馬燁 上海三菱電梯有限公司 (200245)

馬燁（1982年~），男，博士，工程師，主要從事高速電梯振動(dòng)與噪聲的相關(guān)研究工作。

0 前 言

隨著國內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們物質(zhì)文化生活水平的明顯提高，超高層樓宇已經(jīng)進(jìn)入了高速增長階段。超高層建筑物的興起對(duì)高速電梯技術(shù)的發(fā)展帶來了機(jī)遇與挑戰(zhàn)。電梯速度的提高會(huì)帶來安全性與舒適性等一系列的技術(shù)問題，其中氣動(dòng)特性與噪聲水平作為評(píng)價(jià)高速電梯性能的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，越來越受到各電梯公司的重視。

當(dāng)電梯在井道內(nèi)高速運(yùn)行時(shí)，被限制在井道內(nèi)的空氣會(huì)高速流過電梯表面。由于電梯復(fù)雜的結(jié)構(gòu)外形會(huì)導(dǎo)致高速氣流流經(jīng)電梯表面時(shí)產(chǎn)生分離并形成湍流。由湍流所產(chǎn)生的氣動(dòng)力會(huì)對(duì)電梯作用一額外的阻力，并引起電梯晃動(dòng)及產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲。因此，解決高速電梯的振動(dòng)與噪聲問題可以通過改進(jìn)高速電梯的流線型外形，從而抑制湍流產(chǎn)生的方法加以改善。

如今，高速電梯的氣動(dòng)特性分析越來越引起研究人員的重視。李曉東等提出通過在電梯轎頂和轎底增加導(dǎo)流罩的優(yōu)化方案改善電梯的氣動(dòng)特性。Pierucci等利用FLUENT中動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)分析了井道結(jié)構(gòu)對(duì)高速電梯氣動(dòng)性能的影響。Shi等數(shù)值仿真并分析了電梯與對(duì)重交錯(cuò)時(shí)產(chǎn)生的氣動(dòng)力變化。Bai等利用實(shí)驗(yàn)方法研究了不同形狀導(dǎo)流罩電梯模型的氣動(dòng)性能。然而，高速電梯氣動(dòng)特性的改善主要目的是為了降低由湍流所產(chǎn)生的振動(dòng)與噪聲問題。利用湍流仿真結(jié)果進(jìn)一步得到電梯周圍的渦量分布以及對(duì)電梯外形設(shè)計(jì)提出建議是本文的研究重點(diǎn)。

本文利用ANSYS FLUENT流場仿真軟件對(duì)裝有不同形狀導(dǎo)流罩電梯模型進(jìn)行流場計(jì)算，通過對(duì)氣動(dòng)阻力、流速及渦量的結(jié)果比較，分析了高速電梯氣動(dòng)特性，確定了適合于高速電梯的導(dǎo)流罩外形設(shè)計(jì)方案，并為高速電梯的外形設(shè)計(jì)提出建議。

1 高速電梯氣動(dòng)特性分析

1.1 計(jì)算模型

針對(duì)某型單井道高速電梯進(jìn)行氣動(dòng)仿真分析。實(shí)際的電梯外形與井道結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，任何的不規(guī)則外形如導(dǎo)靴、門機(jī)及平層裝置等都會(huì)破壞電梯的流線型外形，從而導(dǎo)致電梯氣動(dòng)阻力的增加以及氣動(dòng)噪聲源的增強(qiáng)?？紤]到這里研究的重點(diǎn)在于分析導(dǎo)流罩外形對(duì)電梯氣動(dòng)特性的影響，因此在進(jìn)行電梯仿真模型的建立時(shí)，需對(duì)電梯及井道進(jìn)行簡化，如圖1所示，井道模型假設(shè)為一長方體，上下表面設(shè)為入口與出口邊界，且電梯模型僅考慮轎廂與導(dǎo)流罩。這里分析四種不同電梯模型：無導(dǎo)流罩電梯模型、三角形、橢圓形、圓弧形導(dǎo)流罩電梯模型，導(dǎo)流罩高度一致。通過CFD仿真計(jì)算對(duì)比不同導(dǎo)流罩外形對(duì)電梯氣動(dòng)特性的影響。

圖1 高速電梯氣動(dòng)仿真模型及無導(dǎo)流罩(1)，三角形(2)、橢圓形(3)和圓形(4)導(dǎo)流罩電梯模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

由于電梯運(yùn)行速度遠(yuǎn)小于聲速，因此可以按不可壓黏性流體考慮。利用流體動(dòng)力學(xué)軟件ANSYS FLUENT計(jì)算高速電梯的繞流場，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程湍流模型。根據(jù)流體力學(xué)原理，流場的連續(xù)性方程和Reynolds平均Navier-Stokes方程（RANS方程）：

式中 ui，uj為xi與xj坐標(biāo)方向平均速度，

ρ—空氣密度，

p—平均壓力，

μ—運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)，

為了能使方程組封閉，引入基于Boussinesq假設(shè)的湍流黏性系數(shù)法導(dǎo)出的標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型：

式中：μt為湍流黏性系數(shù)，Cμ為湍流常數(shù)，通常取0.09,C1=1.44、C2=1.92、σk=1.0、σμ=1.3為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

1.3 網(wǎng)格劃分與邊界條件

利用ANSYS-MESH網(wǎng)格劃分工具對(duì)電梯模型進(jìn)行三維網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格由四面體和六面體所構(gòu)成，網(wǎng)格總數(shù)在150萬左右。在仿真開始之前，對(duì)井道入口及出口設(shè)置相應(yīng)的邊界條件。

1.4 氣動(dòng)仿真結(jié)果與分析

考慮到電梯上下行時(shí)流場具有相似性，因此本文給出的都為電梯下行時(shí)的流場仿真結(jié)果。不同導(dǎo)流罩外形電梯下行時(shí)氣動(dòng)阻力結(jié)果列于表1中，速度云圖及渦量等值圖如圖2所示。

表1 高速電梯氣動(dòng)阻力仿真結(jié)果（單位：N）

氣動(dòng)阻力反映了電梯高速運(yùn)行時(shí)整體的氣動(dòng)特性。通過觀察速度云圖及渦量等值圖可以進(jìn)一步觀察電梯周圍的流場與湍流分布強(qiáng)弱。從流場仿真結(jié)果中不難看出，由于橢圓形及圓弧形導(dǎo)流罩電梯外形接近流線型，因而氣動(dòng)阻力明顯小于無導(dǎo)流罩及三角形導(dǎo)流罩電梯。從速度云圖及渦量等值圖中可以看出，當(dāng)電梯不安裝導(dǎo)流罩或安裝三角形導(dǎo)流罩時(shí)，在電梯上部有一個(gè)較大范圍的尾渦區(qū)，尾渦區(qū)內(nèi)速度梯度大，湍流強(qiáng)度高。湍流是由大量的氣動(dòng)旋渦所構(gòu)成，而氣動(dòng)旋渦是造成氣動(dòng)噪聲的主要原因。通過安裝橢圓形或圓弧形導(dǎo)流罩可以改善高速電梯的氣動(dòng)性能，降低電梯周圍的氣流速度，減小尾渦區(qū)的范圍，降低湍流強(qiáng)度。從渦量等值圖中可以發(fā)現(xiàn)安裝橢圓形與圓弧形導(dǎo)流罩的電梯相比于無導(dǎo)流罩或三角形導(dǎo)流罩電梯，氣動(dòng)旋渦均勻且平緩地分布在迎風(fēng)面及電梯四周，因而大大改善了由于電梯高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的氣動(dòng)旋渦所帶來的振動(dòng)與噪聲問題。

圖2 無導(dǎo)流罩(1)、三角形(2)、橢圓形(3)與圓弧形導(dǎo)流罩(4)電梯速度云圖(上)與渦量等值圖(下)比較

1.5 氣動(dòng)仿真對(duì)電梯設(shè)計(jì)的建議

從圖2中的速度云圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電梯與井道之間空間狹小，流速較高，在電梯外形突變的區(qū)域容易產(chǎn)生邊界層分離，邊界層分離區(qū)流速變化劇烈，剪切應(yīng)力較大，極易產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲。因此在高速電梯外形設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量增加電梯與井道之間空間的距離，電梯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要盡量平順，避免突起結(jié)構(gòu)，抑制由于高速氣流所產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲。對(duì)于安裝流線型導(dǎo)流罩的高速電梯，在容易產(chǎn)生氣流分離的區(qū)域，應(yīng)盡量保證外形的光滑性和連續(xù)性，從而避免由于氣流分離所產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲源。

盡管從氣動(dòng)性能來看，三角形導(dǎo)流罩電梯的氣動(dòng)特性明顯差于其它兩種導(dǎo)流罩。然而三角形導(dǎo)流罩具有加工簡便的優(yōu)勢，鈑金折彎難度相對(duì)較低，其厚度也可以增加，這能起到抑制導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲的作用。因而在電梯速度不是很高的情況下，三角形導(dǎo)流罩也可以用于高速電梯。采用橢圓形或圓弧形導(dǎo)流罩電梯氣動(dòng)性能較好，產(chǎn)生相應(yīng)的氣動(dòng)噪聲也較小。但流線型導(dǎo)流罩加工難度較大，容易與電梯其它結(jié)構(gòu)產(chǎn)生干涉，因而采用此種形狀導(dǎo)流罩的設(shè)計(jì)與加工難度會(huì)顯著增加。

2 展 望

一般而言，電梯導(dǎo)流罩的外形越接近流線型，則電梯的氣動(dòng)性能越好，產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲值也越小。但通常情況下導(dǎo)流罩的高度往往會(huì)受到實(shí)際井道的限制。通過本文的仿真分析得到在高度一致的條件下，橢圓形與圓弧形導(dǎo)流罩可以較好地改善電梯的氣動(dòng)特性，降低由湍流所產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲。

高速電梯計(jì)算模型相對(duì)比較簡單，僅對(duì)不同導(dǎo)流罩設(shè)計(jì)外形的高速電梯作了流場與表面噪聲源分析。對(duì)電梯的幾何外形及井道結(jié)構(gòu)進(jìn)行更精確地建?？梢愿鼮樵敿?xì)地對(duì)電梯局部氣動(dòng)特性進(jìn)行分析討論。

[1] 李曉東，王凱. 高速電梯氣動(dòng)特性研究與優(yōu)化[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，41(6)：82-86.

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