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曳引速度對(duì)帶導(dǎo)流罩電梯氣動(dòng)性能的影響研究
電梯曳引機(jī)是電梯的動(dòng)力設(shè)備,又稱電梯主機(jī)。功能是輸送與傳遞動(dòng)力使電梯運(yùn)行。它由電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、聯(lián)軸器、減速箱、曳引輪、機(jī)架和導(dǎo)向輪及附屬盤車手輪等組成。導(dǎo)向輪一般裝在機(jī)架或機(jī)架下的承重梁上。盤車手輪有的固定在電機(jī)軸上,也有平時(shí)掛在附近墻上,使用時(shí)再套在電機(jī)軸上。
摘要:為了探究不同曳引速度下加裝橢圓導(dǎo)流罩超高速電梯的振動(dòng)和噪聲狀況,通過(guò)ANSYS Fluent軟件開展了曳引速度分別為6 m/s、12 m/s和18 m/s時(shí)加裝橢圓導(dǎo)流罩電梯的空氣動(dòng)力學(xué)分析,揭示了曳引速度對(duì)電梯轎廂受到空氣阻力、轎廂表面靜壓和速度分布的影響規(guī)律。結(jié)果表明,電梯轎廂表面靜壓隨曳引速度的增加成平方倍增加,轎廂表面空氣流速與曳引速度成正比關(guān)系;當(dāng)電梯速度較小時(shí),加裝橢圓導(dǎo)流罩對(duì)改善氣動(dòng)特性效果較好,而當(dāng)電梯速度達(dá)到10 m/s以上時(shí),橢圓導(dǎo)流罩未能使電梯氣動(dòng)性能達(dá)到較優(yōu)效果。
關(guān)鍵詞:超高速電梯;曳引速度;數(shù)值模擬;空氣動(dòng)力學(xué);橢圓導(dǎo)流罩
引言
隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市建設(shè)的推進(jìn),城市人口分布也越來(lái)越密集,高層、超高層建筑在各大、中城市拔地而起,而高速(V>2 m/s)和超高速(V>5 m/s)電梯是必不可少的垂直運(yùn)輸設(shè)備[1],例如828 m迪拜塔電梯速度高達(dá)17.4 m/s;632 m上海中心大廈電梯速度高達(dá)18 m/s。然而,隨著電梯運(yùn)行速度的提高,振動(dòng)以及噪聲也同時(shí)加劇,極大地影響了乘客的舒適感。其中,較為重要的影響因素之一是電梯氣體動(dòng)力學(xué)(氣動(dòng))問題[2,3]。由于普通電梯運(yùn)行速度較低,井道內(nèi)氣流對(duì)轎廂的影響較小,因此電梯的氣動(dòng)問題一直沒能得到人們的重視。但隨著高速、超高速電梯的出現(xiàn),電梯的運(yùn)行速度迅速提高。當(dāng)電梯在狹長(zhǎng)的井道內(nèi)高速上下運(yùn)行時(shí),氣體瞬間被急劇壓縮,同時(shí)轎廂與井道間的狹縫處氣體流動(dòng)面積突然減小,因此氣體與轎廂間相互作用產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲[4];另外在轎廂的底部附近由于轎廂的遮擋,空氣流速很小,氣流會(huì)形成渦流區(qū),該渦流區(qū)在轎廂底部呈周期性的擺動(dòng)和脫落,直接影響到廂體的振動(dòng)和受到的氣動(dòng)阻力。所以,這些氣動(dòng)引起的噪聲和轎廂振動(dòng)不但影響到乘坐舒適感,而且對(duì)電梯運(yùn)行安全造成嚴(yán)重威脅[5]。
近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了高速電梯的空氣動(dòng)力學(xué)研究。針對(duì)氣流對(duì)電梯噪聲和振動(dòng)的影響方面,Nai和Forsythe[6]提到電梯氣動(dòng)噪聲的大小與繞過(guò)電梯表面氣流速度的5次到6次方成正比;So等[7]建立了井道內(nèi)高速電梯的繞流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型,通過(guò)理論建模分析了井道內(nèi)氣壓的變化對(duì)電梯轎廂內(nèi)噪音的影響;Zhu等[8]建立了運(yùn)動(dòng)纜繩的線性橫向動(dòng)力學(xué)模型,分析了不同提升工況下氣流對(duì)纜繩受力的影響。在噪聲控制方面,Landaluze等[9]采用主動(dòng)噪聲控制方法降低了電梯內(nèi)大部分區(qū)域的低頻噪聲;In-Hyung等[10]采用改良的主動(dòng)噪聲控制方法在降低轎廂內(nèi)頻率低于500Hz的噪音取得顯著效果。陸志華和王水來(lái)[11]從空氣傳聲和固體傳聲兩方面探討了隔聲降噪的措施。為解決電梯氣動(dòng)問題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電梯的結(jié)構(gòu)外形進(jìn)行了優(yōu)化。段穎等[12]設(shè)計(jì)建成一套簡(jiǎn)化高速電梯氣動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)多種狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)?zāi)M,獲得了繞箱體存在復(fù)雜非定常的渦流動(dòng),頭部基本不分離,不同形狀的影響不大;尾部分離情況不同,平頭與其它形狀有明顯區(qū)別的結(jié)論;楊小峰[13]等通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)方法發(fā)現(xiàn)橢圓形的前后緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠降低抑制氣動(dòng)噪聲。 李曉東和王凱[5]采用數(shù)值計(jì)算模擬方法,對(duì)單井道電梯進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和優(yōu)化,得出1 m和1.4 m高的橢圓型導(dǎo)流罩對(duì)于轎廂氣動(dòng)特性的優(yōu)化有突出效果。然而,目前針對(duì)不同曳引速度下加裝導(dǎo)流罩電梯轎廂的氣動(dòng)性能研究尚未見報(bào)道。
因此,本文利用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent模擬對(duì)比分析了加裝橢圓形導(dǎo)流罩前后超高速電梯的空氣動(dòng)力學(xué)特性,探討了不同曳引速度(6 m/s、12 m/s和18 m/s)對(duì)帶橢圓形導(dǎo)流罩電梯氣動(dòng)性能的影響規(guī)律。
一、電梯氣體動(dòng)力學(xué)建模
1.1 無(wú)導(dǎo)流罩電梯氣體動(dòng)力學(xué)模型
選取典型的電梯井道參數(shù)和轎廂參數(shù),如表1所示。電梯包括轎廂、曳引系統(tǒng)、對(duì)重系統(tǒng)、導(dǎo)軌導(dǎo)靴、轎架等,為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)建模和網(wǎng)格劃分,僅保留轎廂關(guān)鍵部件,忽略其他次要結(jié)構(gòu),構(gòu)建井道中電梯轎廂的空氣動(dòng)力學(xué)模型,如圖1所示。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,轎廂在井道中上、下運(yùn)動(dòng),為模擬計(jì)算方便,將電梯轎廂靜止在井道中某位置處,空氣以轎廂運(yùn)行速度按照與轎廂運(yùn)動(dòng)相反方向流動(dòng),該方法僅影響空氣與井道壁的相對(duì)流動(dòng),而對(duì)轎廂和空氣之間的氣動(dòng)作用影響不大[5]。
1.2 氣體動(dòng)力學(xué)模型驗(yàn)證
當(dāng)無(wú)導(dǎo)流罩電梯向上運(yùn)行速度為6 m/s時(shí),通過(guò)空氣動(dòng)力學(xué)分析能夠得到電梯的靜壓力和速度分布圖以及沿井筒方向(Z向)受力情況。為研究方便,獲得轎廂的XZ、YZ對(duì)稱面靜壓力和速度分布,如圖2所示。由圖2a和b可知,轎廂表面靜壓沿XZ面呈對(duì)稱分布。當(dāng)氣流到達(dá)轎廂頂部時(shí)受到阻滯,造成轎廂頂部呈半圓狀分布的高靜壓區(qū),而且越靠近轎廂頂壁處?kù)o壓越大,貼近轎廂頂壁處?kù)o壓可達(dá)179 Pa;當(dāng)氣流剛進(jìn)入轎廂與井道間狹縫處時(shí),等壓線分布較密集,靜壓下降很快;狹小的轎廂-井道間隙和空氣的粘滯作用使得空氣得不到足夠回流[4],進(jìn)而導(dǎo)致導(dǎo)致轎廂側(cè)面及底部區(qū)域的負(fù)壓區(qū),最大負(fù)壓可達(dá)-181 Pa。轎廂頂部高正壓區(qū)和轎廂底部低負(fù)壓區(qū)導(dǎo)致轎廂上下的靜壓差,進(jìn)而導(dǎo)致轎廂的壓差阻力[2,12]。沿Z向的轎廂壓差阻力和粘滯阻力分別為429.26 N和22 N,故轎廂主要受到壓差阻力的作用。
由圖2c和d發(fā)現(xiàn),在轎廂頂部中間位置,氣流因受到阻滯作用流速幾乎為零;而當(dāng)氣流剛進(jìn)入轎廂與井道狹縫處時(shí),氣流流速迅速增加;在轎廂底部,存在較大渦流區(qū),這是因?yàn)闅饬饔奢^高速度從電梯轎廂與井道壁間的狹縫里射出,而電梯轎廂底部附近區(qū)域由于受到轎廂的阻擋,空氣流速很小,便形成了渦流區(qū)[5]。該渦流區(qū)將呈周期性的擺動(dòng),輕微振動(dòng)的電梯結(jié)構(gòu)會(huì)與氣流相互作用并從中吸收能量,從而使電梯振動(dòng)的幅度不斷被放大,進(jìn)而影響電梯的乘坐舒適性及其安全可靠性[4]。轎廂周圍氣流最大流速為19.3 m/s,且速度和靜壓沿XZ面呈對(duì)稱分布,在空氣剛進(jìn)入轎廂與井道間狹縫處等壓線分布密集、速度迅速增加,這些結(jié)果與前人研究獲得的結(jié)果一致[5],說(shuō)明所建空氣動(dòng)力學(xué)模型的有效性。
1.3 帶橢圓導(dǎo)流罩電梯轎廂氣體動(dòng)力學(xué)行為
通過(guò)對(duì)無(wú)導(dǎo)流罩電梯的模擬計(jì)算,發(fā)現(xiàn)電梯運(yùn)行時(shí)轎廂上下存在靜壓差導(dǎo)致轎廂Z向受到較大阻力,且轎廂底部存在較大渦流區(qū),這對(duì)電梯乘坐的舒適性及安全性有較大影響,因此需對(duì)電梯轎廂的外形進(jìn)行優(yōu)化,加裝橢圓導(dǎo)流罩可以使氣流經(jīng)過(guò)轎廂表面更為順暢,從而減小轎廂上下靜壓差以及轎廂底部渦流區(qū),是一種有效的電梯減振降噪優(yōu)化方式[5,13,14]。構(gòu)建帶橢圓形導(dǎo)流罩電梯轎廂空氣動(dòng)力學(xué)模型,如圖3所示。導(dǎo)流罩為兩個(gè)截面為半橢圓形、軸線互相垂直的柱體相交部分,柱體方程別為x2/0.64 +z2/0.36=1、x2/0.5625+z2/0.36=1,其中z≥0。
圖4為運(yùn)行速度6 m/s時(shí)帶橢圓導(dǎo)流罩電梯轎廂XZ對(duì)稱面的靜壓力、速度分布圖。由圖4a發(fā)現(xiàn),加裝橢圓導(dǎo)流罩后電梯轎廂表面最大靜壓由183 Pa降至140 Pa;與無(wú)導(dǎo)流罩轎廂相比,底部負(fù)壓區(qū)不再有明顯負(fù)壓區(qū)且轎廂表面最大負(fù)壓有-181 Pa降至-22.7 Pa,而且轎廂上、下表面的靜壓差有效減小,沿Z向轎廂總阻力由451 N降至120 N。由圖4b發(fā)現(xiàn),加裝橢圓導(dǎo)流罩轎廂表面氣流流速最大為15.1 m/s,較未加導(dǎo)流罩情況最大氣流流速低4.2 m/s,依據(jù)電梯氣動(dòng)噪聲與繞過(guò)電梯表面氣流速度的5次到6次方成正比[6],可知加裝橢圓導(dǎo)流罩能夠有效地改善電梯的氣動(dòng)噪聲;同時(shí),加裝橢圓導(dǎo)流罩后轎廂底部不再有明顯的渦流區(qū),提高了電梯的穩(wěn)定性[4]。所以,在電梯轎廂上加裝橢圓導(dǎo)流罩,不但能有效降低電梯的氣動(dòng)噪聲,而且能夠提高電梯運(yùn)行的穩(wěn)定性和舒適性。
1.4 空氣流速對(duì)加橢圓導(dǎo)流罩電梯轎廂XZ對(duì)稱面靜壓的影響
當(dāng)空氣相對(duì)于電梯轎廂以6 m/s、12 m/s和18 m/s的流速流動(dòng)時(shí),通過(guò)空氣動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算獲得如圖5所示的靜壓力分布圖(XZ對(duì)稱面)。由圖可知,在流速分別為6 m/s、12 m/s和18 m/s時(shí),最大靜壓分別為140 Pa、557 Pa和1250 Pa,轎廂沿Z向受力分別為120.68 N、469.24 N、1040.54 N。隨著流速的增加,轎廂上部最大靜壓、轎廂兩側(cè)負(fù)壓絕對(duì)值、上下表面靜壓差以及沿Z向受力均增大。隨著氣流流速的增加,轎廂與氣流的相對(duì)流速隨之增加,因此轎廂表面靜壓的絕對(duì)值也增加[15]。對(duì)照?qǐng)D5a、b和c三圖的相同位置靜壓值發(fā)現(xiàn),轎廂頂部和底部同一位置靜壓滿足1:4:9的比例關(guān)系,因此轎廂頂部與底部靜壓大小與空氣進(jìn)入井道速度大小(6 m/s、12 m/s、18 m/s)的二次方基本成正比。由于轎廂主要受壓差阻力作用,而壓差阻力由轎廂上下靜壓差產(chǎn)生,故轎廂沿Z向受力也與空氣進(jìn)入井道速度大小的二次方基本成正比。以6 m/s未加導(dǎo)流罩電梯氣動(dòng)特性為參考,電梯速度較小時(shí)加裝橢圓導(dǎo)流罩轎廂受力較小,而速度達(dá)到10 m/s以上后轎廂受力仍較大,因此對(duì)于速度10 m/s以上電梯加裝橢圓導(dǎo)流罩對(duì)減小轎廂的氣動(dòng)阻力效果不佳。
1.5 空氣流速對(duì)加橢圓導(dǎo)流罩電梯轎廂XZ對(duì)稱面速度場(chǎng)的影響
圖6為空氣相對(duì)于電梯轎廂以6 m/s、12 m/s和18 m/s的流速流動(dòng)時(shí)XZ對(duì)稱面的速度分布圖。由圖6可知,在空氣相對(duì)于電梯轎廂以6 m/s、12 m/s和18 m/s的流速流動(dòng)時(shí),空氣流速均在轎廂與井道壁縫隙處最大,最大空氣流速分別為15.1 m/s、39.2 m/s、45.3 m/s,因而,最大流速與空氣進(jìn)入井道速度的大小成正比;由電梯氣動(dòng)噪聲與繞過(guò)電梯表面氣流速度的5次到6次方成正比[6]可知,電梯速度達(dá)到10 m/s以上時(shí)轎廂表面氣動(dòng)噪聲將急劇增加,僅加裝橢圓導(dǎo)流罩對(duì)改善超高速電梯氣動(dòng)噪聲效果效果欠佳。
二、結(jié)論
本文運(yùn)用ANSYS Fluent軟件對(duì)帶橢圓導(dǎo)流罩超高速電梯開展空氣動(dòng)力學(xué)分析,得出以下結(jié)論:
(1)帶橢圓導(dǎo)流罩電梯超高速運(yùn)行時(shí)轎廂表面靜壓沿XZ面呈對(duì)稱分布,轎廂頂部靜壓較大,側(cè)面和底部存在負(fù)壓區(qū),轎廂頂部及底部等壓線分布密集。隨著電梯曳引速度增加電梯表面靜壓隨之增加,靜壓大小與曳引速度大小的二次方成正比,由電梯上下靜壓差導(dǎo)致的電梯轎廂豎直方向受力與速度大小的二次方同樣成正比。
(2)電梯高速運(yùn)行時(shí)轎廂表面氣流流速沿XZ面呈對(duì)稱分布,氣流流速在轎廂與井道狹縫處增至最大值。電梯高速運(yùn)行時(shí)繞流過(guò)轎廂表面氣流速度隨電梯曳引速度增加而增大,且轎廂表面氣流速度與曳引速度的大小成正比。
(3)電梯運(yùn)行速度較小時(shí),加裝橢圓導(dǎo)流罩對(duì)改善電梯氣動(dòng)特性效果較優(yōu),而當(dāng)電梯速度高于10 m/s時(shí)橢圓導(dǎo)流罩未能使電梯氣動(dòng)性能達(dá)到較優(yōu)效果。
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