中国农史（Agricultural History of China) 2013.2

中国古代扇车类型考察与性能研究

黄 兴 潜 伟

（北京科技大学 冶金与材料史研究所，北京 100083）

【摘 要】西汉晚期以来中国传统扇车演化出开放式、半敞式和封闭式三大类型。应用计算流体力学软件进行数值模

拟，综合比较各类扇车的技术水平。 开放式扇车不能有效集中气流；半敞式扇车可以集中部分气流，但内部流场状况不

佳；封闭式扇车采用轴部进风，内部流场逐步改善，发展出近代类型。 对扇车的理解受到过水轮的启发，并有所超越。

【关键词】扇车；离心式；CFD；鼓风器

【中图分类号】S-09；K207 【文献标识码】A 【文章编号】1000-4459（2013）02-0024-14

A Study on the Types and Performance of the Winnowerin Ancient China

HUANG Xing QIAN Wei

（Institute of Historical Metallurgy and Materials, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083）

Abstract: Since late Han Dynasty, the traditional winnower in ancient China had developed into three

types: the open, the half-opened and the closed. The flow field was simulated by the software of computational

fluid dynamics （CFD）, the comprehensive comparison of technology level was done on winnowers. For the

open winnower, the flow could not be focused effectively. For the half-open winnower, some flow could be

focused, but the flow field was not well. For closed winnower, the flow was guided from the axis, whose field had

been optimized gradually. Thereafter, the modern winnower was developed from the last type, and the

knowledge of winnower was inspired from the water wheel, even surpassing it.

Key words: winnower；centrifugal；CFD；positive blower

扇车属于速度型离心式鼓风机械，主要用于粮食清选，也见于乘风纳凉和坑道供风等场所 1。扇车

内部气流复杂，不便直接观察，增加了古人的认知难度，自汉代以来形成过多种不同类型。其结构和性

能成为体现设计水平、影响自身发展的主要因素，也是今人研究古代农业机械技术的重要视角。从农业技术史角度对扇车的研究始于 20 世纪 30 年代，刘仙洲对扇车资料做了初步收录整理 2。

[收稿日期] 2012-10-08

[基金项目]中央高校基本科研业务费专项资金（FRF-TP-12-003B）；国家“指南针计划”（20110317）；北京科技大学博士科研基金（06102015）

[作者简介]黄 兴（1981－ ）男，北京科技大学冶金与材料史研究所博士研究生，主要研究方向为冶金技术史、近现代

技术史和传统工艺调查；潜伟（1972－ ）男，北京科技大学教授、博士生导师，主要研究方向为冶金技术

史、科学技术与社会、科学学与科技政策。

1 中国古代有多种应用离心原理的鼓风机械，各有称谓，如扬扇、风扇车；部分种类又有多种称谓，如风扇、风扇车、扬谷器、旋转风扇扬谷机。本文将其统称为扇车，小类用各自称谓。

2 刘仙洲：《中国机械工程史料》，（北平）国立清华大学出版事务所，1935 年，第 29－30 页。

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1960 年代末的出土文物将此时代上溯到了西汉末。1980 年代，张子文、张鸷忠、冯立昇等初步归纳了

扇车类型，做了简单的流体力学性能分析 1。1990 年代，张柏春、冯立昇与张治中（即张鸷忠）等调查测

绘了浙江、内蒙古等地的扇车 2。近年来，史晓雷对汉代扇车结构有了新的发现，与王星光、柴国生等对

王祯《农书》“扬扇”图作了新的解读，对部分扇车的结构和性能做了分析 3。对于扇车性能而言，叶轮设计和封装方式起着决定性影响，也反映了古人的认识水平。在这一角

度，已有研究初步形成了开放式、半敞式和封闭式三种分类提法，性能分析多依靠感官经验，无力发掘

更深层的技术问题。尽管在现有实物和文献的基础上，对扇车的类型体系及其关系的考察，还很难得

出结论。但这些资料已经显示出古代扇车具有丰富的类型结构，存在多样化子类型。这些结构对扇车

性能产生何种影响，反映了古人怎样的认识水平和设计思路，值得深入探讨。本文对已有资料开展进一步梳理，解析扇车的技术内涵，对研究扇车所采用的新方法展开试探。

具体工作是按比例推算或引用调查资料确定了各类扇车关键尺寸，应用计算流体力学（CDF）软件视

需求对扇车内不稳定流场进行二维或三维数值模拟 4 ，依据全区域流场图形、工作区域特征值（流速、动压），对鼓风过程（扇轮周围气流的产生）、清选能力（漏斗下方风力强弱）和工作效率（流场顺畅状况）进行综合考察评估，对前述问题展开探讨。

一、开放式扇车

中国古代开放式扇车只有扇叶，没有封装外壳，采用立轴转动，有两种子类型。一类是对开式扬（飏）扇，将两把扇子对称往复摆动清选粮食，目前仅得见于汉代文物。据统计，四

川成都、双流、泸州、绵阳、德阳、宜宾，山东滕县，江苏徐州等地共出土了 20 余件手持扬扇的汉代陶俑

或画像砖石 5 ，部分曾被认为是铡刀、筛子或容器。与四川彭山东汉墓舂米画像砖（图 1）相比较，可确

认是扬扇。对开式扬扇与其它扇车结构差别较大；但从原理和功用角度看，适宜视作扇车体系的一个

分支进行研究。对开式扬扇明显借鉴了扇子或门板。后两者出现得很早，具体时间尚不可考 6。西汉元帝（前 48－

前 33）时史游《急救篇》：“碓碨扇隤舂簸扬”7。史氏说称的“扇”用于粮食清选，不一定指扇车，也可能

指对开式扬扇。扬扇出现时间可能更早于此。

1 张子文：《中国风扇车的起源与发展》，《中国农史》1982 年第 2 期；张鸷忠：《中国风扇车小考》，《农业考古》1988

年第 2 期；冯立昇、张鸷忠：《中国古代在利用风力和产生人造风方面的发明与发展》，载《自然科学哲学的探索》，

内蒙古人民出版社，1983 年，第 265－285 页。2 张柏春、张治中、冯立昇等：《中国传统工艺全集·传统机械调查研究》，大象出版社，2006 年，第 164－176 页。3 史晓雷：《王祯〈农书〉中的“飏扇”新解》，《中国农史》2011 年第 3 期；王星光、柴国生：《中国古代足踏式风扇车考

释与复原》，《中国科技史杂志》2011 年第 4 期；柴国生：《中国古代风能利用研究》，郑州大学硕士学位论文，2007

年，第 42-44 页。4 CFD 假设流体不可压缩，并遵循质量、能量和动量守恒三个基本方程，应用半经验的“压力 - 速度”离散算法及湍

流模型，在流道和扇叶之间进行耦合，用迭代法进行模拟，完成多元非稳态运算，精确、直观地模拟流场状况。本

文用 Gambit 软件建立动、静混合网格模型，用 Fluent 软件进行迭代计算，采用 MRF 多重参考系统进行耦合，压力

速度离散采用 Sample 算法和 k-ε湍流模型。5 史晓雷：《汉代“扬扇”考辨》，《四川文物》2011 年第 4 期。6 西晋《古今注·舆服》：“五明扇，舜所作也”。有观点据此认为中国扇子出现于舜时代。此说显难成立。7 ［西汉］史游，［唐］颜师古，［南宋］王应麟：《急就篇》卷 3，（上海），涵芬楼，1922 年，24A.

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对开式扬扇流场相对简单，适合采用二维俯视模型进行模拟。设人像身高 1.7 米，推算扬扇宽 35

厘米，设扇摆动角速度 12.56 弧度 / 秒（相当于 120 转/分钟，这是笔者估测的人工长时间操作扇车的一般值）。本文模拟均用此值以便比较。

诚然，古人必不拘泥于固定尺寸和转速，工作区域特征值会是一个范围，单一转速模拟结果具有

代表意义。需要解释的是，因扇面结构、流场顺畅程度不同，各类扇车同转速下实际输入的功率是不同

的。该软件无法展开相同输入功率的模拟对比，且同类扇轮尺寸相差不大，输入功率相差也不大，工作

区域特征值具有一定的可比性。数值模拟的主要意义在于不同扇车间开展横向比较。气流分布和走向受扇车结构影响显著，输入

功率发生小范围的波动时基本没有变化。故此扇车流场状况最具可比性，可以比较出各类扇车的设计

思路和技术水平，是本文关注的主要方面。对开式扬扇模拟结果的速度矢量图（图 2）1 显示：对称摆动能在对称中线上实现局部气流定向集

中。扇沿处风速 3 米 / 秒，前方 0.5 米处风速降到约 1.3 米 / 秒。粮食倾倒在扇沿顶端处，可以有效分离

糠秕。另一类开放是扇车是轮扇。将扇子组装成扇轮连续转动鼓风，是很容易办到的事情。古代轮扇目

前发现有三种文献记载。据《西京杂记》记载，活动于西汉末年的丁缓“又作七轮扇，连七轮，大皆径丈，相连续，一人运之，

满堂寒颤”2。该书有一、二、六卷 3 种版本，并被其它古书广为转引。这些书对“七轮扇”尺寸的记载有两

种。据《西京杂记校注》考证，《殷芸小说》（南朝梁）、《太平广记》、《太平御览》、《续博物志》（宋）引《西京杂

记》皆作“径尺”3。现存《西京杂记》都是明本，多作“径丈”。有可能葛洪原本作“尺”，后人疑其太小，恐难

“满堂寒颤”，便写作“丈”。当然，“尺”、“丈”皆为概数，实际使用的扇轮尺寸并无定数，适用即可。

图 1 彭山汉墓舂米画像砖上的扬扇 4 图 2 对开式扬扇流场模拟（速度矢量图）

宋代《古今合璧事类备要》记载唐玄宗使用水力驱动的扇车纳凉：“毒暑方盛，上在凉殿，水激扇

车”5。《武经总要》记载用风扇车向地道中吹烟气（图 3）6。

1 速度矢量图中用箭头颜色表示起点气流速率绝对值，箭头长短表示起点速率在流场内比例，箭头方向表示起点

速度方向。2 ［晋］葛洪：《西京杂记》，中华书局据明程荣校《汉魏丛书》本排印，1985 年，第 8 页。3 ［汉］刘歆撰，(晋)葛洪集，向新阳、刘克任校：《西京杂记校注》，上海古籍出版社，1991 年，第 61 页。4 中国历史博物馆编：《中国历史博物馆》，文物出版社，1984 年，图版 118。5 ［南宋］谢维新：《古今合璧事类备要（前集卷十一）》，上海古籍出版社，1992 年，2B。6 ［宋］曾公亮、丁度：《武经总要全集》，解放军出版社、辽沈书社，《中国兵书集成》据明金陵书林刻本影印，1988

年，第 577 页。

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这三处文献记载的都是开放式扇车，空气向叶轮柱面外流，没有使之集中的装置。这类扇车未用

于粮食清选，但其工作原理与其它扇车相同，也是古人应用离心原理利用的一个例子。建立二维俯视模型对七轮扇进行模拟。依“尺”之说，设扇面径向长度为 0.3 米，扇柄长 0.2 米，转

速顺时针 120 转 / 分钟。模拟结果的速度矢量图显示（图 4），空气由轴向进入流场后，沿切线向四外流

动，扇轮边缘空气流速约 20 米 / 秒，距扇轴 5 米远处，流速降到 0.5 米 / 秒；空气动压在扇轮处相对较

高，250 帕以上，沿渐开线向周边迅速下降，1 米处降到 10 帕左右，5 米处也有风感。若依“丈”论，加大

驱动力保持此转速，性能当更强。模拟结果表明七轮扇适合开阔场所扇风纳凉。开放式扇车单纯用叶面鼓风，没有气流集中装置，也不考虑离心流场中的气流方向，表明人们对

离心原理的应用处于“扇动即有风，有风即可”的层面。

图 3 风扇车（《武经总要》） 图 4 七轮扇周边流场模拟（速度矢量图）

二、半敞式扇车

20 世纪 70 年代以来，在河南、山东、山西等中原地带出土了多件由陶扇车和陶米碓组成的粮食

加工作坊明器，时代为西汉末至东汉。这些陶扇车都安装了卧轴式扇轮，可以连续转动，利用了扇轮转

动惯量，节省人力；在轴两侧加装挡板，引导部分气流吹向粮食；轴部没有进风口，属于扇车的不成熟

类型。七轮扇与半敞式扇车最早的证据都在西汉末，究竟哪个更早，不好定论。但那时扇车已经广泛使

用，出现时间可能更早。陶扇车属陪葬明器模型，并非实用，但封装方式是明确的，扇轮设计也有例证。笔者注意到扇轮位

置变化会影响鼓风效果，将之分为两小类进行研究。第一小类共同特征扇轮高度处于箱壁中间，目前有 6 例考古发现。1971 年，河南洛阳东关旭升村东汉晚期墓出土 1 件带陶扇车的作坊明器（图 5、6）。高 18.5 厘米、

长 26 厘米、宽 22 厘米；陶扇车外形为长方体，上部有大型漏斗（也称高槛）；正面中下部，有长方形出

粮口；扇车一端是出糠口；另一端两壁上有圆形曲轴细孔，没有进风口，外侧、顶部没有挡板。扇轮、扇轴为发掘队根据《天工开物》复原 1。

1987 年 11 月，山西运城市芮城城南村东汉墓出土 4 件带有扇车的釉陶磨坊明器，形制基本相

1 余扶危、贺官保：《洛阳东关东汉殉人墓》，《文物》1973 年第 2 期。

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同。以较完整的 2 号作坊明器为例（图 7-9），扇车外形为长方体，通高 15.5 厘米、屋长 23.5 厘米、宽14.2 厘米，上部有漏斗，正下方有出粮口。扇车叶轮为陶制，有 6 个叶片和曲柄，扇轮顶部敞开 1。

美国奈尔逊美术馆藏 1 件汉代陶扇车作坊（图 10），有一碓、磨和扇车。扇车中部上方有一方形漏

斗；正下方有出粮口；漏斗一侧是扇轮，封闭在扇车内；另一侧是出糠秕口 2。

图 5 洛阳东关汉墓陶扇车与陶石碓 图 6 洛阳东关汉墓陶扇车与陶石碓结构剖面图

图 7 芮城城南村 2 号陶作坊 3 图 8 芮城城南村 2 号陶作坊扇车（俯视）4

图 9 芮城城南村 2 号陶作坊三视图 5 图 10 美国奈尔逊美术馆藏汉代陶扇车作坊

1 赵家有、李天影：《山西芮城出土风扇车模型》，《农业考古》1988 年第 2 期。2 Ross E. and McKenna, George L. Taggart. Handbook, Nelson Gallery of Art, Atkins Museum, Volume I, Kansas City, Uni-

versity Trustees, Missouri, 1959.V.II.p.75

3 陈文华：《农业考古图录》，江西科学技术出版社，1994 年，第 394 页。4 陈文华：《农业考古图录》，第 394 页。5 赵家有、李天影：《山西芮城出土风扇车模型》，《农业考古》1988 年第 2 期。

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这些扇车非关键部位的封装情况有些差异，如芮城城南村扇车出糠部分顶部未加盖板，出糠口在

车厢侧面；奈尔逊美术馆藏扇车出糠口也在侧面，扇轮上面没有开口，外侧箱壁可能是敞开的。这些差

异对扇车内气流方向有一些影响，但不是影响性能的主要方面。这类扇车内部流场较为杂乱，需要建立三维模型进行模拟。以洛阳东关扇车为例建立模型 （图

11），设扇车长 5 米，高 1.6 米，漏斗出口深入箱内；扇轮外端和顶端敞开，为进风口；轴部没有进风口；

叶轮直径 1.5 米，有 6 片扇叶 1 ；叶片与箱壁之间有较大空隙；转速 120 转 / 分钟。模拟结果的空气流线透视图 2（图 12）显示，顺时针转动时，扇轮内侧气流较强；逆时针转动则外

部气流较强，工作区域气流向下流动，不适合粮食清选，古人应该采用顺时针转动。此时，在扇轮上部

和外端，空气先沿箱壁与扇轮之间的空隙逆向流入扇轮轴部，再向扇车出口、上部和外侧三个方向流

出，气流很不顺畅，风力较弱；挡板内壁有空气回流；出糠口上部有空气从外侧流入；扇轮与漏斗之间

有涡流；有空气从叶轮口倒流，糠秕会被叶轮带到操作者一侧。整体看来，空气进出不顺畅，内部流场

杂乱，这种叶轮布局性能较差。漏斗下方工作区域特征值：气流速率 0.3~2.0 米 / 秒，动压 2~7 帕，与对开式扬扇性能相当，但会

节省一些人力。

图 11 洛阳东关类型扇车 Gambit 模型 图 12 洛阳旭升村类型扇车空气流场模拟（速度流线图）

第二类半敞式扇车顶部和外端也没有封闭，扇轮轴架在箱壁上沿，扇轮上半部分高出箱壁。此类

扇车目前有 2 例考古发现和 1 处文献记载。1985 年，山东临淄金岭镇 1 号东汉初明帝至章帝时期（公元 28－88 年）墓出土 1 件陶扇车与陶米

碓模型（图 13、14），泥质灰陶，通长 27.7 厘米、宽 19.5 厘米、通高 24 厘米。扇车呈长方形，中间上部有

一方形漏斗，扇轮端箱壁上缘有两个对称的圆形曲轴孔，但未见曲轴及风扇 3。2003 年，河南济源西窑头村 10 号西汉末期墓出土 1 件褐釉陶扇车与陶米碓（图 15、16）。陶扇车

边长 22.5 厘米、高 6.5 厘米，扇车箱体呈长方形，一端上方有矩形口，用于安置漏斗，箱壁内侧有一长

方形出粮口，正前方没有封闭，为秕糠出口。扇轮轴位于箱壁上缘外端，未见曲轴风扇 4。

1 芮城城南村扇车为 6 叶，叶数增多有利于气流稳定，洛阳东关陶扇车的复原有些不妥。2 半敞式扇车轮附近气流速率远高于箱内，速度矢量图扇轮部箭头太密；流线图只用颜色表示速率，线条和箭头表

示路径和方向，便于观察。3 山东省文物考古研究所：《山东临淄金岭镇一号东汉墓》，《考古学报》1999 年第 1 期，图版 12。4 李彩霞：《济源西窑头村 M10 出土陶塑器物赏析》，《中原文物》2010 年第 4 期。

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图 13 临淄金岭镇 1 号东汉墓陶米碓扇车 图 14 临淄金岭镇 1 号东汉墓陶米碓扇车结构图

图 15 济源西窑头村 10 号墓陶扇车 图 16 济源西窑头村 10 号墓陶扇车结构图

该类扇车的文献记载见于元代王祯《农书》“扬扇”目。该书有多种版本，诸本“扬扇”目文字相同，

配图有两种。据梳理，一种为半敞式扇车，见于多数现存明清本（图 17）1 及引用了该图的其它古籍（如《三才图会》、《农政全书》、《古今图书集成》、《授时通考》等）。此图扇轮轴架在箱壁上沿，扇轮上半部分

高出箱壁，属于第二小类半敞式扇车。另一种为封闭式，始见于清武英殿聚珍本，引见于民国农学报

本、万有文库本（图 18）2 等。史晓雷、王星光、柴国生等学者对该图的源流已有高论 3 ，但有些未尽之处。笔者综述如下，王祯

《农书》此段文字中讲到了“扬扇”和“扇车”两种机械，但明代以前版本只为“扬扇”配了图。清《授时通

考》引用“扬扇”目时，又撰文细述了“扇车”4 ，并为其配图；此时图、文尚未混淆。清聚珍本去掉了原来

的“扬扇”图，依据文字，结合当时的筒形封装式扇车绘制了新图，但标注为“扬扇”，将图文混淆；民国

的农学报本、万有文库本沿袭了此标注。史晓雷、王星光与柴国生都对半敞式“扬扇”图作了正确解读。该图中箱体采用俯视略倾斜的透视

1 ［元］王祯：《农书》，台湾商务印书馆影印文渊阁四库全书，1986 年，卷 16，9B。2 ［元］王祯：《农书》，（上海）商务印书馆，1937 年，第 289 页。3 史晓雷：《王祯〈农书〉中的“飏扇”新解》，《中国农史》2011 年第 3 期；王星光、柴国生：《中国古代足踏式风扇车考

释与复原》，《中国科技史杂志》2011 年第 4 期。4 王星光、柴国生认为《授时通考》“风扇车图说”的文字是“对古代风扇车的总结性文字”，实际该文字讲的只是封

装式风扇车；又认为王祯《农书》将“扬扇”作为“宋元风扇车统一称谓”，《授时通考》的增述有违《农书》本意。这似

乎有些绝对，《农书》表述有些模糊，可能将“扬扇”作为统一称谓，也可能单指半敞式扇车；《通考》所述并无不妥。两位学者将王祯《农书》“扬扇”定名为“足踏式风扇车”，突出了该扇车的驱动方式，本文从性能研究角度将其归

为半敞式。

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视角绘制，操作者采用平行透视视角绘制。扇轮两侧是箱板，两人之间的是漏斗。采用足踏绳索牵动鼓

风 1。诸版本半敞式“扬扇”图多有瑕疵，但保留了元代半敞式扇车原貌。“扬扇”图是王祯实地考察绘制，第二小类半敞式扇车至少沿用到了元代 2。明代新著文献只绘出

筒形封装扇车图形，未见新制半敞式扇车图形，诸本翻刻“扬扇”图多出现结构性错误，清聚珍本则照

当时扇车改绘；说明明代以后出书者对半敞式扇车已不甚了解，半敞式在明代已经少见。

图 17 王祯《农书》“扬扇”图（四库本）3 图 18 王祯《农书》“扬扇”图（万有文库本）

对第二小类扇车进行三维模拟，结构以临淄金陵镇扇车为例。设扇车长 4 米，高 1 米，漏斗伸入箱

内，设扇轮有 6 叶，直径 1.3 米，转速 120 转 / 分钟，扇轮外端和顶端敞开，轴部没有进风口（图 19）。模拟流线图（图 20）显示，顺时针转动时，空气可以从叶轮上部转轴附近顺畅补入；箱内工作区域下

部空气向出口平稳流动，上部仍然存在回流；流场整体顺畅稳定程度大为改观。轮轴提高后叶轮直径、边沿线速度都能增加，有利于提高空气流速。济源四窑头扇车将轴搭在边上，还可从扇车外侧补入空气。

漏斗下方工作区域气流有所增强，速度约 2~5 米 / 秒，动压 2~20 帕，鼓风效率有所提高。

图 19 临淄金陵镇类型扇车 Gambit 模型 图 20 临淄金陵镇扇车空气流场模拟（流线图）

1 足踏扇车的驱动方式，前辈学人的高论（见中国农业历史与文化网站）令笔者大受裨益。王星光与柴国生认为绳

索绕在曲柄上，踏拽绳索驱动扇轮转动，借助扇轮惯性自动反向卷绕，再踏拽绳索实现反向转动；史晓雷、曾雄生

认为绳索只套在曲柄上，踏拽绳索借助扇轮惯性连续转动。笔者浅见，若按前种方案，绳索只需绕轮轴上，不能盘

在曲柄上，否则不能连续转动；即使如此，气流稳定性也会较差。后一种方案气流较为稳定，可能更适用。2 北宋梅圣俞、王安石有咏“扬扇”诗，但不知其结构。“扬扇”与“扇车”称谓很可能会混用。3 现存诸本王祯《农书》“扬扇”图有明本和库本两系列。有学者倾向认为明本系忠实于原本《农书》，可惜无法证实；

言库本有改绘，却是与明本系比较得出的，无法确定是谁改绘。而库本源于永乐大典，可能参照了较好的底本，但

永乐大典本也见不到。从版本源流角度无法判定谁更接近原本。从内容观察，明本系绘图均有瑕疵；而四库本“扬

扇”图无结构错误、绳索连在曲柄上便于驱动、扇轮有 6 叶、没有画簸箕等，扬扇可操作性、画面内容都没问题，更

符合王祯本意。但从另外两桩“公案”，王祯《农书》“水排”“水击面罗”图传动装置看，明本、库本都有结构性错误，

或是祖本有误，或是翻印出错，即库本王祯《农书》并非尽善，只能就图论图。

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图 21 济源泗涧沟 24 号新莽墓陶扇车明器模型

（顾永杰供图）

图 22 济源泗涧沟 24 号新莽墓陶扇车 后 盖 组 装

接口及粘接痕迹（顾永杰供图）

第一小类的半场式扇车反映了制作者对离心鼓风原理的认识处于“扇动即可鼓风”、“箱壁可以导

风”的层面。第二小类有所改进，用叶轮定向拨动空气（其意图与近代明轮船的划水方式相同），有意识

地控制箱内气流产生方向；但扇车整体都浸在空气中，此种方式会在上部造成空气回流。这两类半敞

式扇车反映出古人对离心式鼓风器进气渠道理解不足，致使气流进入不畅，扇叶周围的高速气流不能

有效释放，鼓风能力有限；这种理解还造成封装方式不符合流场走向；所谓集中气流，实际上是截取了

部分气流。半敞式类型属于扇车发明初期的一种原始形态。

三、封闭式扇车

封闭式扇车是中国古代扇车的较先进类型，共同特征是轴部有进风口，扇轮柱面方向有效密闭。出土文物显示此类扇车至迟在新莽时已经出现，沿用到现代。笔者依据封装方式将其分为三种子类型

进行研究。第一种子类型的共同特征是采用方形箱体，共有 3 例考古发现。1969 年，河南济源县泗涧沟 8 号西汉成帝至新莽墓、24 号新莽墓各出土 1 件陶扇车和陶米碓组

合明器模型。考古发掘简报只提供了 24 号墓陶扇车（图 21）的资料 1 ；其侧面为多边形；车箱中部有方

形漏斗，下方有窄缝启门和有方形出米口；漏斗右侧扇轮周围是梯形箱体，后侧开放；箱壁一侧扇轮位

置有圆形进风口；风扇和曲轴为复原品；进风口旁边有一个立俑，双手前伸作摇扇车状；漏斗左侧为三

角形空箱盛谷糠，车箱前部为出风口。8 号墓扇车未作详细介绍，可能与 24 号墓相同。发掘简报配发照片视角受限，早期研究文献误认为 24 号新莽墓陶扇车为封闭式 2 ；新拍摄照片显

示后端箱壁是敞开的（图 22），史晓雷认为这种扇车属于半敞式 3。

笔者认为该扇车明器后端有封盖，但脱落丢失了，应该属于封闭式。理由有两方面，第一，从道理

分析，扇轮轴向开口、顶部封闭，表现出制作者已经认识到了离心式鼓风的空气走向；后端敞开与制作

者的理解水平不符；数值模拟显示，后端敞开会严重漏风，前方气流明显减弱；实际使用中，古人将之

堵住是自然的。第二，据实物观察，扇轮已经朽掉，证明是木制的，只能在模型烧成后安装；扇轮外径大

于轴部圆孔，需要将箱壁开口；安装扇轮后再用稀泥粘接后封盖，粘接后也不能烧制。后视图显示箱顶

1 河南省博物馆：《济源泗涧沟三座汉墓的发掘》，《文物》1973 年第 2 期。2 张鸷忠：《中国风扇车小考》，《农业考古》1988 年第 2 期；张柏春、冯立昇、张治中等：《传统机械调查研究》，大象

出版社，2004 年，第 164 页

3 史晓雷：《王祯〈农书〉中的“扬扇”新解》，《中国农史》2011 年第 3 期。

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图 23 济源泗涧沟陶扇车空气流场模拟

（速度矢量图-顺时针）

图 24 济源泗涧沟陶扇车空气流场模拟

（速度矢量图-逆时针）

后沿有内凹形状、箱底内部有粘接泥块残余（图 22），表示后端曾经有封闭物。考古发掘发现墓穴内经

历过水流冲浸，陪葬品位置凌乱。封盖很可能脱落丢失，造成现在的状况。此外，米碓部件能直接取下，

也说明此陶模型采用分别烧制后再粘接的办法；且粘接不牢，容易脱落。1982 年河南南阳市博物馆在南阳市东郊征集到一件西汉时代的灰陶扇车模型，呈长方体斜坡

形，全长 46.5 厘米、宽 22 厘米，一头为进谷口，另一头可能为出糠口。有资料称其与济源出土扇车外

形接近，比较简略概括。 1

可惜该类型扇车只有济源泗涧沟模型图片资料，其它 2 例陶扇车的确切结构无法了解。此类扇车轴部有进风口，箱壁内流场沿扇车轴方向不会有逆向气流，对扇车侧视中剖面进行二维

模拟即可。以济源泗涧沟 24 号墓陶扇车为例，设扇车漏斗高 1.70 米，底边长 3.70 米，漏斗进入箱内，进风口

直径 30 厘米；扇轮直径 90 厘米，有 6 幅叶片，内沿与进风口边缘平齐；转速 120 转 / 分钟。模拟结果显示，顺时针转动时（图 23），扇轮周围的高速气体从扇车底部释放，风力较强；扇轮上

部有明显漩涡和乱流，影响鼓风效率；漏斗正下方气流方向不定；糠秕收集区上方有空气漩涡；扇车底

部风速 5.5-6.0 米 / 秒，空气动压 7-13 帕。逆时针转动时（图 24），扇轮附近高速气流从漏斗口处斜下

流出，相对平稳顺畅；糠秕收集区上方漩涡明显；漏斗下方风速 3.0-3.7 米 / 秒，动压 6.5-7.0 帕。古人

会根据使用效果选择转动方向和速度；若现存文物扇风陶俑摆放正确，则古人采用逆时针鼓风。此外，

车厢出风口一侧设计成三角形，减小了出风口面积，外侧空气不会倒流进入箱内 2 ；箱壁内型不顺应气

流走向，角落出现小漩涡对鼓风效率产生负面影响。总体看来，济源泗涧沟类型扇车采用轴部进风是一个重大进步，性能和效率优于汉代其它类型扇

车；但制作者对优化扇车内型，改善流场布局还没有意识。

第二类封闭式扇车的共同特征是采用筒形封装，木质结构，可以移动 3。古代有些文字记载可能指此类扇车，如《急就篇》唐颜师古注：“扇，扇车也”；王祯《农书》：“又有舁

之场圃间用之者，谓之扇车”。颜注所指扇车可能是木封装可移动式，也可能是半敞式，甚至是敞开式；

王祯《农书》所指扇车为此类型的可能性较大。已发现的最早图形是由史晓雷首先提出的，见于明代《顾氏画谱》（1603，万历三十一年）。书中收

1 李桂阁：《从出土文物看两汉南阳地区的农业》，《农业考古》2001 年第 3 期。2 史晓雷认为此扇车缩小出口会导致排风不畅。从模拟结果看，适度缩小还是有利的。3 出土文物显示扇车箱体很可能是固定式的，不可移动，很可能是砖砌。

中国古代扇车类型考察与性能研究

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录明代杜堇一幅画，其中有一筒形封装风扇车（图 25）1。史晓雷认为该扇车具有双出粮口（另一处在扇车底部），可以实现三级清选。《天工开物》1、《授时通考》3 也记载筒形扇车清选粮食。《滇南矿厂图

略》记载用筒形扇车为矿井通风（图 26）4。现代学者对此类扇车做了很多调查，刘仙洲、徐艺乙、田村

真吾等人 20 世纪 50 年代的著作中介绍了山东、山西、河北等地的扇车；张柏春、冯立昇、张治中和皇

小龙等人 90 年代在浙江、内蒙古等地调查测绘了多台扇车，做了初步流体力学分析 5。筒形封闭式扇车子类型较多。功能方面，有出粮口数量、启门控制方式、扇轮驱动方式等差异；性

能方面，主要是径向、切向出风的区别，这是本文的关注点。径向出风扇车出现较早，各地扇车多数是这种形态，是中国传统扇车的典型代表。张柏春、冯立昇

测绘了浙江开化县华埠镇华民村水碓作坊扇车，其结构、尺寸与《天工开物》记载相似（图 27）。根据他

们的测绘资料（图 28）对此扇车的侧视中剖面进行二维模拟。扇车内径 108 厘米，进风口直径 30 厘

米，扇叶长 39 厘米；扇轮内沿与进风口沿齐平 6。设转速 120 转 / 分钟，转动方向逆时针。

图 25 《顾氏图谱》扇车 图 26 《滇南矿厂图略》矿用扇车 图 27 华埠镇华民村水碓作坊扇车

图 28 开化镇华民村扇车结构图 图 29 扇车内部风速分布（速度矢量图）

模拟结果的速度矢量图（图 29）显示筒形内型顺应了气流方向，气流顺畅、稳定，没有漩涡，支持

1 郑振铎：《中国版画丛刊（3）》，上海古籍出版社，1988 年，第 507 页。2 ［明］宋应星：《天工开物》，载：《中国科学技术典籍通汇·综合卷（五）》，河南教育出版社，1994 年，第 781 页。3 ［清］鄂尔泰、张廷玉等：《钦定授时通考》卷 40，台湾商务印书馆影印文渊阁四库全书，18A-19B。4 吴其濬：《滇南矿厂图略》，载华觉明：《中国科学技术典籍通汇·技术卷（一）》，河南教育出版社，1994 年，第 1131、

1129 页。5 张柏春、张治中、冯立昇等：《中国传统工艺全集·传统机械调查研究》，大象出版社，2006 年，第 163-176 页。6 张柏春、张治中、冯立昇等：《中国传统工艺全集·传统机械调查研究》，大象出版社，2006 年，第 164-165 页。

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了张鸷忠、张柏春等关于筒形封装没有拐角，不会出现漩涡，有利于提高鼓风效率的观点 1。此外，与济

源泗涧沟扇车进行对比，可以发现筒形封装还有一个作用，它将气流形成区、工作区分离开来，使其具

有独立空间，又引导气流集中释放，漏斗下方工作域特征值可达到风速 13 米 / 秒，动压 120 帕，高于

扇轮区域。其鼓风性能、气流利用率明显优于济源泗涧沟类型；但出风口方向与此处气体流向不符，会

有负面影响。筒形封装是扇车封装设计上的又一重大进步，显示古人对控制扇车内型，改善流畅分布

有了较深理解。切向出风扇车最早见于清代，古文献中未见记载。田村真吾、冯立昇与张治中调查的山西太原晋

祠镇、河北张家口、内蒙古呼和浩特罗家营黑土凹村（图 30）等地制作于清末至 20 世纪 40 年代的扇

车均属此类 2。此类扇车出风口方向顺应了气流走向，细部结构上采取了一些特殊设计。以张治中、皇小龙测绘的呼和浩特黑土凹村扇车数据为例（图 31），对扇车中剖面进行二维模拟。

扇壁半径 51.2 厘米，进风口半径 25 厘米，扇轮半径 50.0 厘米，扇叶长 25.0 厘米，出风口高 13.4 厘米。细部特殊设计有：扇叶内沿厚 0.3 厘米，外沿厚 2.5 厘米，顶端迎风面为内凹状；出风口下沿内壁有锯

齿状结构。设扇轮转速为逆时针 120 转 / 分钟。

图 30 呼和浩特黑土凹扇车 图 31 呼和浩特黑土凹扇车

图 32 呼和浩特黑土凹扇车内部流场模拟（速度矢量图） 图 33 出风口下沿与扇叶之间的风幕（湍流强度图）

模拟结果的速度矢量图（图 32）显示扇车内部气流顺畅、稳定，在出风口气流沿切向自然释放，气

流充裕、稳定，方向倾斜向上，可以将糠秕向上斜抛远离扇车，清选效果较好。由于没有出风管道的集

中，气流速度未超过箱内最高值，但流域较为宽广，可能更为实用。启门下方气流速率 12-14 米 / 秒，

1 张柏春、张治中、冯立昇等：《中国传统工艺全集·传统机械调查研究》，大象出版社，2006 年，第 164 页。2 田村真吾：《北支の农具关すゐ调查》，华北产业科学研究所、华北农事试验场，1942 年，第 66-69 页；张柏春、张

治中、冯立昇等：《中国传统工艺全集·传统机械调查研究》，大象出版社，2006 年，第 167-174 页。

中国古代扇车类型考察与性能研究

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动压 110-130 帕。这对于粮食清选可能有些高了，操作者会调整转速。张柏春等已经指出叶轮顶端前高后低可以较小外缘气流对扇叶的阻力，内凹结构的作用类似于

现代风机向前叶片顶部形状效果，可有效提高气流动压；出风口下沿内壁的锯齿设计可以造成风幕，

阻止上方气流下行，防止车内形成环流，避免车外气流逆行进入 1。模拟结果对第一种作用表现不够；

但湍流强度图（图 33）显示锯齿箱壁周围出现少量湍流，形成风幕，有力支持了第二个观点。切向出口扇车扇轮设计和封转方式适应了空气流场，反映出人们对离心原理、扇车内型优化有了

充分认识，并实现了有效控制。这类扇车成为中国传统扇车的最先进形态。但此类扇车具备多项近代

风机特征，且已知实例都制作于晚清以后，是否吸收了西方风机技术，有待深入探讨。西方离心式鼓风器出现较晚。已知资料最早见于 De Re Metallica（1556，Georgius Agricola），记载了

方形和筒形封装 4 叶扇车 2。此类扇车的进气孔、出气孔都位于箱壁外缘，转轴和外壳也不是偏心的，

不能形成有效气流。李约瑟认为这种鼓风器的工作效率必定很低 3。笔者另文的数值模拟也反映此种

鼓风器无法鼓风。笔者比对了该书的 1556 年、1641 年拉丁文本和 1912 年、1950 年的英文本，发现插

图完全一致，可见这种结构不是再版误差。De Re Metallica 中的扇车可能未实际使用过，也可能未依据

实物绘制。有文献提到后来欧洲农业领域使用的扇车是 18 世纪初由船员和传教士从中国带回的，后

演变为近代离心式风机。

四、结 语

本文通过数值模拟清晰展现了扇车内流场，定量计算结果和综合评价充分体现了中国古代扇车

的技术内涵，以及古人在离心原理方面认识的过程。对于粮食清选，扇车气流并非越强越好，需控制在适当范围。数值模拟反映汉代出现的三类扇车

性能差异不是很明显。各类扇车操作适当都可以有效清选粮食，只是效率高低、使用便捷程度不同。扇

车属于大型高效的粮食清选工具，适用于大量粮食清选，且出土明器都将陶扇车与石碓、石磨组合起

来陪葬，都显示扇车适合地主、富户所有，数量需求并不高；使用更多的是简易的簸箕、木锨、飏篮。这会

造成扇车技术交流不多，也是各类扇车共存的因素之一。汉代以后，发展空间大的封装式扇车逐渐演化

为近代形态；半敞式扇车也曾占有一席之地。这种结构多样、优劣并存正是技术存在方式的普遍特征之

一。但扇车性能和效率差异反映出了古代离心机械设计水平，这是本文开展对比研究的主要内容。数值模拟表现出的深度细节还有助于我们开展技术横向比较。扇车与水力机械都属于流体工作

类机械，原理和设计多有相通之处。但水流更为直观，更容易为扇车提供启发。特别是第二小类半敞式

扇车的工作意图与立式（卧轴）下射水轮正好相反。而此类水轮很可能起于西汉末 4。尽管当时已经出

现了封闭式扇车，但此小类扇车还是沿用到了元代。源于水轮的强烈印象让古人对此种鼓风方式的合

理性始终深以为然。封装式扇车采用轴向进风，表明对离心力作用下气体流动路径有了正确认识，特

别是济源泗涧沟类型显然超越了古人从水轮上获得的经验，实属超前。但此类扇车之后的确切资料至

1 张柏春、张治中、冯立昇等：《中国传统工艺全集·传统机械调查研究》，大象出版社，2006 年，第 173 页。2 Georgius Agricola. De Re Metallica [M]. Cum Priuilegio Imperatoris in annos v. & Galliarum Regis ad Sexennium,1556:

162-165.

3 ［英］李约瑟等著：《中国科学技术史》第 4 卷第 2 分册，鲍国宝等译，科学出版社、上海古籍出版社，1999 年，第

169 页。4 张柏春：《中国传统水轮及其驱动机械》，《自然科学史研究》1994 年第 2 期。

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明代才得见，期间的演化过程尚属未知。筒形封装适应了气体流动，笔者学浅，尚未发现与其高度相似

的古代水力机构。古人可能从桶形容器、水流漩涡中得到感性认识，加以长期摸索得到经验。扇车没有往复运动构件，转轴处摩擦阻力可以控制得很小，现代离心风机内部机械效率可以达到

很高。前辈研究者曾为中国古代扇车未能应用于冶金鼓风而惋惜 1。本文的工作可以部分解答这个问

题。冶金鼓风需要较高的气压和适合的流量，要求古代扇车能够高速运转、集中供风。然而能有效集中气

流的筒形封装扇车始见于明代；中国古代齿轮精度不高，只能用于低速传动；皮带提速民国才出现 2。古

代冶金鼓风器如皮囊、木扇和风箱属于容积型活塞式结构，很容易就能产生千帕级高压，非常适用。所

以古代扇车不适合冶金场所，只能向大型化、高排气量方向演化，用于粮食清选、乘风纳凉、矿井通风

等场合。

[关晓武副研究员、史晓雷博士对本文多有赐教，顾永杰博士提供了部分清晰图片，一并致谢。 ]

[ 参 考 文 献 ]

[1] 张子文 . 中国风扇车的起源与发展[J] . 中国农史，1982，（2）．

[2] 张鸷忠 . 中国风扇车小考[J] . 农业考古，1988，（2）．

[3] 冯立昇，张鸷忠 . 中国古代在利用风力和产生人造风方面的发明与发展[A] . 自然科学哲学的探索[C] . 呼和浩特：内

蒙古人民出版社，1983．

[4] 史晓雷 . 汉代“扬扇”考辨[J] . 四川文物，2011，（4）．

[5] 史晓雷 . 王祯《农书》中的“飏扇”新解[J] . 中国农史，2011，（3）．

[6] 王星光，柴国生 . 风能在中国古代农业中的利用[J] . 农业考古，2007，（4）．

[7] 王星光，柴国生 . 中国古代足踏式风扇车考释与复原[J] . 中国科技史杂志，2011，（4）．

[8] 柴国生 . 中国古代风能利用研究[D] . 郑州：郑州大学，2007．

[9] 张柏春，冯立昇，张治中，等 . 中国传统工艺全集·传统机械调查研究[M] . 郑州：大象出版社，2006．

1 冯立昇、张鸷忠：《中国古代在利用风力和产生人造风方面的发明与发展》，载《自然科学哲学的探索》，内蒙古人

民出版社，1983 年，第 282 页。2 民国时期，东北出现过用皮带轮加速的手摇离心式鼓风机；1958 年，河南、甘肃、四川、湖北和云南某些地方的离

心式风机鼓风炼铁，用人力、蓄力和水力驱动，用皮带轮和齿轮组加速，风机转速可达到 1700n/min。风压大为提

高，能够用于金属冶炼等场合。

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