曳引速度對帶導(dǎo)流罩電梯氣動(dòng)性能的影響研究

張　俊,張　璐,李曉五,韓振鐸（中國礦業(yè)大學(xué)　機(jī)電工程學(xué)院,江蘇　徐州221116）

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曳引速度對帶導(dǎo)流罩電梯氣動(dòng)性能的影響研究

張俊,張璐,李曉五,韓振鐸
（中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,江蘇徐州221116）

摘 要：為了探究不同曳引速度下加裝橢圓導(dǎo)流罩超高速電梯的振動(dòng)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(shí)加裝橢圓導(dǎo)流罩電梯的空氣動(dòng)力學(xué)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(guī)律。結(jié)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(guān)系；當(dāng)電梯速度較小時(shí)，加裝橢圓導(dǎo)流罩對改善氣動(dòng)特性效果較好，而當(dāng)電梯速度達(dá)到10 m/s以上時(shí)，橢圓導(dǎo)流罩未能使電梯氣動(dòng)性能達(dá)到較優(yōu)效果。

關(guān)鍵詞：超高速電梯；空氣動(dòng)力學(xué)；橢圓導(dǎo)流罩；曳引速度；數(shù)值模擬

0　引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市建設(shè)的推進(jìn)，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(yùn)輸設(shè)備[1]，例如828 m迪拜塔電梯速度高達(dá)17.4 m/s；632 m上海中心大廈電梯速度高達(dá)18 m/s。然而，隨著電梯運(yùn)行速度的提高，振動(dòng)以及噪聲也同時(shí)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(dòng)力學(xué)（氣動(dòng)）問題[2,3]。由于普通電梯運(yùn)行速度較低，井道內(nèi)氣流對轎廂的影響較小，因此電梯的氣動(dòng)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(xiàn)，電梯的運(yùn)行速度迅速提高。當(dāng)電梯在狹長的井道內(nèi)高速上下運(yùn)行時(shí)，氣體瞬間被急劇壓縮，同時(shí)轎廂與井道間的狹縫處氣體流動(dòng)面積突然減小，因此氣體與轎廂間相互作用產(chǎn)生氣動(dòng)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(huì)形成渦流區(qū)，該渦流區(qū)在轎廂底部呈周期性的擺動(dòng)和脫落，直接影響到廂體的振動(dòng)和受到的氣動(dòng)阻力。所以，這些氣動(dòng)引起的噪聲和轎廂振動(dòng)不但影響到乘坐舒適感，而且對電梯運(yùn)行安全造成嚴(yán)重威脅[5]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者開展了高速電梯的空氣動(dòng)力學(xué)研究。針對氣流對電梯噪聲和振動(dòng)的影響方面，Nai和Forsythe[6]提到電梯氣動(dòng)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(nèi)高速電梯的繞流場數(shù)學(xué)模型，通過理論建模分析了井道內(nèi)氣壓的變化對電梯轎廂內(nèi)噪音的影響；Zhu等[8]建立了運(yùn)動(dòng)纜繩的線性橫向動(dòng)力學(xué)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(dòng)噪聲控制方法降低了電梯內(nèi)大部分區(qū)域的低頻噪聲；In-Hyung等[10]采用改良的主動(dòng)噪聲控制方法在降低轎廂內(nèi)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(dòng)問題，國內(nèi)外學(xué)者對電梯的結(jié)構(gòu)外形進(jìn)行了優(yōu)化。段穎等[12]設(shè)計(jì)建成一套簡化高速電梯氣動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)多種狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)?zāi)M，獲得了繞箱體存在復(fù)雜非定常的渦流動(dòng)，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(qū)別的結(jié)論；楊小峰[13]等通過計(jì)算流體力學(xué)方法發(fā)現(xiàn)橢圓形的前后緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠降低抑制氣動(dòng)噪聲。 李曉東和王凱[5]采用數(shù)值計(jì)算模擬方法，對單井道電梯進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和優(yōu)化，得出1 m和1.4 m高的橢圓型導(dǎo)流罩對于轎廂氣動(dòng)特性的優(yōu)化有突出效果。然而，目前針對不同曳引速度下加裝導(dǎo)流罩電梯轎廂的氣動(dòng)性能研究尚未見報(bào)道。

因此，本文利用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent模擬對比分析了加裝橢圓形導(dǎo)流罩前后超高速電梯的空氣動(dòng)力學(xué)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(dǎo)流罩電梯氣動(dòng)性能的影響規(guī)律。

1　電梯氣體動(dòng)力學(xué)建模

1.1無導(dǎo)流罩電梯氣體動(dòng)力學(xué)模型

表1　電梯井道參數(shù)和電梯轎廂參數(shù)

選取典型的電梯井道參數(shù)和轎廂參數(shù)，如表1所示。電梯包括轎廂、曳引系統(tǒng)、對重系統(tǒng)、導(dǎo)軌導(dǎo)靴、轎架等，為簡化結(jié)構(gòu)建模和網(wǎng)格劃分，僅保留轎廂關(guān)鍵部件，忽略其他次要結(jié)構(gòu)，構(gòu)建井道中電梯轎廂的空氣動(dòng)力學(xué)模型，如圖1所示。在實(shí)際運(yùn)行過程中，轎廂在井道中上、下運(yùn)動(dòng)，為模擬計(jì)算方便，將電梯轎廂靜止在井道中某位置處，空氣以轎廂運(yùn)行速度按照與轎廂運(yùn)動(dòng)相反方向流動(dòng)，該方法僅影響空氣與井道壁的相對流動(dòng)，而對轎廂和空氣之間的氣動(dòng)作用影響不大[5]。

1.2氣體動(dòng)力學(xué)模型驗(yàn)證

當(dāng)無導(dǎo)流罩電梯向上運(yùn)行速度為6 m/s時(shí)，通過空氣動(dòng)力學(xué)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(dāng)氣流到達(dá)轎廂頂部時(shí)受到阻滯，造成轎廂頂部呈半圓狀分布的高靜壓區(qū)，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(dá)179 Pa；當(dāng)氣流剛進(jìn)入轎廂與井道間狹縫處時(shí)，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(jìn)而導(dǎo)致導(dǎo)致轎廂側(cè)面及底部區(qū)域的負(fù)壓區(qū)，最大負(fù)壓可達(dá)-181 Pa。轎廂頂部高正壓區(qū)和轎廂底部低負(fù)壓區(qū)導(dǎo)致轎廂上下的靜壓差，進(jìn)而導(dǎo)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(fā)現(xiàn)，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(dāng)氣流剛進(jìn)入轎廂與井道狹縫處時(shí)，氣流流速迅速增加；在轎廂底部，存在較大渦流區(qū)，這是因?yàn)闅饬饔奢^高速度從電梯轎廂與井道壁間的狹縫內(nèi)射出，而電梯轎廂底部附近區(qū)域由于受到轎廂的阻擋，空氣流速很小，便形成了渦流區(qū)[5]。該渦流區(qū)將呈周期性的擺動(dòng)，輕微振動(dòng)的電梯結(jié)構(gòu)會(huì)與氣流相互作用并從中吸收能量，從而使電梯振動(dòng)的幅度不斷被放大，進(jìn)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(jìn)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(jié)果與前人研究獲得的結(jié)果一致[5]，說明所建空氣動(dòng)力學(xué)模型的有效性。

1.3帶橢圓導(dǎo)流罩電梯轎廂氣體動(dòng)力學(xué)行為

通過對無導(dǎo)流罩電梯的模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)電梯運(yùn)行時(shí)轎廂上下存在靜壓差導(dǎo)致轎廂Z向受到較大阻力，且轎廂底部存在較大渦流區(qū)，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(jìn)行優(yōu)化，加裝橢圓導(dǎo)流罩可以使氣流經(jīng)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(qū)，是一種有效的電梯減振降噪優(yōu)化方式[5,13,14]。構(gòu)建帶橢圓形導(dǎo)流罩電梯轎廂空氣動(dòng)力學(xué)模型，如圖3所示。導(dǎo)流罩為兩個(gè)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(yùn)行速度6 m/s時(shí)帶橢圓導(dǎo)流罩電梯轎廂XZ對稱面的靜壓力、速度分布圖。由圖4a發(fā)現(xiàn)，加裝橢圓導(dǎo)流罩后電梯轎廂表面最大靜壓由183 Pa降至140 Pa；與無導(dǎo)流罩轎廂相比，底部負(fù)壓區(qū)不再有明顯負(fù)壓區(qū)且轎廂表面最大負(fù)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(fā)現(xiàn)，加裝橢圓導(dǎo)流罩轎廂表面氣流流速最大為15.1 m/s，較未加導(dǎo)流罩情況最大氣流流速低4.2 m/s，依據(jù)電梯氣動(dòng)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(dǎo)流罩能夠有效地改善電梯的氣動(dòng)噪聲；同時(shí)，加裝橢圓導(dǎo)流罩后轎廂底部不再有明顯的渦流區(qū)，提高了電梯的穩(wěn)定性[4]。所以，在電梯轎廂上加裝橢圓導(dǎo)流罩，不但能有效降低電梯的氣動(dòng)噪聲，而且能夠提高電梯運(yùn)行的穩(wěn)定性和舒適性。

1.4空氣流速對加橢圓導(dǎo)流罩電梯轎廂XZ對稱面靜壓的影響

當(dāng)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(dòng)時(shí)，通過空氣動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)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(shí)，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(cè)負(fù)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(fā)現(xiàn)，轎廂頂部和底部同一位置靜壓滿足1:4:9的比例關(guān)系，因此轎廂頂部與底部靜壓大小與空氣進(jìn)入井道速度大?。? 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(chǎn)生，故轎廂沿Z向受力也與空氣進(jìn)入井道速度大小的二次方基本成正比。以6 m/s未加導(dǎo)流罩電梯氣動(dòng)特性為參考，電梯速度較小時(shí)加裝橢圓導(dǎo)流罩轎廂受力較小，而速度達(dá)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(dǎo)流罩對減小轎廂的氣動(dòng)阻力效果不佳。

1.5空氣流速對加橢圓導(dǎo)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(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)，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(jìn)入井道速度的大小成正比；由電梯氣動(dòng)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(dá)到10 m/s以上時(shí)轎廂表面氣動(dòng)噪聲將急劇增加，僅加裝橢圓導(dǎo)流罩對改善超高速電梯氣動(dòng)噪聲效果效果欠佳。

2　結(jié)論

本文運(yùn)用ANSYS Fluent軟件對帶橢圓導(dǎo)流罩超高速電梯開展空氣動(dòng)力學(xué)分析，得出以下結(jié)論：

（1）帶橢圓導(dǎo)流罩電梯超高速運(yùn)行時(shí)轎廂表面靜壓沿XZ面呈對稱分布，轎廂頂部靜壓較大，側(cè)面和底部存在負(fù)壓區(qū)，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(dǎo)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(yùn)行時(shí)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(yùn)行時(shí)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(yùn)行速度較小時(shí)，加裝橢圓導(dǎo)流罩對改善電梯氣動(dòng)特性效果較優(yōu)，而當(dāng)電梯速度高于10 m/s時(shí)橢圓導(dǎo)流罩未能使電梯氣動(dòng)性能達(dá)到較優(yōu)效果。

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