高速电梯气动特性研究

马烨 上海三菱电梯有限公司 (200245)

马烨（1982年~），男，博士，工程师，主要从事高速电梯振动与噪声的相关研究工作。

0 前 言

随着国内社会经济的快速发展和人们物质文化生活水平的明显提高，超高层楼宇已经进入了高速增长阶段。超高层建筑物的兴起对高速电梯技术的发展带来了机遇与挑战。电梯速度的提高会带来安全性与舒适性等一系列的技术问题，其中气动特性与噪声水平作为评价高速电梯性能的关键技术指标，越来越受到各电梯公司的重视。

当电梯在井道内高速运行时，被限制在井道内的空气会高速流过电梯表面。由于电梯复杂的结构外形会导致高速气流流经电梯表面时产生分离并形成湍流。由湍流所产生的气动力会对电梯作用一额外的阻力，并引起电梯晃动及产生气动噪声。因此，解决高速电梯的振动与噪声问题可以通过改进高速电梯的流线型外形，从而抑制湍流产生的方法加以改善。

如今，高速电梯的气动特性分析越来越引起研究人员的重视。李晓东等提出通过在电梯轿顶和轿底增加导流罩的优化方案改善电梯的气动特性。Pierucci等利用FLUENT中动网格技术分析了井道结构对高速电梯气动性能的影响。Shi等数值仿真并分析了电梯与对重交错时产生的气动力变化。Bai等利用实验方法研究了不同形状导流罩电梯模型的气动性能。然而，高速电梯气动特性的改善主要目的是为了降低由湍流所产生的振动与噪声问题。利用湍流仿真结果进一步得到电梯周围的涡量分布以及对电梯外形设计提出建议是本文的研究重点。

本文利用ANSYS FLUENT流场仿真软件对装有不同形状导流罩电梯模型进行流场计算，通过对气动阻力、流速及涡量的结果比较，分析了高速电梯气动特性，确定了适合于高速电梯的导流罩外形设计方案，并为高速电梯的外形设计提出建议。

1 高速电梯气动特性分析

1.1 计算模型

针对某型单井道高速电梯进行气动仿真分析。实际的电梯外形与井道结构十分复杂，任何的不规则外形如导靴、门机及平层装置等都会破坏电梯的流线型外形，从而导致电梯气动阻力的增加以及气动噪声源的增强。考虑到这里研究的重点在于分析导流罩外形对电梯气动特性的影响，因此在进行电梯仿真模型的建立时，需对电梯及井道进行简化，如图1所示，井道模型假设为一长方体，上下表面设为入口与出口边界，且电梯模型仅考虑轿厢与导流罩。这里分析四种不同电梯模型：无导流罩电梯模型、三角形、椭圆形、圆弧形导流罩电梯模型，导流罩高度一致。通过CFD仿真计算对比不同导流罩外形对电梯气动特性的影响。

图1 高速电梯气动仿真模型及无导流罩(1)，三角形(2)、椭圆形(3)和圆形(4)导流罩电梯模型

1.2 数学模型

由于电梯运行速度远小于声速，因此可以按不可压黏性流体考虑。利用流体动力学软件ANSYS FLUENT计算高速电梯的绕流场，湍流模型采用标准k-ε两方程湍流模型。根据流体力学原理，流场的连续性方程和Reynolds平均Navier-Stokes方程（RANS方程）：

式中 ui，uj为xi与xj坐标方向平均速度，

ρ—空气密度，

p—平均压力，

μ—运动黏性系数，

为了能使方程组封闭，引入基于Boussinesq假设的湍流黏性系数法导出的标准k-ε两方程模型：

式中：μt为湍流黏性系数，Cμ为湍流常数，通常取0.09,C1=1.44、C2=1.92、σk=1.0、σμ=1.3为经验常数。

1.3 网格划分与边界条件

利用ANSYS-MESH网格划分工具对电梯模型进行三维网格划分，网格由四面体和六面体所构成，网格总数在150万左右。在仿真开始之前，对井道入口及出口设置相应的边界条件。

1.4 气动仿真结果与分析

考虑到电梯上下行时流场具有相似性，因此本文给出的都为电梯下行时的流场仿真结果。不同导流罩外形电梯下行时气动阻力结果列于表1中，速度云图及涡量等值图如图2所示。

表1 高速电梯气动阻力仿真结果（单位：N）

气动阻力反映了电梯高速运行时整体的气动特性。通过观察速度云图及涡量等值图可以进一步观察电梯周围的流场与湍流分布强弱。从流场仿真结果中不难看出，由于椭圆形及圆弧形导流罩电梯外形接近流线型，因而气动阻力明显小于无导流罩及三角形导流罩电梯。从速度云图及涡量等值图中可以看出，当电梯不安装导流罩或安装三角形导流罩时，在电梯上部有一个较大范围的尾涡区，尾涡区内速度梯度大，湍流强度高。湍流是由大量的气动旋涡所构成，而气动旋涡是造成气动噪声的主要原因。通过安装椭圆形或圆弧形导流罩可以改善高速电梯的气动性能，降低电梯周围的气流速度，减小尾涡区的范围，降低湍流强度。从涡量等值图中可以发现安装椭圆形与圆弧形导流罩的电梯相比于无导流罩或三角形导流罩电梯，气动旋涡均匀且平缓地分布在迎风面及电梯四周，因而大大改善了由于电梯高速运动产生的气动旋涡所带来的振动与噪声问题。

图2 无导流罩(1)、三角形(2)、椭圆形(3)与圆弧形导流罩(4)电梯速度云图(上)与涡量等值图(下)比较

1.5 气动仿真对电梯设计的建议

从图2中的速度云图可以发现，当电梯与井道之间空间狭小，流速较高，在电梯外形突变的区域容易产生边界层分离，边界层分离区流速变化剧烈，剪切应力较大，极易产生气动噪声。因此在高速电梯外形设计时，应尽量增加电梯与井道之间空间的距离，电梯结构设计要尽量平顺，避免突起结构，抑制由于高速气流所产生的气动噪声。对于安装流线型导流罩的高速电梯，在容易产生气流分离的区域，应尽量保证外形的光滑性和连续性，从而避免由于气流分离所产生的气动噪声源。

尽管从气动性能来看，三角形导流罩电梯的气动特性明显差于其它两种导流罩。然而三角形导流罩具有加工简便的优势，钣金折弯难度相对较低，其厚度也可以增加，这能起到抑制导流罩结构振动噪声的作用。因而在电梯速度不是很高的情况下，三角形导流罩也可以用于高速电梯。采用椭圆形或圆弧形导流罩电梯气动性能较好，产生相应的气动噪声也较小。但流线型导流罩加工难度较大，容易与电梯其它结构产生干涉，因而采用此种形状导流罩的设计与加工难度会显著增加。

2 展 望

一般而言，电梯导流罩的外形越接近流线型，则电梯的气动性能越好，产生的气动噪声值也越小。但通常情况下导流罩的高度往往会受到实际井道的限制。通过本文的仿真分析得到在高度一致的条件下，椭圆形与圆弧形导流罩可以较好地改善电梯的气动特性，降低由湍流所产生的气动噪声。

高速电梯计算模型相对比较简单，仅对不同导流罩设计外形的高速电梯作了流场与表面噪声源分析。对电梯的几何外形及井道结构进行更精确地建模可以更为详细地对电梯局部气动特性进行分析讨论。

[1] 李晓东，王凯. 高速电梯气动特性研究与优化[J]. 哈尔滨工业大学学报，2009，41(6)：82-86.

[2] 刘加利，张继业， 张卫华. 高速列车车身表面气动噪声源研究[J]. 铁道车辆，2010，48(5): 1-5.