曳引速度对带导流罩电梯气动性能的影响研究

张　俊,张　璐,李晓五,韩振铎（中国矿业大学　机电工程学院,江苏　徐州221116）



曳引速度对带导流罩电梯气动性能的影响研究

张俊,张璐,李晓五,韩振铎
（中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州221116）

摘 要：为了探究不同曳引速度下加装椭圆导流罩超高速电梯的振动和噪声状况，通过ANSYS Fluent软件开展了曳引速度分别为6 m/s、12 m/s和18 m/s时加装椭圆导流罩电梯的空气动力学分析，揭示了曳引速度对电梯轿厢受到空气阻力、轿厢表面静压和速度分布的影响规律。结果表明，电梯轿厢表面静压随曳引速度的增加成平方倍增加，轿厢表面空气流速与曳引速度成正比关系；当电梯速度较小时，加装椭圆导流罩对改善气动特性效果较好，而当电梯速度达到10 m/s以上时，椭圆导流罩未能使电梯气动性能达到较优效果。

关键词：超高速电梯；空气动力学；椭圆导流罩；曳引速度；数值模拟

0　引言

随着中国经济的发展和城市建设的推进，城市人口分布也越来越密集，高层、超高层建筑在各大、中城市拔地而起，而高速（V＞2 m/s）和超高速（V＞5 m/s）电梯是必不可少的垂直运输设备[1]，例如828 m迪拜塔电梯速度高达17.4 m/s；632 m上海中心大厦电梯速度高达18 m/s。然而，随着电梯运行速度的提高，振动以及噪声也同时加剧，极大地影响了乘客的舒适感。其中，较为重要的影响因素之一是电梯气体动力学（气动）问题[2,3]。由于普通电梯运行速度较低，井道内气流对轿厢的影响较小，因此电梯的气动问题一直没能得到人们的重视。但随着高速、超高速电梯的出现，电梯的运行速度迅速提高。当电梯在狭长的井道内高速上下运行时，气体瞬间被急剧压缩，同时轿厢与井道间的狭缝处气体流动面积突然减小，因此气体与轿厢间相互作用产生气动噪声[4]；另外在轿厢的底部附近由于轿厢的遮挡，空气流速很小，气流会形成涡流区，该涡流区在轿厢底部呈周期性的摆动和脱落，直接影响到厢体的振动和受到的气动阻力。所以，这些气动引起的噪声和轿厢振动不但影响到乘坐舒适感，而且对电梯运行安全造成严重威胁[5]。

近年来，国内外学者开展了高速电梯的空气动力学研究。针对气流对电梯噪声和振动的影响方面，Nai和Forsythe[6]提到电梯气动噪声的大小与绕过电梯表面气流速度的5次到6次方成正比；So等[7]建立了井道内高速电梯的绕流场数学模型，通过理论建模分析了井道内气压的变化对电梯轿厢内噪音的影响；Zhu等[8]建立了运动缆绳的线性横向动力学模型，分析了不同提升工况下气流对缆绳受力的影响。在噪声控制方面，Landaluze等[9]采用主动噪声控制方法降低了电梯内大部分区域的低频噪声；In-Hyung等[10]采用改良的主动噪声控制方法在降低轿厢内频率低于500Hz的噪音取得显著效果。陆志华和王水来[11]从空气传声和固体传声两方面探讨了隔声降噪的措施。为解决电梯气动问题，国内外学者对电梯的结构外形进行了优化。段颖等[12]设计建成一套简化高速电梯气动特性实验设备，实现多种状态下的实验模拟，获得了绕箱体存在复杂非定常的涡流动，头部基本不分离，不同形状的影响不大；尾部分离情况不同，平头与其它形状有明显区别的结论；杨小峰[13]等通过计算流体力学方法发现椭圆形的前后缘结构设计能够降低抑制气动噪声。 李晓东和王凯[5]采用数值计算模拟方法，对单井道电梯进行数值计算和优化，得出1 m和1.4 m高的椭圆型导流罩对于轿厢气动特性的优化有突出效果。然而，目前针对不同曳引速度下加装导流罩电梯轿厢的气动性能研究尚未见报道。

因此，本文利用计算流体力学软件Fluent模拟对比分析了加装椭圆形导流罩前后超高速电梯的空气动力学特性，探讨了不同曳引速度（6 m/s、12 m/s和18 m/s）对带椭圆形导流罩电梯气动性能的影响规律。

1　电梯气体动力学建模

1.1无导流罩电梯气体动力学模型

表1　电梯井道参数和电梯轿厢参数

选取典型的电梯井道参数和轿厢参数，如表1所示。电梯包括轿厢、曳引系统、对重系统、导轨导靴、轿架等，为简化结构建模和网格划分，仅保留轿厢关键部件，忽略其他次要结构，构建井道中电梯轿厢的空气动力学模型，如图1所示。在实际运行过程中，轿厢在井道中上、下运动，为模拟计算方便，将电梯轿厢静止在井道中某位置处，空气以轿厢运行速度按照与轿厢运动相反方向流动，该方法仅影响空气与井道壁的相对流动，而对轿厢和空气之间的气动作用影响不大[5]。

1.2气体动力学模型验证

当无导流罩电梯向上运行速度为6 m/s时，通过空气动力学分析能够得到电梯的静压力和速度分布图以及沿井筒方向（Z向）受力情况。为研究方便，获得轿厢的XZ、YZ对称面静压力和速度分布，如图2所示。由图2a和b可知，轿厢表面静压沿XZ面呈对称分布。当气流到达轿厢顶部时受到阻滞，造成轿厢顶部呈半圆状分布的高静压区，而且越靠近轿厢顶壁处静压越大，贴近轿厢顶壁处静压可达179 Pa；当气流刚进入轿厢与井道间狭缝处时，等压线分布较密集，静压下降很快；狭小的轿厢-井 道间隙和空气的粘滞作用使得空气得不到足够回流[4]，进而导致导致轿厢侧面及底部区域的负压区，最大负压可达-181 Pa。轿厢顶部高正压区和轿厢底部低负压区导致轿厢上下的静压差，进而导致轿厢的压差阻力[2,12]。沿Z向的轿厢压差阻力和粘滞阻力分别为429.26 N和22 N，故轿厢主要受到压差阻力的作用。

由图2c和d发现，在轿厢顶部中间位置，气流因受到阻滞作用流速几乎为零；而当气流刚进入轿厢与井道狭缝处时，气流流速迅速增加；在轿厢底部，存在较大涡流区，这是因为气流由较高速度从电梯轿厢与井道壁间的狭缝内射出，而电梯轿厢底部附近区域由于受到轿厢的阻挡，空气流速很小，便形成了涡流区[5]。该涡流区将呈周期性的摆动，轻微振动的电梯结构会与气流相互作用并从中吸收能量，从而使电梯振动的幅度不断被放大，进而影响电梯的乘坐舒适性及其安全可靠性[4]。轿厢周围气流最大流速为19.3 m/s，且速度和静压沿XZ面呈对称分布，在空气刚进入轿厢与井道间狭缝处等压线分布密集、速度迅速增加，这些结果与前人研究获得的结果一致[5]，说明所建空气动力学模型的有效性。

1.3带椭圆导流罩电梯轿厢气体动力学行为

通过对无导流罩电梯的模拟计算，发现电梯运行时轿厢上下存在静压差导致轿厢Z向受到较大阻力，且轿厢底部存在较大涡流区，这对电梯乘坐的舒适性及安全性有较大影响，因此需对电梯轿厢的外形进行优化，加装椭圆导流罩可以使气流经过轿厢表面更为顺畅，从而减小轿厢上下静压差以及轿厢底部涡流区，是一种有效的电梯减振降噪优化方式[5,13,14]。构建带椭圆形导流罩电梯轿厢空气动力学模型，如图3所示。导流罩为两个截面为半椭圆形、轴线互相垂直的柱体相交部分，柱体方程别为x2/0.64 +z2/0.36=1、x2/0.5625+z2/0.36=1，其中z≥0。

图4为运行速度6 m/s时带椭圆导流罩电梯轿厢XZ对称面的静压力、速度分布图。由图4a发现，加装椭圆导流罩后电梯轿厢表面最大静压由183 Pa降至140 Pa；与无导流罩轿厢相比，底部负压区不再有明显负压区且轿厢表面最大负压有-181 Pa降至-22.7 Pa，而且轿厢上、下表面的静压差有效减小，沿Z向轿厢总阻力由451 N降至120 N。由图4b发现，加装椭圆导流罩轿厢表面气流流速最大为15.1 m/s，较未加导流罩情况最大气流流速低4.2 m/s，依据电梯气动噪声与绕过电梯表面气流速度的5次到6次方成正比[6]，可知加装椭圆导流罩能够有效地改善电梯的气动噪声；同时，加装椭圆导流罩后轿厢底部不再有明显的涡流区，提高了电梯的稳定性[4]。所以，在电梯轿厢上加装椭圆导流罩，不但能有效降低电梯的气动噪声，而且能够提高电梯运行的稳定性和舒适性。

1.4空气流速对加椭圆导流罩电梯轿厢XZ对称面静压的影响

当空气相对于电梯轿厢以6 m/s、12 m/s和18 m/s的流速流动时，通过空气动力学模拟计算获得如图5所示的静压力分布图（XZ对称面）。由图可知，在流速分别为6 m/s、12 m/s和18 m/s时，最大静压分别为140 Pa、557 Pa和1250 Pa，轿厢沿Z向受力分别为120.68 N、469.24 N、1040.54 N。随着流速的增加，轿厢上部最大静压、轿厢两侧负压绝对值、上下表面静压差以及沿Z向受力均增大。随着气流流速的增加，轿厢与气流的相对流速随之增加，因此轿厢表面静压的绝对值也增加[15]。对照图5a、b和c三图的相同位置静压值发现，轿厢顶部和底部同一位置静压满足1:4:9的比例关系，因此轿厢顶部与底部静压大小与空气进入井道速度大小（6 m/s、12 m/s、18 m/s）的二次方基本成正比。由于轿厢主要受压差阻力作用，而压差阻力由轿厢上下静压差产生，故轿厢沿Z向受力也与空气进入井道速度大小的二次方基本成正比。以6 m/s未加导流罩电梯气动特性为参考，电梯速度较小时加装椭圆导流罩轿厢受力较小，而速度达到10 m/s以上后轿厢受力仍较大，因此对于速度10 m/s以上电梯加装椭圆导流罩对减小轿厢的气动阻力效果不佳。

1.5空气流速对加椭圆导流罩电梯轿厢XZ对称面速度场的影响

图6为空气相对于电梯轿厢以6 m/s、12 m/s和18 m/s的流速流动时XZ对称面的速度分布图。由图6可知，在空气相对于电梯轿厢以6 m/s、12 m/s和18 m/s的流速流动时，空气流速均在轿厢与井道壁缝隙处最大，最大空气流速分别为15.1 m/s、39.2 m/s、45.3 m/s，因而，最大流速与空气进入井道速度的大小成正比；由电梯气动噪声与绕过电梯表面气流速度的5次到6次方成正比[6]可知，电梯速度达到10 m/s以上时轿厢表面气动噪声将急剧增加，仅加装椭圆导流罩对改善超高速电梯气动噪声效果效果欠佳。

2　结论

本文运用ANSYS Fluent软件对带椭圆导流罩超高速电梯开展空气动力学分析，得出以下结论：

（1）带椭圆导流罩电梯超高速运行时轿厢表面静压沿XZ面呈对称分布，轿厢顶部静压较大，侧面和底部存在负压区，轿厢顶部及底部等压线分布密集。随着电梯曳引速度增加电梯表面静压随之增加，静压大小与曳引速度大小的二次方成正比，由电梯上下静压差导致的电梯轿厢竖直方向受力与速度大小的二次方同样成正比。

（2）电梯高速运行时轿厢表面气流流速沿XZ面呈对称分布，气流流速在轿厢与井道狭缝处增至最大值。电梯高速运行时绕流过轿厢表面气流速度随电梯曳引速度增加而增大，且轿厢表面气流速度与曳引速度的大小成正比。

（3）电梯运行速度较小时，加装椭圆导流罩对改善电梯气动特性效果较优，而当电梯速度高于10 m/s时椭圆导流罩未能使电梯气动性能达到较优效果。

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