超高速电梯运行井道间隙动力特性计算分析和研究

王帅

摘 要： 本文通过对高速电梯井道内的通风流道进行数值模拟研究，分析了电梯运行速度为8 m/s井道内的流动分布情况，并比较了轿厢与井道壁之间间距对电梯阻力的影响。得出的主要结论如下：电梯轿厢与井道壁之间的间隙对轿厢的气动阻力有影响。最后，作者根据电梯井道的流动情况，对电梯电梯与井道壁间隙的距离提出了相应的设计建议。

关键词：高速电梯;井道气流;噪音

1、概述

随着我国经济迅速发展，城镇化进程日益完善。由于土地空间有限，各地摩天大楼如雨后春笋，拔地而起。对于超高层建筑物，如果采用传统的低速电梯，会大大增加上下电梯时间，并且长时间在封闭空间运行，会造成电梯内乘客的不适感。因此，高速电梯对于高层以及超高层建筑必不可少。

通常，电梯按照运行速度可以分为低速电梯（<1m/s）、中速电梯（1～2.5m/s）、高速电梯（2.5～6m/s）和超高速电梯（>6m/s）。对于中低速电梯，由于运行速度较低，气动阻力基本可以忽略。对于超高速电梯，在井道运行中，由于气体被急剧压缩，气动阻力增大。并且电梯轿厢与井道缝隙之间的气体流动速度也会急剧增加，增大了轿厢的气动阻力。因此，研究高速电梯气动特性对于改善运行，节能降噪具有重要意义。

传统高速电梯的研究主要采用实验的方法，需要搭建试验塔，试验周期长，成本较高，只有少数大公司才能进行这样的实验。随着CFD技术的发展，由于其成本低、周期短等特点，逐渐发展成为研究高速电梯的重要手段。本文采用数值模拟的方法，对运行速度为8m/s的高速电梯进行了数值模拟研究。对不同形状尺寸的风罩进行了数值计算，分析了运行过程中的阻力，确定出最优的风罩形状尺寸。此外，本文还研究了电梯轿厢与井道壁之间的间隙距离，分析了不同间隙距离对轿厢气动阻力的影响。通过数值模拟研究，克服了传统设计方法的缺陷与不足，对工程实际应用具有非常重要的指导意义。

2、 分析步骤概述

（1）几何建模：采用UG软件进行建模，根据设计图纸进行简化得到轿厢简化三维模型;在根据井道截面得到井道三维构型;最后通过布尔运算得到三维流道模型;

（2）网格划分：由于需要考虑的模型比较多，本文采用非结构化四面体网格对三维流道进行网格划分，并且在井道壁和轿厢壁壁面边界层附近用三棱柱网格进行加密。

（3）计算条件设置：选取求解方程，湍流模型;设置入口条件、出口条件、壁面条件;选择计算差分格式，设置迭代步数;最后进行迭代计算。

（4）分析计算结果并提出改进建议：采用CFD-POST后处理软件计算轿厢气动阻力，采用tecplot软件分析流道内压力和速度的分布情况。

3. 电梯井道模型

由于电梯井道内零件较多，结构复杂，因此对电梯井道通风流道进行了简化。只考虑电梯轿厢和井道，其余零部件均不考虑，井道截面尺寸如图1（a）所示。在本研究中电梯轿厢高度为3 m，由于高速电梯在实际运行中通常会隔几层才经停一次，因此，在本研究中取16 m高度单井道模型进行研究，如图1（b）所示。最终，得到的三维井道通风道示意图如图1（c）所示。

4. 结果分析

4.1 轿厢与井道间隙距离研究分析

高速电梯在实际运行过程中，由于电梯轿厢与井道壁之间间距比较小，气流速度较高，对电梯的稳定运行影响较大。采用实验的方法需要改变井道或者轿厢尺寸，成本较高，并且周期长。采用数值模拟的方法，则比较容易改变轿厢与井道壁之间间距进行分析研究。模型 3 电梯受到的气动阻力最小，因此，在第三种方案的基础上，改变井道尺寸，分析研究轿厢与井道间隙对电梯气动特性的影响。 Gap2 对应为第 2 节中井道和轿厢的原始尺寸，将井道向内缩进 100 mm 为 Gap 1，向外延伸100 mm 为 Gap 3，向外延伸 200 mm 为 Gap 4。y 方向上侧间隙宽度要大于下側，主要是考虑电梯对重。

通过数值模拟得到的流道截面速度。对应的电梯轿厢与井道壁之间间隙距离最小，间隙内的气体流速也最高，达到 20 m/s。增大间隙距离后，间隙内气体流速将逐渐降低。从 Gap1 到 Gap4，间隙增加了 300 mm，间隙内气体的流速降低了 6 m/s 左右。当间隙距离较小时，电梯背风面回流区较大。这不利于降低电梯运行过程中的气动阻力。

根据数值模拟结果，可以得到不同间隙电梯运行过程中受到的气动阻力。增大间隙，电梯收到的气动阻力呈非线性降低趋势。从Gap1 到 Gap4，间隙增加 300 mm，气动阻力降低了 60%。阻力降低主要是由于间隙增大，电梯背风面回流区减小，压力升高，电梯迎风面和背风面的压差逐渐减小。

增加电梯轿厢与井道壁中间隙，将有利于降低高速电梯运行过程中受到的气动阻力。但是在轿厢尺寸不变的情况下，需要扩大井道截面尺寸，将增加建设成本。此外，由于电梯对重一侧间隙较大，轿厢与井道壁之间的间隙同样会影响电梯收到的侧向力。根据数值模拟结果，给出了电梯在运行过程中 y 方向受到的侧向力。可以看出，电梯受到的侧向力受间隙距离影响较大。对于 Gap1，间隙距离最小，受到 y 方向侧向力为 y方向正向，当增大间隙距离后， y 方向侧向力变为负向。从 Gap2 到 Gap4，间隙距离继续增大，受到的侧向力逐渐降低。因此，合理选择间隙距离，将有效降低电梯受到的侧向力，有助于电梯的平稳运行。

5、 结语

本文通过对电梯通风流道进行数值模拟，分析了其内部流动情况，得出主要结论如下：电梯轿厢与井道壁之间间隙距离将对电梯受到的气动阻力和侧向力有显著影响，增大间隙有助于降低气动阻力，但是同时需要考虑侧向力的变化。

参考文献

[1] GB7588-2003 电梯制造与安装安全规范[S];

[2] 梅尚先，浅析超高速电梯的关键技术及应用 [J];

[3] 付朝学，浅析超高速电梯的噪音和振动控制[J];