高速電梯氣動特性研究

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與噪聲的相關研究工作。

0 前 言

隨著國內社會經濟的快速發展和人們物質文化生活水平的明顯提高，超高層樓宇已經進入了高速增長階段。超高層建筑物的興起對高速電梯技術的發展帶來了機遇與挑戰。電梯速度的提高會帶來安全性與舒適性等一系列的技術問題，其中氣動特性與噪聲水平作為評價高速電梯性能的關鍵技術指標，越來越受到各電梯公司的重視。

當電梯在井道內高速運行時，被限制在井道內的空氣會高速流過電梯表面。由于電梯復雜的結構外形會導致高速氣流流經電梯表面時產生分離并形成湍流。由湍流所產生的氣動力會對電梯作用一額外的阻力，并引起電梯晃動及產生氣動噪聲。因此，解決高速電梯的振動與噪聲問題可以通過改進高速電梯的流線型外形，從而抑制湍流產生的方法加以改善。

如今，高速電梯的氣動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流罩的優化方案改善電梯的氣動特性。Pierucci等利用FLUENT中動網格技術分析了井道結構對高速電梯氣動性能的影響。Shi等數值仿真并分析了電梯與對重交錯時產生的氣動力變化。Bai等利用實驗方法研究了不同形狀導流罩電梯模型的氣動性能。然而，高速電梯氣動特性的改善主要目的是為了降低由湍流所產生的振動與噪聲問題。利用湍流仿真結果進一步得到電梯周圍的渦量分布以及對電梯外形設計提出建議是本文的研究重點。

本文利用ANSYS FLUENT流場仿真軟件對裝有不同形狀導流罩電梯模型進行流場計算，通過對氣動阻力、流速及渦量的結果比較，分析了高速電梯氣動特性，確定了適合于高速電梯的導流罩外形設計方案，并為高速電梯的外形設計提出建議。

1 高速電梯氣動特性分析

1.1 計算模型

針對某型單井道高速電梯進行氣動仿真分析。實際的電梯外形與井道結構十分復雜，任何的不規則外形如導靴、門機及平層裝置等都會破壞電梯的流線型外形，從而導致電梯氣動阻力的增加以及氣動噪聲源的增強。考慮到這里研究的重點在于分析導流罩外形對電梯氣動特性的影響，因此在進行電梯仿真模型的建立時，需對電梯及井道進行簡化，如圖1所示，井道模型假設為一長方體，上下表面設為入口與出口邊界，且電梯模型僅考慮轎廂與導流罩。這里分析四種不同電梯模型：無導流罩電梯模型、三角形、橢圓形、圓弧形導流罩電梯模型，導流罩高度一致。通過CFD仿真計算對比不同導流罩外形對電梯氣動特性的影響。

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

1.2 數學模型

由于電梯運行速度遠小于聲速，因此可以按不可壓黏性流體考慮。利用流體動力學軟件ANSYS FLUENT計算高速電梯的繞流場，湍流模型采用標準k-ε兩方程湍流模型。根據流體力學原理，流場的連續性方程和Reynolds平均Navier-Stokes方程（RANS方程）：

式中 ui，uj為xi與xj坐標方向平均速度，

ρ—空氣密度，

p—平均壓力，

μ—運動黏性系數，

為了能使方程組封閉，引入基于Boussinesq假設的湍流黏性系數法導出的標準k-ε兩方程模型：

式中：μt為湍流黏性系數，Cμ為湍流常數，通常取0.09,C1=1.44、C2=1.92、σk=1.0、σμ=1.3為經驗常數。

1.3 網格劃分與邊界條件

利用ANSYS-MESH網格劃分工具對電梯模型進行三維網格劃分，網格由四面體和六面體所構成，網格總數在150萬左右。在仿真開始之前，對井道入口及出口設置相應的邊界條件。

1.4 氣動仿真結果與分析

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

表1 高速電梯氣動阻力仿真結果（單位：N）

氣動阻力反映了電梯高速運行時整體的氣動特性。通過觀察速度云圖及渦量等值圖可以進一步觀察電梯周圍的流場與湍流分布強弱。從流場仿真結果中不難看出，由于橢圓形及圓弧形導流罩電梯外形接近流線型，因而氣動阻力明顯小于無導流罩及三角形導流罩電梯。從速度云圖及渦量等值圖中可以看出，當電梯不安裝導流罩或安裝三角形導流罩時，在電梯上部有一個較大范圍的尾渦區，尾渦區內速度梯度大，湍流強度高。湍流是由大量的氣動旋渦所構成，而氣動旋渦是造成氣動噪聲的主要原因。通過安裝橢圓形或圓弧形導流罩可以改善高速電梯的氣動性能，降低電梯周圍的氣流速度，減小尾渦區的范圍，降低湍流強度。從渦量等值圖中可以發現安裝橢圓形與圓弧形導流罩的電梯相比于無導流罩或三角形導流罩電梯，氣動旋渦均勻且平緩地分布在迎風面及電梯四周，因而大大改善了由于電梯高速運動產生的氣動旋渦所帶來的振動與噪聲問題。

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

1.5 氣動仿真對電梯設計的建議

從圖2中的速度云圖可以發現，當電梯與井道之間空間狹小，流速較高，在電梯外形突變的區域容易產生邊界層分離，邊界層分離區流速變化劇烈，剪切應力較大，極易產生氣動噪聲。因此在高速電梯外形設計時，應盡量增加電梯與井道之間空間的距離，電梯結構設計要盡量平順，避免突起結構，抑制由于高速氣流所產生的氣動噪聲。對于安裝流線型導流罩的高速電梯，在容易產生氣流分離的區域，應盡量保證外形的光滑性和連續性，從而避免由于氣流分離所產生的氣動噪聲源。

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

2 展 望

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

高速電梯計算模型相對比較簡單，僅對不同導流罩設計外形的高速電梯作了流場與表面噪聲源分析。對電梯的幾何外形及井道結構進行更精確地建模可以更為詳細地對電梯局部氣動特性進行分析討論。

[1] 李曉東，王凱. 高速電梯氣動特性研究與優化[J]. 哈爾濱工業大學學報，2009，41(6)：82-86.

[2] 劉加利，張繼業， 張衛華. 高速列車車身表面氣動噪聲源研究[J]. 鐵道車輛，2010，48(5): 1-5.