曳引速度對帶導流罩電梯氣動性能的影響研究

張　俊,張　璐,李曉五,韓振鐸（中國礦業大學　機電工程學院,江蘇　徐州221116）

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曳引速度對帶導流罩電梯氣動性能的影響研究

張俊,張璐,李曉五,韓振鐸
（中國礦業大學機電工程學院,江蘇徐州221116）

摘 要：為了探究不同曳引速度下加裝橢圓導流罩超高速電梯的振動和噪聲狀況，通過ANSYS Fluent軟件開展了曳引速度分別為6 m/s、12 m/s和18 m/s時加裝橢圓導流罩電梯的空氣動力學分析，揭示了曳引速度對電梯轎廂受到空氣阻力、轎廂表面靜壓和速度分布的影響規律。結果表明，電梯轎廂表面靜壓隨曳引速度的增加成平方倍增加，轎廂表面空氣流速與曳引速度成正比關系；當電梯速度較小時，加裝橢圓導流罩對改善氣動特性效果較好，而當電梯速度達到10 m/s以上時，橢圓導流罩未能使電梯氣動性能達到較優效果。

關鍵詞：超高速電梯；空氣動力學；橢圓導流罩；曳引速度；數值模擬

0　引言

隨著中國經濟的發展和城市建設的推進，城市人口分布也越來越密集，高層、超高層建筑在各大、中城市拔地而起，而高速（V＞2 m/s）和超高速（V＞5 m/s）電梯是必不可少的垂直運輸設備[1]，例如828 m迪拜塔電梯速度高達17.4 m/s；632 m上海中心大廈電梯速度高達18 m/s。然而，隨著電梯運行速度的提高，振動以及噪聲也同時加劇，極大地影響了乘客的舒適感。其中，較為重要的影響因素之一是電梯氣體動力學（氣動）問題[2,3]。由于普通電梯運行速度較低，井道內氣流對轎廂的影響較小，因此電梯的氣動問題一直沒能得到人們的重視。但隨著高速、超高速電梯的出現，電梯的運行速度迅速提高。當電梯在狹長的井道內高速上下運行時，氣體瞬間被急劇壓縮，同時轎廂與井道間的狹縫處氣體流動面積突然減小，因此氣體與轎廂間相互作用產生氣動噪聲[4]；另外在轎廂的底部附近由于轎廂的遮擋，空氣流速很小，氣流會形成渦流區，該渦流區在轎廂底部呈周期性的擺動和脫落，直接影響到廂體的振動和受到的氣動阻力。所以，這些氣動引起的噪聲和轎廂振動不但影響到乘坐舒適感，而且對電梯運行安全造成嚴重威脅[5]。

近年來，國內外學者開展了高速電梯的空氣動力學研究。針對氣流對電梯噪聲和振動的影響方面，Nai和Forsythe[6]提到電梯氣動噪聲的大小與繞過電梯表面氣流速度的5次到6次方成正比；So等[7]建立了井道內高速電梯的繞流場數學模型，通過理論建模分析了井道內氣壓的變化對電梯轎廂內噪音的影響；Zhu等[8]建立了運動纜繩的線性橫向動力學模型，分析了不同提升工況下氣流對纜繩受力的影響。在噪聲控制方面，Landaluze等[9]采用主動噪聲控制方法降低了電梯內大部分區域的低頻噪聲；In-Hyung等[10]采用改良的主動噪聲控制方法在降低轎廂內頻率低于500Hz的噪音取得顯著效果。陸志華和王水來[11]從空氣傳聲和固體傳聲兩方面探討了隔聲降噪的措施。為解決電梯氣動問題，國內外學者對電梯的結構外形進行了優化。段穎等[12]設計建成一套簡化高速電梯氣動特性實驗設備，實現多種狀態下的實驗模擬，獲得了繞箱體存在復雜非定常的渦流動，頭部基本不分離，不同形狀的影響不大；尾部分離情況不同，平頭與其它形狀有明顯區別的結論；楊小峰[13]等通過計算流體力學方法發現橢圓形的前后緣結構設計能夠降低抑制氣動噪聲。 李曉東和王凱[5]采用數值計算模擬方法，對單井道電梯進行數值計算和優化，得出1 m和1.4 m高的橢圓型導流罩對于轎廂氣動特性的優化有突出效果。然而，目前針對不同曳引速度下加裝導流罩電梯轎廂的氣動性能研究尚未見報道。

因此，本文利用計算流體力學軟件Fluent模擬對比分析了加裝橢圓形導流罩前后超高速電梯的空氣動力學特性，探討了不同曳引速度（6 m/s、12 m/s和18 m/s）對帶橢圓形導流罩電梯氣動性能的影響規律。

1　電梯氣體動力學建模

1.1無導流罩電梯氣體動力學模型

表1　電梯井道參數和電梯轎廂參數

選取典型的電梯井道參數和轎廂參數，如表1所示。電梯包括轎廂、曳引系統、對重系統、導軌導靴、轎架等，為簡化結構建模和網格劃分，僅保留轎廂關鍵部件，忽略其他次要結構，構建井道中電梯轎廂的空氣動力學模型，如圖1所示。在實際運行過程中，轎廂在井道中上、下運動，為模擬計算方便，將電梯轎廂靜止在井道中某位置處，空氣以轎廂運行速度按照與轎廂運動相反方向流動，該方法僅影響空氣與井道壁的相對流動，而對轎廂和空氣之間的氣動作用影響不大[5]。

1.2氣體動力學模型驗證

當無導流罩電梯向上運行速度為6 m/s時，通過空氣動力學分析能夠得到電梯的靜壓力和速度分布圖以及沿井筒方向（Z向）受力情況。為研究方便，獲得轎廂的XZ、YZ對稱面靜壓力和速度分布，如圖2所示。由圖2a和b可知，轎廂表面靜壓沿XZ面呈對稱分布。當氣流到達轎廂頂部時受到阻滯，造成轎廂頂部呈半圓狀分布的高靜壓區，而且越靠近轎廂頂壁處靜壓越大，貼近轎廂頂壁處靜壓可達179 Pa；當氣流剛進入轎廂與井道間狹縫處時，等壓線分布較密集，靜壓下降很快；狹小的轎廂-井 道間隙和空氣的粘滯作用使得空氣得不到足夠回流[4]，進而導致導致轎廂側面及底部區域的負壓區，最大負壓可達-181 Pa。轎廂頂部高正壓區和轎廂底部低負壓區導致轎廂上下的靜壓差，進而導致轎廂的壓差阻力[2,12]。沿Z向的轎廂壓差阻力和粘滯阻力分別為429.26 N和22 N，故轎廂主要受到壓差阻力的作用。

由圖2c和d發現，在轎廂頂部中間位置，氣流因受到阻滯作用流速幾乎為零；而當氣流剛進入轎廂與井道狹縫處時，氣流流速迅速增加；在轎廂底部，存在較大渦流區，這是因為氣流由較高速度從電梯轎廂與井道壁間的狹縫內射出，而電梯轎廂底部附近區域由于受到轎廂的阻擋，空氣流速很小，便形成了渦流區[5]。該渦流區將呈周期性的擺動，輕微振動的電梯結構會與氣流相互作用并從中吸收能量，從而使電梯振動的幅度不斷被放大，進而影響電梯的乘坐舒適性及其安全可靠性[4]。轎廂周圍氣流最大流速為19.3 m/s，且速度和靜壓沿XZ面呈對稱分布，在空氣剛進入轎廂與井道間狹縫處等壓線分布密集、速度迅速增加，這些結果與前人研究獲得的結果一致[5]，說明所建空氣動力學模型的有效性。

1.3帶橢圓導流罩電梯轎廂氣體動力學行為

通過對無導流罩電梯的模擬計算，發現電梯運行時轎廂上下存在靜壓差導致轎廂Z向受到較大阻力，且轎廂底部存在較大渦流區，這對電梯乘坐的舒適性及安全性有較大影響，因此需對電梯轎廂的外形進行優化，加裝橢圓導流罩可以使氣流經過轎廂表面更為順暢，從而減小轎廂上下靜壓差以及轎廂底部渦流區，是一種有效的電梯減振降噪優化方式[5,13,14]。構建帶橢圓形導流罩電梯轎廂空氣動力學模型，如圖3所示。導流罩為兩個截面為半橢圓形、軸線互相垂直的柱體相交部分，柱體方程別為x2/0.64 +z2/0.36=1、x2/0.5625+z2/0.36=1，其中z≥0。

圖4為運行速度6 m/s時帶橢圓導流罩電梯轎廂XZ對稱面的靜壓力、速度分布圖。由圖4a發現，加裝橢圓導流罩后電梯轎廂表面最大靜壓由183 Pa降至140 Pa；與無導流罩轎廂相比，底部負壓區不再有明顯負壓區且轎廂表面最大負壓有-181 Pa降至-22.7 Pa，而且轎廂上、下表面的靜壓差有效減小，沿Z向轎廂總阻力由451 N降至120 N。由圖4b發現，加裝橢圓導流罩轎廂表面氣流流速最大為15.1 m/s，較未加導流罩情況最大氣流流速低4.2 m/s，依據電梯氣動噪聲與繞過電梯表面氣流速度的5次到6次方成正比[6]，可知加裝橢圓導流罩能夠有效地改善電梯的氣動噪聲；同時，加裝橢圓導流罩后轎廂底部不再有明顯的渦流區，提高了電梯的穩定性[4]。所以，在電梯轎廂上加裝橢圓導流罩，不但能有效降低電梯的氣動噪聲，而且能夠提高電梯運行的穩定性和舒適性。

1.4空氣流速對加橢圓導流罩電梯轎廂XZ對稱面靜壓的影響

當空氣相對于電梯轎廂以6 m/s、12 m/s和18 m/s的流速流動時，通過空氣動力學模擬計算獲得如圖5所示的靜壓力分布圖（XZ對稱面）。由圖可知，在流速分別為6 m/s、12 m/s和18 m/s時，最大靜壓分別為140 Pa、557 Pa和1250 Pa，轎廂沿Z向受力分別為120.68 N、469.24 N、1040.54 N。隨著流速的增加，轎廂上部最大靜壓、轎廂兩側負壓絕對值、上下表面靜壓差以及沿Z向受力均增大。隨著氣流流速的增加，轎廂與氣流的相對流速隨之增加，因此轎廂表面靜壓的絕對值也增加[15]。對照圖5a、b和c三圖的相同位置靜壓值發現，轎廂頂部和底部同一位置靜壓滿足1:4:9的比例關系，因此轎廂頂部與底部靜壓大小與空氣進入井道速度大小（6 m/s、12 m/s、18 m/s）的二次方基本成正比。由于轎廂主要受壓差阻力作用，而壓差阻力由轎廂上下靜壓差產生，故轎廂沿Z向受力也與空氣進入井道速度大小的二次方基本成正比。以6 m/s未加導流罩電梯氣動特性為參考，電梯速度較小時加裝橢圓導流罩轎廂受力較小，而速度達到10 m/s以上后轎廂受力仍較大，因此對于速度10 m/s以上電梯加裝橢圓導流罩對減小轎廂的氣動阻力效果不佳。

1.5空氣流速對加橢圓導流罩電梯轎廂XZ對稱面速度場的影響

圖6為空氣相對于電梯轎廂以6 m/s、12 m/s和18 m/s的流速流動時XZ對稱面的速度分布圖。由圖6可知，在空氣相對于電梯轎廂以6 m/s、12 m/s和18 m/s的流速流動時，空氣流速均在轎廂與井道壁縫隙處最大，最大空氣流速分別為15.1 m/s、39.2 m/s、45.3 m/s，因而，最大流速與空氣進入井道速度的大小成正比；由電梯氣動噪聲與繞過電梯表面氣流速度的5次到6次方成正比[6]可知，電梯速度達到10 m/s以上時轎廂表面氣動噪聲將急劇增加，僅加裝橢圓導流罩對改善超高速電梯氣動噪聲效果效果欠佳。

2　結論

本文運用ANSYS Fluent軟件對帶橢圓導流罩超高速電梯開展空氣動力學分析，得出以下結論：

（1）帶橢圓導流罩電梯超高速運行時轎廂表面靜壓沿XZ面呈對稱分布，轎廂頂部靜壓較大，側面和底部存在負壓區，轎廂頂部及底部等壓線分布密集。隨著電梯曳引速度增加電梯表面靜壓隨之增加，靜壓大小與曳引速度大小的二次方成正比，由電梯上下靜壓差導致的電梯轎廂豎直方向受力與速度大小的二次方同樣成正比。

（2）電梯高速運行時轎廂表面氣流流速沿XZ面呈對稱分布，氣流流速在轎廂與井道狹縫處增至最大值。電梯高速運行時繞流過轎廂表面氣流速度隨電梯曳引速度增加而增大，且轎廂表面氣流速度與曳引速度的大小成正比。

（3）電梯運行速度較小時，加裝橢圓導流罩對改善電梯氣動特性效果較優，而當電梯速度高于10 m/s時橢圓導流罩未能使電梯氣動性能達到較優效果。

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