超高速電梯運行井道間隙動力特性計算分析和研究

王帥

摘 要： 本文通過對高速電梯井道內的通風流道進行數值模擬研究，分析了電梯運行速度為8 m/s井道內的流動分布情況，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的設計建議。

關鍵詞：高速電梯;井道氣流;噪音

1、概述

隨著我國經濟迅速發展，城鎮化進程日益完善。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行，會造成電梯內乘客的不適感。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行，節能降噪具有重要意義。

傳統高速電梯的研究主要采用實驗的方法，需要搭建試驗塔，試驗周期長，成本較高，只有少數大公司才能進行這樣的實驗。隨著CFD技術的發展，由于其成本低、周期短等特點，逐漸發展成為研究高速電梯的重要手段。本文采用數值模擬的方法，對運行速度為8m/s的高速電梯進行了數值模擬研究。對不同形狀尺寸的風罩進行了數值計算，分析了運行過程中的阻力，確定出最優的風罩形狀尺寸。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。通過數值模擬研究，克服了傳統設計方法的缺陷與不足，對工程實際應用具有非常重要的指導意義。

2、 分析步驟概述

（1）幾何建模：采用UG軟件進行建模，根據設計圖紙進行簡化得到轎廂簡化三維模型;在根據井道截面得到井道三維構型;最后通過布爾運算得到三維流道模型;

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

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

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

3. 電梯井道模型

由于電梯井道內零件較多，結構復雜，因此對電梯井道通風流道進行了簡化。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，由于高速電梯在實際運行中通常會隔幾層才經停一次，因此，在本研究中取16 m高度單井道模型進行研究，如圖1（b）所示。最終，得到的三維井道通風道示意圖如圖1（c）所示。

4. 結果分析

4.1 轎廂與井道間隙距離研究分析

高速電梯在實際運行過程中，由于電梯轎廂與井道壁之間間距比較小，氣流速度較高，對電梯的穩定運行影響較大。采用實驗的方法需要改變井道或者轎廂尺寸，成本較高，并且周期長。采用數值模擬的方法，則比較容易改變轎廂與井道壁之間間距進行分析研究。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 對應為第 2 節中井道和轎廂的原始尺寸，將井道向內縮進 100 mm 為 Gap 1，向外延伸100 mm 為 Gap 3，向外延伸 200 mm 為 Gap 4。y 方向上側間隙寬度要大于下側，主要是考慮電梯對重。

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

根據數值模擬結果，可以得到不同間隙電梯運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，電梯背風面回流區減小，壓力升高，電梯迎風面和背風面的壓差逐漸減小。

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，需要擴大井道截面尺寸，將增加建設成本。此外，由于電梯對重一側間隙較大，轎廂與井道壁之間的間隙同樣會影響電梯收到的側向力。根據數值模擬結果，給出了電梯在運行過程中 y 方向受到的側向力。可以看出，電梯受到的側向力受間隙距離影響較大。對于 Gap1，間隙距離最小，受到 y 方向側向力為 y方向正向，當增大間隙距離后， y 方向側向力變為負向。從 Gap2 到 Gap4，間隙距離繼續增大，受到的側向力逐漸降低。因此，合理選擇間隙距離，將有效降低電梯受到的側向力，有助于電梯的平穩運行。

5、 結語

本文通過對電梯通風流道進行數值模擬，分析了其內部流動情況，得出主要結論如下：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向力的變化。

參考文獻

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