(fēng)扇的扇葉實(shí)度的參數(shù)有風(fēng)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(fēng)扇扇葉實(shí)度，從而提高吊扇性能。因此，了解葉片數(shù)量對(duì)于HVLS風(fēng)扇性能的影響，對(duì)HVLS風(fēng)扇的設(shè)計(jì)有著關(guān)鍵的作用。

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

表8 六葉與十葉HVLS風(fēng)扇風(fēng)量對(duì)比Tab.8 Comparison ofair volume between six-blade and ten-blade HVLS fans

Ehsan Adeeb等學(xué)者采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)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(fēng)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(fēng)扇能效最高、六葉式風(fēng)扇能效最低，因此建議風(fēng)扇使用三葉式或四葉式風(fēng)扇，能保證一定體積流量的同時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生較大的扭矩。Mohammad Moshfeghi等學(xué)者對(duì)采用沖角為13°的NACA7415翼型扇葉，直徑6m的吊扇進(jìn)行關(guān)于扇葉數(shù)量對(duì)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(fēng)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?yàn)樵谙嗤ぞ厍闆r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(fēng)扇不同扇葉數(shù)量的性能對(duì)比Tab.9 Comparison of performance of HVLS fans with differentnumbers of blades of NACA7415 airfoilblades with an attack angle of13°

3 HVLS風(fēng)扇葉片材料及結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

扇葉材料會(huì)直接影響扇葉的強(qiáng)度，若扇葉強(qiáng)度不夠，在吊扇轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)扇葉有可能發(fā)生強(qiáng)烈抖動(dòng)，甚至?xí)嗔训龋婕暗桨踩珕栴}。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(biāo)準(zhǔn)JB/T 13889-2020[20]中對(duì)扇葉材料的要求是需符合相關(guān)材料對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求，若無相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的材料應(yīng)給出化學(xué)成分、力學(xué)性能和實(shí)驗(yàn)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(huì)采用新型復(fù)合材料。文獻(xiàn)[28]認(rèn)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(qiáng)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(qiáng)度的工藝，如加工強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化，均可以一定程度的提高扇葉的強(qiáng)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(dá)到更好的吊扇性能，而且為了進(jìn)一步提高扇葉強(qiáng)度，在空心的翼型結(jié)構(gòu)中增加了強(qiáng)筋，避免葉尖處嚴(yán)重下垂等。

與傳統(tǒng)的鋁合金扇葉相比，復(fù)合材料的扇葉由多層纖維與材料制成，質(zhì)量更輕，強(qiáng)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(qiáng)的復(fù)合物材料制作扇葉，并于傳統(tǒng)的鋁葉片的質(zhì)量、電費(fèi)、空氣流速做對(duì)比[44]。結(jié)果可知，復(fù)合材料葉片質(zhì)量比鋁葉片輕27.5%，并且年運(yùn)行電費(fèi)節(jié)省了26%，而且成本還節(jié)省了28%。，并在地上0.5m處測(cè)量風(fēng)速，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料葉片風(fēng)速比鋁葉片風(fēng)速大15%，但是該文章沒有清晰描述關(guān)于風(fēng)速的測(cè)量情況。

Priyanka Dhurvey等人分別對(duì)不同材料的扇葉性能進(jìn)行研究[45]，該文章對(duì)鋼、鋁、GFRP復(fù)合材料和PVC材料四種不同材料扇葉性能系數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。扇葉模型采用的是GM-15翼型，使用Creo Elements/Pro5.0進(jìn)行對(duì)吊扇建模并用ANSYS進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算分析。采用MATLAB計(jì)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(fù)合材料＞鋁＞鋼。而由ANSYS分析得出了不同葉片材料風(fēng)機(jī)在氣動(dòng)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(fù)合材料＜鋁＜鋼，撓度依次遞增為：鋼＜鋁＜復(fù)合材料＜PVC。對(duì)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(fèi)最少的。因此采用PVC質(zhì)量輕，機(jī)械強(qiáng)度好，耗電少，省電省錢，有利于吊扇葉片的選材設(shè)計(jì)。

4 HVLS風(fēng)扇的電機(jī)研究進(jìn)展

傳統(tǒng)的吊扇通常使用單相感應(yīng)電機(jī)[46]和交流感應(yīng)電機(jī)。感應(yīng)電機(jī)雖然耐用、容易生產(chǎn)和便宜，但是有明顯的缺點(diǎn)是功率因數(shù)低、效率低、脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩差，從而導(dǎo)致整機(jī)性能不佳。目前國內(nèi)廠家大多數(shù)采用同軸齒輪減速機(jī)、永磁同步電機(jī)等作為HVLS風(fēng)扇電機(jī)。潘旭光認(rèn)識(shí)到目前市場(chǎng)上的工業(yè)吊扇配套的交流異步電動(dòng)機(jī)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(jī)[47]。低速外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)省去了以往電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)裝置，縮小了電機(jī)體積，降低了噪聲，提高了電機(jī)效率，進(jìn)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(jī)，更好的克服了以往電機(jī)承受工業(yè)吊扇在軸向載荷時(shí)的磨損和軸承容易損壞的問題[48]。

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

表10 HVLS風(fēng)扇電機(jī)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(jī)，吊扇的電機(jī)部分發(fā)揮吊扇的正常功能，而增加的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)則將轉(zhuǎn)動(dòng)葉片所浪費(fèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能[49]。通過對(duì)電機(jī)模擬仿真，以觀察和研究電機(jī)的磁通分布特性，包括旋轉(zhuǎn)固定磁通以及由電機(jī)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)。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(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的趨勢(shì)具有良好的特性，需要調(diào)整。優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jī)吊扇用永磁無刷直流電機(jī)葉片的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性，推導(dǎo)出了吊扇用永磁無刷直流電機(jī)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(jì)方案，還比較了兩種設(shè)計(jì)的成本和性能[50]。結(jié)果顯示兩種電機(jī)在相同的輸出功率和速度下，雖然釹鐵硼電機(jī)為鐵氧體磁體電機(jī)質(zhì)量的68%，而成本為鐵氧體磁體電機(jī)的1.28倍，但是兩種電機(jī)效率相當(dāng)。D.Ishak等學(xué)者通過直流試驗(yàn)、堵轉(zhuǎn)子試驗(yàn)和空載試驗(yàn)對(duì)一種永磁分體式單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行了研究，并據(jù)此對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性進(jìn)行了估計(jì)[51]。用二維有限元法對(duì)電機(jī)進(jìn)行仿真，并進(jìn)行了堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)和空載試驗(yàn)。試驗(yàn)表明電容值越大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大，則額定負(fù)載下運(yùn)行效率更高，但是需要的成本更高和電機(jī)體積更大，需衡量。N.F.Zulkarnain等學(xué)者對(duì)采用單轉(zhuǎn)子雙定子結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)（PMSM）進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[52]，通過分析開路磁通分布、氣隙磁通密度和反電動(dòng)勢(shì)，對(duì)5種不同分流比和極距比的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了有限元分析，預(yù)測(cè)了設(shè)計(jì)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(dòng)勢(shì)，所有分流比設(shè)計(jì)對(duì)氣隙磁通密度和反電動(dòng)勢(shì)都有良好的性能。反電動(dòng)勢(shì)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(dòng)趨勢(shì)。從仿真結(jié)果來看，在氣隙磁通密度、反電動(dòng)勢(shì)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(xué)者提出了提高吊扇單相感應(yīng)電機(jī)(SPIM)效率的設(shè)計(jì)方案，以適應(yīng)修訂后的印度標(biāo)準(zhǔn)(374)和印度BEE的星級(jí)評(píng)定[53]。設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)影響電機(jī)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(jī)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(duì)樣機(jī)的電氣參數(shù)和空氣輸送進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示與現(xiàn)有吊扇相比，所有設(shè)計(jì)出的原型都具有更高的服務(wù)價(jià)值。

5 關(guān)于HVLS風(fēng)扇的若干研究課題探討

從前面有關(guān)風(fēng)扇扇葉主要結(jié)構(gòu)參數(shù)、扇葉材料以及風(fēng)扇電機(jī)，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(jìn)展中可以看出，現(xiàn)有的研究大多集中在對(duì)風(fēng)扇風(fēng)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(fēng)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(duì)HVLS風(fēng)扇特殊用途和結(jié)構(gòu)形式的研究，目前相對(duì)較少，而很多吊扇通用的研究成果并不適用于HVLS。要對(duì)HVLS進(jìn)行研究，就要緊緊抓住其特點(diǎn)，并可重點(diǎn)從以下幾方面入手：

1）提高風(fēng)扇作用范圍內(nèi)風(fēng)速均勻性的研究

從圖1可以看出，目前HVLS風(fēng)扇設(shè)計(jì)仍不能在風(fēng)扇覆蓋范圍內(nèi)達(dá)到較好的風(fēng)速均勻性。盡管在風(fēng)扇直徑下的覆蓋范圍內(nèi)，風(fēng)扇中心位置的風(fēng)速較低，而葉尖周圍的風(fēng)速較高，并且遠(yuǎn)離風(fēng)扇的直徑覆蓋面積后，風(fēng)速就明顯下降。這主要是由于HVLS風(fēng)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(fēng)扇一樣，風(fēng)扇中心無風(fēng)或風(fēng)速很小情況，某些企業(yè)的HVLS風(fēng)扇采用扭曲式傾斜翼型扇葉[54]方式，使HVLS風(fēng)扇能更加高效持續(xù)的保證一定的風(fēng)速。而Kersten Schmidt等學(xué)者在2001年設(shè)計(jì)了一種葉片沖角隨著葉片長度變化而變化的氣動(dòng)形葉片[55]。經(jīng)測(cè)試風(fēng)扇葉片下方1m位置的風(fēng)速，發(fā)現(xiàn)使用該類型扇葉的吊扇相比傳統(tǒng)吊扇在風(fēng)扇中心的風(fēng)速明顯提高，且與最大風(fēng)速相近，無明顯的中心無風(fēng)現(xiàn)象。而為了對(duì)HVLS風(fēng)扇翼型扇葉進(jìn)行扭曲，提高鋁合金材料扇葉性能，劉發(fā)[56]通過對(duì)常見的6061鋁合金材料的HVLS風(fēng)扇扇葉進(jìn)行扭轉(zhuǎn)工藝進(jìn)行研究，是基于預(yù)扭轉(zhuǎn)下的拉伸成形和應(yīng)力松弛時(shí)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(duì)今后翼型扇葉的扭轉(zhuǎn)工藝生產(chǎn)有十分重要的參考價(jià)值。研究扭曲翼型扇葉，提高HVLS風(fēng)扇作用范圍內(nèi)的風(fēng)速均勻性，這將是HVLS風(fēng)扇在未來的一個(gè)重要的發(fā)展方向。

對(duì)于冬季使用HVLS風(fēng)扇，由于人們對(duì)低溫時(shí)的風(fēng)速接受值更小，這就要求風(fēng)扇所提供的速度更低和更均勻。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)[3,16]，吊扇反轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)，室內(nèi)空氣流速分布較為均勻。利用HVLS風(fēng)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(gè)統(tǒng)一且均勻的流場(chǎng)，能夠有較好的溫度和風(fēng)速均勻性[4]。但是，為了達(dá)到較好的向下吹風(fēng)性能，常規(guī)的葉片設(shè)計(jì)均為彎曲葉片，這會(huì)使風(fēng)扇反轉(zhuǎn)時(shí)的風(fēng)量大幅度減少[16]。因此提高風(fēng)扇反轉(zhuǎn)的性能，會(huì)影響風(fēng)扇正轉(zhuǎn)時(shí)的性能，需要對(duì)反轉(zhuǎn)時(shí)扇葉的沖角和翼型做進(jìn)一步的研究。國外已有企業(yè)對(duì)此進(jìn)行研究，并已生產(chǎn)出產(chǎn)品[43]，但其效果尚需進(jìn)一步提高，而國內(nèi)很少對(duì)此研究設(shè)計(jì)。為了使HVLS風(fēng)扇在反轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)達(dá)到更好的風(fēng)速均勻分布效果，需要了解更多關(guān)于翼型、扇葉沖角和風(fēng)扇正反轉(zhuǎn)之間的關(guān)系，衡量扇葉正反轉(zhuǎn)時(shí)的性能，是未來的一個(gè)研究方向。

2）提高風(fēng)扇作用范圍的研究

由圖1可以看出，對(duì)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(fēng)扇直徑下方的覆蓋范圍內(nèi)，風(fēng)速過大，且最大風(fēng)速在風(fēng)扇半徑內(nèi)，具有明顯的收縮現(xiàn)象，使風(fēng)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(fēng)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(chǎng)均勻性的前提下，進(jìn)一步研究提高風(fēng)扇的作用范圍。

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

3）風(fēng)扇葉片振動(dòng)對(duì)疲勞應(yīng)力的影響研究

當(dāng)?shù)跎冗M(jìn)行周期旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，非定常氣動(dòng)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(huì)導(dǎo)致葉片振動(dòng)，而葉片振動(dòng)會(huì)使葉片產(chǎn)生周期疲勞，使用一段時(shí)間后，有可能導(dǎo)致葉片斷裂甚至產(chǎn)生嚴(yán)重安全事故[59]。而且隨著葉片的長度增加，在葉片振動(dòng)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(duì)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響之外，扇葉的振動(dòng)和變形也會(huì)大大影響扇葉的氣動(dòng)性能[61]。HVLS風(fēng)扇的葉片比傳統(tǒng)吊扇的葉片較長，因此在承受振動(dòng)的情況運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生較大的疲勞載荷。為了減少扇葉振動(dòng)對(duì)HVLS風(fēng)扇產(chǎn)生的影響，主要應(yīng)對(duì)葉尖小翼和葉片材料兩個(gè)因素展開進(jìn)一步的研究。

對(duì)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(dòng)效率，提高HVLS風(fēng)扇的性能，而且能降低噪聲[62-64]，減少振動(dòng)[64]。但從現(xiàn)有的研究結(jié)果來看，人們?cè)贖VLS風(fēng)扇領(lǐng)域中對(duì)小翼的研究尚不十分完善。若部分葉片的小翼設(shè)計(jì)不當(dāng)，反而會(huì)應(yīng)使風(fēng)扇的性能下降，設(shè)計(jì)人員需要進(jìn)一步了解小翼對(duì)于HVLS風(fēng)扇的特殊影響。

扇葉的材料對(duì)扇葉的強(qiáng)度具有重要的影響，進(jìn)而會(huì)影響到扇葉的振動(dòng)大小。但從前面的研究結(jié)果可以看出，現(xiàn)有對(duì)扇葉材料的研究大多集中在扇葉送風(fēng)性能上，對(duì)其振動(dòng)影響的研究非常之少。復(fù)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(fù)合材料葉片與金屬葉片的振動(dòng)與載荷情況進(jìn)行研究[64]。HVLS風(fēng)扇扇葉可以考慮使用新型材料，這將是HVLS的一個(gè)重要的研究方向。

扇葉與風(fēng)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(gè)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(dá)到減振減噪的作用。但該研究并未對(duì)其設(shè)計(jì)的機(jī)理作深入的分析和實(shí)驗(yàn)，缺乏科學(xué)的數(shù)據(jù)，今后可以在這方面進(jìn)一步研究。對(duì)于影響扇葉性能的扇葉剛度和振動(dòng)頻率的研究，目前均未見到公開發(fā)表的文獻(xiàn)。這是未來的一個(gè)不可忽視的研究方向。

4）夏季HVLS風(fēng)扇對(duì)高大空間溫度分層的影響研究

HVLS風(fēng)扇在使用時(shí)，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(duì)冬季而言是有益的，但在夏季反而會(huì)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(dāng)?shù)跎冗\(yùn)行時(shí)，風(fēng)扇會(huì)將空間上方較熱的空氣帶到人們的活動(dòng)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(duì)HVLS風(fēng)扇進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其吸入的空氣盡量來自活動(dòng)區(qū)域，減少HVLS風(fēng)扇在夏季對(duì)溫度分層的消除作用，變成為使HVLS風(fēng)扇的作用效果更優(yōu)的一個(gè)重要的研究內(nèi)容。

6 結(jié)論

HVLS風(fēng)扇從上世紀(jì)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(chǎng)的認(rèn)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(fèi)用，顯著降低空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行成本。國內(nèi)外許多學(xué)者和工程技術(shù)人員已經(jīng)對(duì)該類型風(fēng)扇的各方面性能有一定的研究，但仍有許多科學(xué)和技術(shù)問題，需要進(jìn)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(xiàn)。