王帥

摘 要： 本文通過對高速電梯井道內(nèi)的通風(fēng)流道進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析了電梯運(yùn)行速度為8 m/s井道內(nèi)的流動分布情況，并比較了轎廂與井道壁之間間距對電梯阻力的影響。得出的主要結(jié)論如下：電梯轎廂與井道壁之間的間隙對轎廂的氣動阻力有影響。最后，作者根據(jù)電梯井道的流動情況，對電梯電梯與井道壁間隙的距離提出了相應(yīng)的設(shè)計建議。

關(guān)鍵詞：高速電梯;井道氣流;噪音

1、概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程日益完善。由于土地空間有限，各地摩天大樓如雨后春筍，拔地而起。對于超高層建筑物，如果采用傳統(tǒng)的低速電梯，會大大增加上下電梯時間，并且長時間在封閉空間運(yùn)行，會造成電梯內(nèi)乘客的不適感。因此，高速電梯對于高層以及超高層建筑必不可少。

通常，電梯按照運(yùn)行速度可以分為低速電梯（<1m/s）、中速電梯（1～2.5m/s）、高速電梯（2.5～6m/s）和超高速電梯（>6m/s）。對于中低速電梯，由于運(yùn)行速度較低，氣動阻力基本可以忽略。對于超高速電梯，在井道運(yùn)行中，由于氣體被急劇壓縮，氣動阻力增大。并且電梯轎廂與井道縫隙之間的氣體流動速度也會急劇增加，增大了轎廂的氣動阻力。因此，研究高速電梯氣動特性對于改善運(yùn)行，節(jié)能降噪具有重要意義。

傳統(tǒng)高速電梯的研究主要采用實(shí)驗(yàn)的方法，需要搭建試驗(yàn)塔，試驗(yàn)周期長，成本較高，只有少數(shù)大公司才能進(jìn)行這樣的實(shí)驗(yàn)。隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，由于其成本低、周期短等特點(diǎn)，逐漸發(fā)展成為研究高速電梯的重要手段。本文采用數(shù)值模擬的方法，對運(yùn)行速度為8m/s的高速電梯進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。對不同形狀尺寸的風(fēng)罩進(jìn)行了數(shù)值計算，分析了運(yùn)行過程中的阻力，確定出最優(yōu)的風(fēng)罩形狀尺寸。此外，本文還研究了電梯轎廂與井道壁之間的間隙距離，分析了不同間隙距離對轎廂氣動阻力的影響。通過數(shù)值模擬研究，克服了傳統(tǒng)設(shè)計方法的缺陷與不足，對工程實(shí)際應(yīng)用具有非常重要的指導(dǎo)意義。

2、 分析步驟概述

（1）幾何建模：采用UG軟件進(jìn)行建模，根據(jù)設(shè)計圖紙進(jìn)行簡化得到轎廂簡化三維模型;在根據(jù)井道截面得到井道三維構(gòu)型;最后通過布爾運(yùn)算得到三維流道模型;

（2）網(wǎng)格劃分：由于需要考慮的模型比較多，本文采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格對三維流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并且在井道壁和轎廂壁壁面邊界層附近用三棱柱網(wǎng)格進(jìn)行加密。

（3）計算條件設(shè)置：選取求解方程，湍流模型;設(shè)置入口條件、出口條件、壁面條件;選擇計算差分格式，設(shè)置迭代步數(shù);最后進(jìn)行迭代計算。

（4）分析計算結(jié)果并提出改進(jìn)建議：采用CFD-POST后處理軟件計算轎廂氣動阻力，采用tecplot軟件分析流道內(nèi)壓力和速度的分布情況。

3. 電梯井道模型

由于電梯井道內(nèi)零件較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此對電梯井道通風(fēng)流道進(jìn)行了簡化。只考慮電梯轎廂和井道，其余零部件均不考慮，井道截面尺寸如圖1（a）所示。在本研究中電梯轎廂高度為3 m，由于高速電梯在實(shí)際運(yùn)行中通常會隔幾層才經(jīng)停一次，因此，在本研究中取16 m高度單井道模型進(jìn)行研究，如圖1（b）所示。最終，得到的三維井道通風(fēng)道示意圖如圖1（c）所示。

4. 結(jié)果分析

4.1 轎廂與井道間隙距離研究分析

高速電梯在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于電梯轎廂與井道壁之間間距比較小，氣流速度較高，對電梯的穩(wěn)定運(yùn)行影響較大。采用實(shí)驗(yàn)的方法需要改變井道或者轎廂尺寸，成本較高，并且周期長。采用數(shù)值模擬的方法，則比較容易改變轎廂與井道壁之間間距進(jìn)行分析研究。模型 3 電梯受到的氣動阻力最小，因此，在第三種方案的基礎(chǔ)上，改變井道尺寸，分析研究轎廂與井道間隙對電梯氣動特性的影響。 Gap2 對應(yīng)為第 2 節(jié)中井道和轎廂的原始尺寸，將井道向內(nèi)縮進(jìn) 100 mm 為 Gap 1，向外延伸100 mm 為 Gap 3，向外延伸 200 mm 為 Gap 4。y 方向上側(cè)間隙寬度要大于下側(cè)，主要是考慮電梯對重。

通過數(shù)值模擬得到的流道截面速度。對應(yīng)的電梯轎廂與井道壁之間間隙距離最小，間隙內(nèi)的氣體流速也最高，達(dá)到 20 m/s。增大間隙距離后，間隙內(nèi)氣體流速將逐漸降低。從 Gap1 到 Gap4，間隙增加了 300 mm，間隙內(nèi)氣體的流速降低了 6 m/s 左右。當(dāng)間隙距離較小時，電梯背風(fēng)面回流區(qū)較大。這不利于降低電梯運(yùn)行過程中的氣動阻力。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，可以得到不同間隙電梯運(yùn)行過程中受到的氣動阻力。增大間隙，電梯收到的氣動阻力呈非線性降低趨勢。從Gap1 到 Gap4，間隙增加 300 mm，氣動阻力降低了 60%。阻力降低主要是由于間隙增大，電梯背風(fēng)面回流區(qū)減小，壓力升高，電梯迎風(fēng)面和背風(fēng)面的壓差逐漸減小。

增加電梯轎廂與井道壁中間隙，將有利于降低高速電梯運(yùn)行過程中受到的氣動阻力。但是在轎廂尺寸不變的情況下，需要擴(kuò)大井道截面尺寸，將增加建設(shè)成本。此外，由于電梯對重一側(cè)間隙較大，轎廂與井道壁之間的間隙同樣會影響電梯收到的側(cè)向力。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，給出了電梯在運(yùn)行過程中 y 方向受到的側(cè)向力。可以看出，電梯受到的側(cè)向力受間隙距離影響較大。對于 Gap1，間隙距離最小，受到 y 方向側(cè)向力為 y方向正向，當(dāng)增大間隙距離后， y 方向側(cè)向力變?yōu)樨?fù)向。從 Gap2 到 Gap4，間隙距離繼續(xù)增大，受到的側(cè)向力逐漸降低。因此，合理選擇間隙距離，將有效降低電梯受到的側(cè)向力，有助于電梯的平穩(wěn)運(yùn)行。

5、 結(jié)語

本文通過對電梯通風(fēng)流道進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了其內(nèi)部流動情況，得出主要結(jié)論如下：電梯轎廂與井道壁之間間隙距離將對電梯受到的氣動阻力和側(cè)向力有顯著影響，增大間隙有助于降低氣動阻力，但是同時需要考慮側(cè)向力的變化。

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