高速電梯轎廂整流罩氣動(dòng)噪聲研究

陳繼文，王 磊，甄 濤，蘇 強(qiáng)，李 鑫

（1.山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.濟(jì)南市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，山東濟(jì)南250102）

隨著電梯朝著高速方向不斷地發(fā)展，噪聲成為影響電梯乘客舒適度的重要指標(biāo)。機(jī)械噪聲和氣動(dòng)噪聲是高速曳引電梯噪聲的主要噪聲源，而在轎廂頂部和底部增加整流罩是控制高速電梯風(fēng)噪聲的重要措施［1］。整流罩的設(shè)計(jì)涉及空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、噪聲學(xué)甚至美學(xué)等一系列學(xué)科［2］。整流罩外形設(shè)計(jì)對(duì)降低高速電梯的振動(dòng)噪聲起著重要作用。從設(shè)計(jì)目標(biāo)上看，整流罩外形及相關(guān)尺寸的設(shè)計(jì)要盡可能減振降噪，同時(shí)還考慮到整流罩在有效壽命內(nèi)能抵抗疲勞載荷和維修方便等。為了滿足這些要求，需要考慮整流罩的結(jié)構(gòu)、材料、成本和加工工藝性等方面問(wèn)題［3］。文獻(xiàn)［4］研究了脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)的整流罩，并得出了當(dāng)錐角θ=150°時(shí)，其受力效果最好的結(jié)論，但未分析其他形狀的整流罩；文獻(xiàn)［5］提出載質(zhì)量為1 000 kg、拱頂高為1.0 m的橢圓形整流罩方案在減小電梯轎廂阻力、消除轎廂尾部渦流、減小氣動(dòng)噪聲及工程實(shí)用性方面有較好的效果。本文運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真技術(shù)分析轎廂外形與氣動(dòng)噪聲的關(guān)系，研究了高速電梯轎廂及其上下兩端分別安裝錐形整流罩和拱形整流罩時(shí)，轎廂周?chē)鲌?chǎng)與氣動(dòng)噪聲特性以及整流罩對(duì)轎廂氣動(dòng)噪聲的影響，并對(duì)轎廂高速運(yùn)行產(chǎn)生的流場(chǎng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，為高速電梯整流罩的設(shè)計(jì)提供了有益參考。

1 高速運(yùn)行電梯轎廂的切應(yīng)力分析

轎廂對(duì)電梯的額定速度有重要影響，需要優(yōu)化轎廂結(jié)構(gòu)以減小其高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的切應(yīng)力，降低由此造成的轎廂振動(dòng)與噪聲。轎廂及整流罩三維模型圖如圖1所示。

圖1 轎廂及整流罩三維模型圖Fig.1 Three-dimensional model diagram of elevator car and fairing

研究轎廂在井道內(nèi)運(yùn)行時(shí)所受的氣動(dòng)力，首先要確認(rèn)轎廂在井道內(nèi)收受到的經(jīng)常以黏性阻尼作［6-7］。圖2為普通轎廂受黏性阻尼的現(xiàn)象，則氣流對(duì)轎廂的切應(yīng)力表達(dá)式為

圖2 普通轎廂受黏性阻尼現(xiàn)象圖Fig.2 Viscous damping phenomenon of ordinar y elevator car

為了研究方便（見(jiàn)圖2），把速度近似看作線性分布，即轎廂內(nèi)壁流體流速為零，而轎廂外壁流體流速為v，則速度梯度為

式中：γ為流體（空氣）的黏度，MPa·s；v為流體（空氣）的速度，m/s；D為轎廂的寬度，m；Di為井道的寬度，m。

井道中轎廂側(cè)面上的切應(yīng)力對(duì)轎廂產(chǎn)生的阻力FR為

式中：AP為轎廂的側(cè)面積。

轎廂向上運(yùn)動(dòng)所引起的氣流運(yùn)動(dòng)主要包括：因活塞效應(yīng)導(dǎo)致一部分風(fēng)向井道上方流動(dòng)形成活塞風(fēng)，另一部分風(fēng)則會(huì)在轎廂底面推動(dòng)下向上方運(yùn)動(dòng)［8］。電梯井道壁與轎廂壁均設(shè)置為絕熱墻體，電梯井道兩端的通風(fēng)口均設(shè)置為隨壓力變化的自由通風(fēng)口，井道內(nèi)的空氣按可壓縮理想流體考慮，轎廂動(dòng)力學(xué)模型圖，如圖3所示。轎廂額定運(yùn)行速度為VC，入口的風(fēng)速為Vin，出口的風(fēng)速為Vo，活塞風(fēng)速為W，向上運(yùn)動(dòng)的風(fēng)速為U，a-a、b-b、c-c、d-d為截面位置標(biāo)記。由切應(yīng)力計(jì)算可知，空氣流速越小，切應(yīng)力值越小。由于形成的切應(yīng)力是不規(guī)則分布的，造成轎廂發(fā)生水平晃動(dòng)，機(jī)械碰撞會(huì)產(chǎn)生噪聲。

圖3 轎廂動(dòng)力學(xué)模型圖Fig.3 Dynamic model diagram of elevator car

2 轎廂整流罩CFD仿真分析

2.1 SST k-ω兩方程模型

剪切壓力傳輸k-ω模型SSTk-ω湍流模型是一個(gè)兩方程渦黏性湍流模型，既可應(yīng)用于低雷諾系數(shù)的湍流模型，沒(méi)有額外復(fù)雜的黏性衰減函數(shù)，又可應(yīng)用在遠(yuǎn)離壁面的地方即邊界層以外的區(qū)域。相比標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型，SSTk-ω模型合并了源于ω方程中的交叉擴(kuò)散，在建立湍流黏度模型時(shí)，考慮到了湍流剪應(yīng)力的傳輸。另外，采用了不同的模型常量。這些改進(jìn)使得SSTk-ω模型比標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型在廣泛的流動(dòng)領(lǐng)域中有更高的精度和可信度。SSTk-ω流動(dòng)方程如下［9-10］：

湍動(dòng)能運(yùn)輸方程為

式中：ρ為流體密度；u為速度；t為時(shí)間；x為坐標(biāo)軸（i，j=1，2，3，分別表示x、y、z三個(gè)空間坐標(biāo)）；k為湍流動(dòng)能；ω為比耗散率。

在式（5）和式（6）中，雷諾應(yīng)力的渦黏性模型為

式中：μt=ρk/ω為渦黏性；Sij為平均速度應(yīng)變率張量；Snn為克羅內(nèi)克算子；Pω為生成項(xiàng)，

式中：F1、β、γ、σw、σk、σm均為模型參數(shù)；β*為模型常數(shù)，取0.09。

2.2 CFD仿真模型的建立

設(shè)定針對(duì)運(yùn)行速度為8 m/s，額定載質(zhì)量1 000 kg的單井道高速電梯進(jìn)行研究計(jì)算。電梯井道截面為2 200 mm×2 100 mm的矩形，電梯轎廂截面為1 600 mm×1 400 mm的矩形，轎廂的高度為2 500 mm。分析流經(jīng)轎廂壁的氣流速度和壓力分布需要將電梯井道內(nèi)表面、轎廂和整流罩外表面封閉成一個(gè)完整的計(jì)算域。本次計(jì)算速度和壓力分布只取局部區(qū)域，以盡可能避免空氣流動(dòng)方向?qū)τ?jì)算結(jié)果的影響。仿真分析，對(duì)幾何模型作如下簡(jiǎn)化：風(fēng)道系統(tǒng)密封性良好，除進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口沒(méi)有空氣泄露；空氣為不可壓縮流體，且密度為常數(shù)［11］。由于需要得到轎廂運(yùn)行時(shí)流經(jīng)轎廂壁外側(cè)的氣流速度和沿轎廂壁外側(cè)的壓力分布，所以采用前處理軟件ICEM對(duì)封閉后的整個(gè)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將剛體作柔性化處理。先進(jìn)行拓?fù)錁?gòu)建，檢查幾何錯(cuò)誤，同時(shí)生成特征線，創(chuàng)立外部域（計(jì)算域），這是流體運(yùn)行的空間，Z取2 200/1 600=1.375，X取2 100/1 400=1.5，Y取2；然后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置，對(duì)剛體柔性化進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后導(dǎo)入到Fluent求解器中進(jìn)行仿真計(jì)算。對(duì)于轎廂及其分別附加錐形整流罩、拱形整流罩，采用相同的網(wǎng)格劃分加密方式，3種不同轎廂的網(wǎng)格示意圖，如圖4所示。

圖4 轎廂及整流罩體網(wǎng)格示意圖Fig.4 Grid diagram of elevator car and fairing body

2.3 邊界條件

在計(jì)算中，邊界條件的設(shè)置如表1所示。

表1 邊界條件Tab.1 Boundary conditions

2.4 仿真結(jié)果對(duì)比分析

由圖5所示的3種不同轎廂的氣流沿轎廂壁速度分布云圖可見(jiàn)，普通轎廂頂部上面形成的活塞風(fēng)速為8 m/s，錐形整流罩轎廂頂部上面形成的活塞風(fēng)速為7.5 m/s，拱形整流罩轎廂頂部上面形成的活塞風(fēng)速為7 m/s。根據(jù)風(fēng)噪與流體流速的五次方或六次方成正比，可知附加錐形整流罩的轎廂形成的渦流比普通轎廂小一些，且普通轎廂上方和底部形成較大渦流，對(duì)轎廂頂部造成較大的振動(dòng)與噪聲，附加錐形整流罩后對(duì)轎廂起到了緩沖氣流和減小渦流的作用。相比于錐形整流罩，拱形整流罩在緩沖氣流、降低噪聲等方面表現(xiàn)出更好的性能。由圖5所示，安裝拱形整流罩后，轎廂頂端和底端產(chǎn)生的渦流都大大減小。

圖5 3種不同轎廂的氣流沿轎廂壁速度分布云圖Fig.5 Cloud diagram of airflow distribution along car wall velocity in three different elevator cars compartments

氣流在經(jīng)過(guò)電梯時(shí)不斷被加速，其靜壓不斷的下降，在電梯的尾部，由于存在很強(qiáng)的漩渦，壓力也很低。這種強(qiáng)大的壓力梯度使得高速運(yùn)行的電梯表面從前緣到尾緣有很大的壓力差，而且高速氣流還對(duì)電梯表面作用有很大的黏性曳力。因此，在電梯井道中高速運(yùn)行的電梯會(huì)受到很強(qiáng)的氣動(dòng)阻力，造成很大的能源浪費(fèi)。圖6為3種不同轎廂的靜壓沿轎廂壁分布云圖，可見(jiàn)加裝錐形整流罩的轎廂外壁所受的壓力比普通轎廂均勻一些。壓力分布越不均勻轎廂壁受到的沖擊越大，受力不均程度也就越大，尤其在普通轎廂上方直接生成巨大壓力塊，壓力分布對(duì)轎廂穩(wěn)定性影響極大，而加裝錐形整流罩后確實(shí)起到了緩沖氣流、均勻壓力的效果，由圖6（b）、圖6（c）可知，相比于錐形整流罩，拱形整流罩使轎廂頂端和底端的壓力分布更加均勻，產(chǎn)生的振動(dòng)與噪聲也更小。轎廂底部安裝的整流罩可以減弱由于氣流的流動(dòng)分離產(chǎn)生的低壓區(qū)，有效地降低氣動(dòng)阻力的大小。在轎廂頂部安裝的整流罩能夠進(jìn)一步降低氣動(dòng)阻力，有效地減弱轎廂上壁面對(duì)空氣的滯止作用，減小轎廂頂部壓力。

圖6 3種不同轎廂的轎廂壁壓力分布圖Fig.6 Pressure distribution diagram of car walls of three different elevator cars

通過(guò)Fluent仿真進(jìn)一步分析不同拱頂高度對(duì)拱形整流罩的影響，當(dāng)拱頂高度分別為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6和0.7 m 6個(gè)高度值時(shí)，轎廂的流體流速分布圖、靜壓分布圖與動(dòng)壓分布圖分別如圖7~圖12所示?？梢?jiàn)轎廂頂部的氣流流速較低，但靜壓力值卻很大，可達(dá)到180 Pa以上，呈蘑菇狀分布，其原因是轎廂上升速度較快，頂部受到較大阻力，造成頂部壓力增大。當(dāng)拱頂高度分別為0.2、0.3、0.6和0.7 m時(shí)，轎廂頂部壓力都超過(guò)300 Pa，甚至是拱頂高度分別為0.4、0.5 m時(shí)的兩倍；當(dāng)拱頂高度為0.4 m時(shí)，靜壓分布最為均勻，形成的渦流最小。仿真時(shí)，電梯轎廂相對(duì)于遠(yuǎn)處的空氣相對(duì)速度取值為8 m/s，忽略了豎井兩端通氣口的影響；而實(shí)際運(yùn)行時(shí)，電梯井道內(nèi)的空氣會(huì)有一部分從通氣口流出或流入，因此，電梯轎廂相對(duì)于遠(yuǎn)處氣體的速度應(yīng)略小于8 m/s。流體流速越小，在轎廂上形成的靜壓也會(huì)越小，在轎廂實(shí)際運(yùn)行時(shí)，由于流體實(shí)際速度不到8 m/s，整流罩之間的壓差會(huì)更小。從流場(chǎng)流速上看來(lái)，當(dāng)拱頂高度為0.2 m時(shí)大部分區(qū)域流速約為8.4 m/s；當(dāng)拱頂高度分別為0.3、0.4 m時(shí)大部分區(qū)域流速約為9.5 m/s；當(dāng)拱頂高度分別為0.5、0.6 m時(shí)大部分區(qū)域流速約為10 m/s；當(dāng)拱頂高度為0.7 m時(shí)大部分區(qū)域流速約為12 m/s。電梯轎廂表面靜壓隨曳引速度的增加成平方倍增加［12］，故拱頂高度為0.7 m時(shí)氣動(dòng)噪聲最大。

圖7 整流罩拱頂高度為0.2、0.3和0.4 m時(shí)流體流速分布圖Fig.7 When the fairing vault height is 0.2，0.3 and 0.4 m air velocity distribution

圖12 整流罩拱頂高度為0.5、0.6和0.7 m時(shí)動(dòng)壓分布圖Fig.12 When the fairing vault height is 0.5，0.6 and 0.7 m Dynamic pressure distribution

從形成的渦流來(lái)看，當(dāng)拱頂高度分別為0.2、0.3和0.7 m時(shí)產(chǎn)生的渦流很大，對(duì)轎廂的沖擊很大，渦流會(huì)對(duì)轎廂運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較大波動(dòng)，會(huì)引起轎廂的晃動(dòng)，使運(yùn)行不平穩(wěn)，加劇運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)，引發(fā)噪聲。此外從流體流速圖中發(fā)現(xiàn)，拱頂高度分別為0.2、0.3、0.4、0.5和0.6 m時(shí)渦流發(fā)生的位置在轎廂底部位置，拱頂高度為0.7 m時(shí)渦流發(fā)生的部位是在轎廂頂部位置，且渦流較多，中部區(qū)域也有渦流產(chǎn)生；拱頂高度分別為0.2、0.3 m時(shí)在轎廂底部位置發(fā)生的渦流較大，對(duì)振動(dòng)的影響也就很大。綜上可知，拱頂高度分別為0.4、0.5和0.6 m時(shí)產(chǎn)生的渦流較小。

圖9 整流罩拱頂高度為0.2、0.3和0.4 m時(shí)靜壓分布圖Fig.9 When the fairing vault height is 0.2，0.3 and 0.4 m static pressure distribution

圖10 整流罩拱頂高度為0.5、0.6和0.7 m時(shí)靜壓分布圖Fig.10 When the fairing vault height is 0.5，0.6 and 0.7 m static pressure distribution

從圖11和圖12所示轎廂的動(dòng)壓分布圖可見(jiàn)，隨著拱頂高度的增大，動(dòng)壓逐漸增大，從40~90 Pa變化不等。當(dāng)拱頂高度分別為0.2、0.6 m時(shí)轎廂底部產(chǎn)生的動(dòng)壓渦流較大；當(dāng)拱頂高度為0.7 m時(shí)轎廂頂部產(chǎn)生的動(dòng)壓渦流較大，而且轎廂中部也存在很大渦流，動(dòng)壓圖分層較多，對(duì)轎廂穩(wěn)定性不利；當(dāng)拱頂高度分別為0.4、0.5 m時(shí)轎廂底部產(chǎn)生的動(dòng)壓渦流較小，尤其拱頂高度為0.4 m時(shí)渦流最小。從流體流速分布圖和動(dòng)壓壓力分布圖上都可以發(fā)現(xiàn)，電梯轎廂底部區(qū)域內(nèi)存在兩個(gè)渦流區(qū)，其主要原因是氣流以較高的速度從轎廂與井道壁之間的縫隙快速流出，并以較高的速度向下運(yùn)動(dòng)，而電梯轎廂底部附近區(qū)域流體的流速很小，由此形成了非定常旋渦。此時(shí)電梯轎廂周?chē)目諝饫字Z數(shù)都比較大，使得靠近轎廂的高壓不足以把附面層推到轎廂的背面。這種非定常漩渦的不斷脫落和演化會(huì)使流場(chǎng)中的壓力分布產(chǎn)生劇烈的波動(dòng)，并導(dǎo)致轎廂表面受到的順流向阻力和橫向升力呈現(xiàn)周期或非周期的變化，出現(xiàn)紊亂狀態(tài)。對(duì)于非周期變化的流體動(dòng)力，由于電梯的結(jié)構(gòu)阻尼和氣動(dòng)阻尼的共同作用，周變化的流體動(dòng)力會(huì)被慢慢地消耗掉；但是周期性變化的流體動(dòng)力卻具有負(fù)阻尼的性質(zhì)［13］，具體表現(xiàn)在轎廂結(jié)構(gòu)與井道中的流體相互作用，并從中吸收能量而不是消耗能量，使原本輕微顫抖的轎廂結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅度會(huì)被進(jìn)一步放大，特別是當(dāng)渦流脫落的頻率與系統(tǒng)振動(dòng)頻率連鎖在一起時(shí)，會(huì)使電梯產(chǎn)生共振。因此，形成的渦流將會(huì)出現(xiàn)周期性的波動(dòng)。從圖7和圖8可以看出，形成的渦流會(huì)周期性的從轎廂尾部脫落，從圖6可以看出從轎廂底部形成的渦流會(huì)被帶到井道底部。這些形成的渦流使轎廂底部形成了一個(gè)較大的負(fù)壓區(qū)，增大了轎廂運(yùn)行所受的阻力，導(dǎo)致轎廂發(fā)生周期性的振動(dòng)，產(chǎn)生較大的噪聲。將對(duì)轎廂乘坐的舒適性造成負(fù)面影響，還可能會(huì)縮短轎廂上的主要部件的使用壽命，甚至影響到電梯的安全性。

圖8 整流罩拱頂高度為0.5、0.6和0.7 m時(shí)流體流速分布圖Fig.8 When the fairing vault height is 0.5，0.6 and 0.7 m air velocity distribution

圖11 整流罩拱頂高度為0.2、0.3和0.4 m時(shí)動(dòng)壓分布圖Fig.11 When the fairing vault height is 0.2，0.3 and 0.4 m Dynamic pressure distribution

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)轎廂流體力學(xué)理論與仿真分析，發(fā)現(xiàn)轎廂存在嚴(yán)重的氣動(dòng)力學(xué)缺陷，主要表現(xiàn)為在轎廂的頂部和底部容易形成嚴(yán)重的渦流，引起轎廂的振動(dòng)，產(chǎn)生較大的噪聲，而通過(guò)在轎廂底部和頂部加裝整流罩可以有效地解決轎廂阻力、消除轎廂尾部渦流、減小氣動(dòng)噪聲等方面的問(wèn)題。通過(guò)仿真分析可見(jiàn)，拱形整流罩相比于錐形整流罩能更有效地降低高速電梯運(yùn)行的氣動(dòng)噪聲。通過(guò)對(duì)附加拱形整流罩轎廂高速運(yùn)行的仿真分析可見(jiàn)，當(dāng)拱頂高度為0.4 m時(shí)轎廂所受的阻力較小，產(chǎn)生的渦流也較小，高速氣流對(duì)轎廂的振動(dòng)與噪聲影響較小，所受力學(xué)性能比較好，是6個(gè)方案中的最佳方案，為高速電梯整流罩的設(shè)計(jì)提供了有益參考。