高速电梯的气动特性

随着世界科技和经济的发展，以及人们对空间越来越大的要求，越来越多的现代化城市规划者把目光投向了高层和超高层建筑。

而建筑高度的增加,也必然会要求建筑内的电梯运行速度提高。

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，因而所产生的气动阻力也相对较小，因此电梯的气动问题一向不被人重视，更没有人考虑气动力外形。

近年来国外特别是日本的专家研究发现，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。

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动阻力，甚至在箱体上下游处可能会出现分离和旋涡，即所谓的隧逆气动效应，这将直接影响到箱体的气动阻力和气动噪音。

除了增加载荷外，对电梯运行的安全性和乘客的舒适性也会产生影响。

电梯原型气动特性分析
2.1计算模型
本课题针对某公司开发的运行速度为6m/s，载重量1000kg的单井道高速电梯进行研究计算。

电梯井道截面为2000mm×2100mm的矩形;电梯轿厢截面为1600mm×1500mm的矩形，轿箱的高度为2350 mm;电梯轿厢壁距离电梯井道前壁(电梯门方向)、左壁、右壁距离电梯井道两侧壁均为200mm，电梯轿厢壁距离电梯井道后壁距离为400mm。

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，完全按照实际情况进行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，在本次模拟计算中，对物理模型的边界条件做了如下的简化和假设：
(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6m/s的速度流向轿厢。

在实际运动中，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1600mm×1500mm×2350mm的封闭长方体。

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的影响。

由于烟囱效应造成的空气流动速度相对高速电梯的运动速度来说很小，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。

图1 电梯原型计算模型
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、进风口及排风口四部分组成。

各部分的边界条件及属性如下：
电梯轿厢——为1600mm×1500mm×2350mm的封闭长方体，轿厢中心坐标(0，0，0)。

电梯井道壁——为2000mm×2100mm×8000mm的长方体，上下两端开口，中心坐标(0，-100，-1500)。

围成竖井的四个面为绝热墙体。

进风口——为2000mm×2100mm的长方形，处于竖井顶端。

为定流速送风口，送风速度为6m/s。

排风口——为2000mm×2100mm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℃，按理想气体考虑。

2.2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
电梯轿厢周围的速度场;分析电梯轿厢所收到的阻力和电梯轿厢的绕流阻力系数。

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。

分析各截面压力场和速度场以及电梯轿厢受力数据，可以得到电梯轿厢原型的特点和结论：
图2 截面的压力、速度分布图
表1 轿厢阻力参数
(1)电梯轿厢所受到的阻力主要来自于压强阻力，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方向的受到的总阻力为479.3N，而其中运动粘滞阻力仅为30.2N。

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150Pa。

等压线呈半圆或近似半圆状分布，距离轿厢顶部中心1.0m处的位置处静压仍达130Pa 左右，而轿厢尾部存在一个较大的负压区。

(2)气流进入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19m/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入轿厢与井道之间的狭缝，其截面积在很短的距离内变化很大，这样一个突缩必然会损耗大量的静压力。

同样，在轿厢的尾部，流体流经一个突扩口，此处存在很大的局部阻力，也导致静压上的损失。

(3)电梯轿厢底部区域内存在一个涡流区。

造成这种现象的原因是，气流由较高速度从电梯轿厢与井道壁间的狭缝内射出，而电梯轿厢底部附近区域由于受到轿厢的遮挡，空气的流速很小，便形成了这种近似喷射的状态。

由于此时电梯周围的气流雷诺数都很大，靠近钝体的高压不足以把附面层推到包围住非流线形钝体的背面。

高速气流到电梯的尾部会产生很大的分离，并形成在流动中尾部拖曳的剪切层。

由于剪切层的两侧存在很大的速度梯度，以此形成的剪切层会在流动中卷成不连续的漩涡，不断的从电梯尾部脱落下来，最后在电梯尾部流场中形成一个非定常涡迹。

这种非定常漩涡的不断脱落和演化会使流场中的压力产生剧烈的波动，并导致电梯表面受到的流向阻力和横向升力呈现周期或非周期的变化。

对于非周期变化的气动力，由于结构阻尼和气动阻尼的作用会被消耗掉。

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，从而使电梯的振动的幅度不断被放大。

因此，该旋涡将呈现周期性的摆动，并周期性的从轿厢尾部脱落，被带到下游。

该涡流区的存在，不仅使得轿厢底部存在一个较大的负压区，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。

这将不仅对轿厢乘坐的舒适性造成负面影响，还可能会缩短轿厢上的主要部件的使用寿命，甚至影响到电梯的安全性[3,4]。

2.3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的降低轿厢周围的流体速度，但流体绕过电梯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：
(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，所以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一致。

(2)导流罩的形式分别为抛物线形和椭圆形两种。

由于电梯轿厢XY截面为矩形，导流
罩设置为两个分别以x=0m和y=0m为轴的柱状曲面相交后的结果。

(3)每种形式导流罩采用三种高度，分别为0.6m、1.0m和1.4m。

该高度是指从轿厢顶部(或者轿厢底部)中心到电梯轿厢导流罩顶端的垂直距离。

3优化方案的计算及比较
3.1计算模型
根据导流罩的形式的不同，将6种方案分为两类，即：A，抛物线形导流罩;B，椭圆形导流罩。

按照导流罩的高度分，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ分别代表0.6m，1.0m，1.4m三种不同高度的导流罩方案。

由于电梯轿厢为矩形截面，两种导流罩设计为两个轴线方向垂直的两个抛物线柱面和椭圆面相交的部分，以便于导流罩和轿厢更好的结合。

3.2模拟结果及分析
本次模拟计算将分别选取六个方案的y=0m截面上的速度场分布图和静压场的分布图以及电梯轿厢在Z方向的所受到的阻力数据进行比较和分析。

(1)从电梯轿厢受到的阻力情况来看，椭圆形导流罩方案的整体所受阻力较抛物线形要小。

从导流罩高度的角度比较来看，三种形式的导流罩均是1.4m高导流罩受力最小，1.0m 的导流罩方案次之，0.6m的导流罩方案所受阻力最大，
即随着导流罩高度的增加，轿厢受到的阻力呈下降趋势。

从受力大小来看，总阻力在100N以下的共有5个方案，分别为方案AⅡ、AⅢ、BⅠ、BⅡ和BⅢ。

其中方案AⅢ、B Ⅱ和BⅢ的总阻力更是降到80N以下，分别为77.66N、77.64N和72.21N，相较于电梯原型的总阻力479.4N来说，减阻效果非常好。

(2)从绕流过电梯轿厢的流体速度来看，椭圆形导流罩的方案要优于其它两种方案。

可将流场内的最大速率值作为对流场评价一个参考指标，表3为电梯原型及各优化方案在y=0m截面上的最大速度值。

由于整个流场内的最大速度存在于流体由轿厢顶部刚刚进入电梯轿厢与竖井壁间的狭缝处的区域，所以最大速度值可以很大程度反映出轿厢顶部导流罩气动特性是否合理。

由表3不难看出，椭圆形导流罩方案的轿厢周围流体最大速度值最低，而且方案BⅡ和BⅢ的y=0m截面最大速度甚至降至15m/s左右，而气流在电梯轿厢与竖井壁之间的狭缝内的平均速度为14.0m/s。

因此可以认为方案BⅡ和BⅢ的轿厢顶部的导流罩设计方案在降低整个流场的最大速度值方面是非常成功的。

根据Mitsubishi公司针对12.5m/s的高速电梯气动噪声的研究结论[5]：高速非定常气流引起的气动噪声的大小与绕过电梯表面的气流速度的5次方到6次方成正比。

基于这一结论可以认为方案BⅡ和BⅢ在气动噪声方面也要优于其它方案。

(3)从轿厢尾部的气流分布来看，各方案较电梯原型均有改善，但方案AⅠ和BⅠ的轿厢尾部导流罩附近仍有涡流区域。

方案AⅡ、AⅢ、BⅡ和BⅢ均不再有明显涡流区存在因此这些方案的底部导流罩在减小由于尾部涡流引起的振动方面以及减小电梯轿厢所受到的阻力方面都是成功的。

4 结论
(1)通过对电梯轿厢原型的模拟发现其存在严重的气动缺陷，主要表现为轿厢受到的空气阻力过大，轿厢尾部存在严重的涡流。

通过对模拟结果分析发现造成该现象的主要原因并非电梯井道截面积不够，而是气流流经电梯顶部和底部时受到太大的局部阻力。

因此在轿厢顶部和底部加装导流罩是解决该问题的一个较好途径。

(2)通过对优化方案模拟计算和对模拟结果的比较，发现加装导流罩是解决电梯轿厢阻力、消除轿厢尾部涡流、减小气动噪声等方面的问题的一个较好的途径。

特别是1.0m和1.4m
高的椭圆型导流罩方案在轿厢的气动特性的优化上效果更加突出。