高速电梯气动特性研究与优化

实际运动中，电梯井道壁静止，轿厢相对井道运
动，从而带动井道内的空气产生运动.这样假设会
与实际运动状况有一定的差别，主要体现在井道
围的速度场;分析电梯轿厢所受到的阻力 [6].
图 2 为模型 x = 0 与 y =0 截面上的静压力场
和速度场分布.表 1 为电梯轿厢受力参数.
壁与空气之间的相对运动速度变大了.但本课题 现阶段研究内容为电梯轿厢外形的优化，空气相
11 Xiao-dong , W ANG Kai
1 2
( 1. School of Municipal and Environmental Engineering , Harbin InstÏtute of Technology , Harbin 150090 , China; 2. China Airport Construction Group Corporation , Beijing 100101 , China , wangkaihit@ 163. com) Abstract: In order to optimize the aerodynamic characteristics of high speed elevator , and find reasonable flow-guiding cover for the elevator car , a high-speed elevator with loading capacity of 1000 kg and speed of 6 m/ s developed by a company uses was simulated and optimized by CFD numerical simulation. The aerodynamic defect of the elevator car was found through simulation , and optimizd schemes of fixing a flow-guiding cover respectively on the top and bottom of the high-speed elevator car were put forward. By comparing the optimization effects , it is found that running resistance , vibration and noise can be effectively reduced by fixing elliptical flow-guiding covers with the height of 1. 0 or 1. 4 m on the top and bottom of the elevator car. Th is study provides references for the design of high-speed elevators. Key words: high -speed elevator; simulation; optimization; aerodynamic characteristics
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按照简化后的物理模型，将计算模型建为如
图 1 的形式.整个计算模型由电梯轿厢、井道壁、
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进风口及排风口 4 部分组成.各部分的边界条件
及属性如下: 电梯轿厢为 1600
跚咖制
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mm x 1500 mm x 2350 mm
轿厢壁距电梯井道后壁距离为 400 mm. 在实际工
程中，高速电梯的轿厢外形及井道内的气流运动
都是十分复杂的，完全按照实际情况建立计算模
型将是十分困难的，同时也会使计算结果的代表 性差.因此，有必要对电梯的物理模型进行边界条
件上的简化，以便计算过程更加简化，同时也使结
果具有更广泛的代表性 为了达到以上目的，在模拟计算中，对物理模
力学软件 Fluent 针对运行速度为 6 m/s 的高速电
梯的气动特性进行数值模拟计算，找到高速电梯
形 [l]. 近年来国外专家研究发现，在高速电梯运
行时，气体在瞬时被急剧压缩，甚至会产生压力
波 [2]. 同时，箱体与井道之间的缝隙处的气体，由
于流动面积的突然缩小，相对于箱体的流动速度 便会突然增加，因此，会产生很大的气功阻力，甚
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x2100 mm 的长方形，处于竖井顶端.为定流速送
风口，送风速度为 6 rn/ s. 排风口为 2000 mm x
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2100 mm 的长方形，处于竖井底端，为自由排风
口.流体:模型内的流体为空气，温度为 20 吃，按
理想气体考虑.
阻力和气动噪音，并导致轿厢振动.除了增加载荷
电梯速度的提高带来了一系列需要解决的技
术问题.对于普通电梯，箱体的运行速度较低，所
产生的气动阻力也相对较小，因此，电梯的气动问
题→向不被人重视，更没有人考虑气动力外
外，对电梯运行的安全性和乘客的舒适性也会产
生影响 [3 ，4].
结合某公司开发的具体项目，利用计算流体
摘
要:为优化高速电梯的气动特性，从而为电梯轿厢确定合理的导流罩方案，采用 CFD 数值计算模拟方
法，针对某公司开发的载重量为 1000 屿，运行速度为 6 m/s 的单井道高速电梯进行数值模拟计算和优化.主
要内容包括:对高速电梯轿厢原型进行模拟计算，找到其气动特性方面的主要缺陷;提出优化方案:电梯轿厢 的顶部和底部加装导流罩，通过比较方案的优化效果，认为在 6 种不同形式和高度的导流罩方案中，轿厢顶
第 41 卷第 6 期
2∞9 年 6 月
哈尔滨工业大学学报 JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
Vol. 41
No.6
2∞9
Jun.
速电梯气动特性研究与优化
李晓冬1 ，王凯2
(1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，哈尔滨 15∞90;2. 中国民航机场建设集团公司，北京 100101 ， wangkaihit@ 163. com)
端和底部加装1. 0m 和1. 4m 高椭圆形导流罩的方案可有效地优化电梯轿厢的外形，减小电梯运行时的阻 力、振动和噪声.
关键词:高速电梯;数值模拟;优化;气动特性
中图分类号: TU976.3
文献标识码 :A
文章编号: 0367 - 6234 ( 2009 ) 06 - 0082 - 05
Opthnization of aerodynamic characteristics of high-speed elevator
而其中运动粘滞阻力仅为 30.2 N. 电梯轿箱顶部
气流速度较小，但静压很大，贴近轿厢顶的区域气
体接近静止，静压可达 150 Pa. 等压线呈半圆或近
似半圆状分布，距离轿厢顶部中心1. 0m 处的位
使用寿命，甚至影响到电梯的安全性 [7 ， B].
置静压仍达 130 Pa 左右，而轿厢尾部存在一个较
图 l
电梯原型计算模型
1.2
模拟结果及分析
高速电梯轿厢外型气动特性主要是通过气流
型的边界条件做了如下的简化和假设[到:
1) 将整个运动过程假设为电梯井道和轿厢
静止，气流从轿厢外以 6 rn/ s 的速度流向轿厢.在
绕过轿厢的速度场和压力场的分布以及轿厢受到
的气动阻力来表现的，所以，本部分的主要内容
是:分析电梯轿厢周围的压力场;分析电梯轿厢周
大的负压区.
表1
压强阻力
1. 3
优化方案的论证
通过对高速电梯原型的模拟计算结果可以得
轿厢阻力参数
粘滞阻力
总阻力
N
出提高电梯井道与轿厢的截面比，即增大井道的
横截面面积的方法来优化高速电梯的气动特性并 不是一种好的方法.因为增加井道面积虽然能有 效地降低轿厢周围的流体速度，但流体绕过电梯
449.2
30.2
中的最大速度存在于气流刚刚进入轿厢与井道之
间的狭缝区，此处的局部速度可达 19 m/s. 从静
压场分布图可以观察到电梯轿箱顶部的外侧与竖
井壁间的区域是等压线分布最密集的地方，即该 区域是静压下降最快的区域.造成静压急速下降
部加导流罩来实现对电梯轿厢气动特性的优化. 结合对轿厢原型的模拟计算结果，提出如下形式 的导流罩方案:
的主要原因除了流体的流动速度迅速提高，动压 增大，一部分静压转化为动压之外，流体从轿厢以
上的广阔区域进人轿厢与井道之间的狭缝，其截
1 )电梯轿厢顶部导流罩与底部导流罩呈对
称状.因为电梯的运行是双向的，只有保证导流罩
对称才能使电梯在向上和向下运动时运行工况
面积在很短的距离内变化很大，这样一个突缩必
一致. 2) 导流罩的形式分别为抛物线形和椭圆形
因 2
截面的压力、速度分布图
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源自文库
哈尔滨工业大学学报
第 41 卷
分析各截面压力场和速度场以及电梯轿
的作用会被消耗掉.但周期性变化的气动响应具 有负阻尼的性质，有轻微振动的电梯结构会与气
流相互作用并从中吸收能量，从而使电梯的振动
厢受力数据，可以得到电梯轿厢原型的特点 和结论:
1 )电梯轿厢所受到的阻力主要来自于压强
对井道间的运动速度变化对研究轿厢影响不大.
2) 将电梯轿厢简化为规则的 1600 mm X
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1500 mm x2350 mm 封闭长方体.忽略钢缆、电梯
轿厢顶部机械设备及轿厢内通风对电梯轿厢周围 气流的影响. 3) 忽略井道内空气的烟囱效应影响.由于烟
479.4
2) 气流进人电梯轿厢与井道壁的夹缝处和
流体夹缝的两个区域存在较大的局部阻力，因此，
需要设法使此两处的流动更加顺畅.整个速度场
轿厢产生的粘滞阻力本身只占很小的比例.同时， 增加井道的横截面面积也必然加大了电梯的占地
面积，这是电梯开发商和用户都不愿接受的. 因此，将重点放在通过在电梯轿厢顶部和底
囱效应造成的空气流动速度相对高速电梯的运动
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速度来说很小，而且电梯的运动是双向的，即轿厢 的运动方向与竖井内的空气由于烟囱效应造成的 运动有一半时间是相同的，另一半时间是相反的. 因此，把烟囱效应造成的影响忽略是合理的.
阻力，运动粘滞阻力在整个阻力中所占的比例很
小.在电梯轿厢 z 方向受到的总阻力为 479.3 N ,
幅度不断被放大.因此，该旋涡将呈现周期性的摆
动，并周期性地从轿厢尾部脱落，被带到下游.该
涡流区的存在，不仅使得轿厢底部存在-个较大 的负压区，从而增大了轿厢所受的阻力，还可能导 致轿厢周期性的振动.这将对轿厢乘坐的舒适性 造成负面影响，还可能会缩短轿厢上主要部件的
至在箱体上下游处可能会出现分离和旋涡，即所
轿厢原型存在的主要气动缺陷;提出合理的轿厢
外形优化方案，并对优化方案进行模拟分析和
比较.
谓的隧逆气功效应，这将直接影响到箱体的气动
收稿日期:
1
1. 1
电梯原型气动特性分析
计算模型
2007 -(:)9 -14.
作者简介:李晓冬!I 960一) ，男，副教授
针对某公司开发的运行速度为 6 m/ s ，载重
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1 啼，庸的
的封闭长方体，轿厢中心坐标 (0 ， 0 ， 0). 电梯井道
壁为 2000 mm x 2100 mm x 8000 mm 的长方体，
上下两端开口，中心坐标( 0 , -
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成竖井的 4 个面为绝热墙体.进风口为 2000 mm
第6期
李晓冬，等:高速电梯气动特性研究与优化
. 83 •
量 1 ∞o kg 的单井道高速电梯进行研究计算.电
梯井道截面为 2000 mm X 2100 mm 的矩形;电梯 轿厢截面为 1600 mm X 1500 mm 的矩形，轿箱的
高度为 2350 mm; 电梯轿厢壁距电梯井道前壁(电 梯门方向)、左壁、右壁的距离均为 200 mm ，电梯
两种(如图 3) .由于电梯轿厢 xy 截面为矩形，导 流罩设置为两个分别以 x =0 m 和 y =0 m 为轴 的柱状曲面相交后的结果.
3) 每种形式导流罩采用 3 种高度，分别为