电梯里的惊声尖叫

近日，电梯事故频发引发人们对乘梯安全的担忧，虽然CFD不能对电梯的机械结构安全进行分析，但是在对电梯使用舒适性分析上可以发挥一定的作用，比如高速电梯的气动噪声问题。

近年来中国各地揭起一股建设摩天大楼的浪潮，因此对高速电梯的需求量越来越大，同时也对电梯的安全和电梯内的环境要求也越来越高，特别是噪声。

电梯噪声包括以下三类噪声源：

1）由电梯桥厢的结构振动引起的振动噪声；

2）当电梯运动时，井道气流产生的气动噪声；

3）机房电机产生的噪声。

研究表明，当电梯到达某一速度时，井道气流产生的气动噪声成为桥厢内部坏境噪声的主要部分。由于电梯的运行速度不断提高，国内外研究人员越来越关注井道气流产生气动噪声以及气动力对桥厢结构的影响。近年来，随着计算机技术发展尤其是声学数值分析方法的迅猛发展，特别是计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）模拟技术已逐步成熟，并开始应用于气动噪声的分析，模拟高速运动电梯产生的气动噪声对桥厢内部环境影响成为一种可能。

研究思路：

• 运用CFD计算分析软件，通过建立能够满足声学运算精度的计算机网格模型，预测电梯高速运行时125~8000Hz（人耳听力主要频段集中在125~4000Hz左右）频段气动噪声压级值。

• 分析计算结果，针对模拟出的结果，提供基于保障及优化电梯声环境的隔声设计措施及对策。

fluent气动噪声模块

Fluent软件中的气动噪声模块由直接计算声学模块、声类比积分（基于FW-H方程）模块和宽频噪声模块3部分组成。

• 直接计算声学模块（a direct method）就是通过高分辨率的流体动力学方程来直接模拟噪声，精确地计算声波和流动的相互作用。但由于声场能量通常远小于流场能量，例如声压波动往往很小，140dB声压级时的声压为200Pa（喷气式飞机附近），120dB声压级时的声压为20Pa（1000KW柴油机排气口1m处），100dB声压级时的声压为2Pa（织布车间），80dB声压级时的声压为0.2Pa（公共汽车内），60dB声压级时的声压为0.02Pa（普通谈话），要捕捉到声波需要很高的网格分辨率，就工程上的应用而言，直接计算声学模块很难适用。

• 宽频噪声模块（a method that utilizes broadband noise source models）是利用定常求解的流场数据（如基于RANS方程得到的平均速度、湍流动能和湍流耗散率等），通过一些半经验公式计算出所需的声学量。但目前为止，这种半经验公式仍处于研究阶段，已有的这些半经验公式无法令所有人信服，给出令所有人满意的计算结果。

• 声类比积分模块（an integral method based on acoustic analogy）是基于FW-H的声类比方程及其积分解。在启动声类比积分模块前需要首先计算出一个时变的流场，启动模块后fluent软件的噪声模块自动捕获所需要的流场中的变量随时间的变化规律，分析处理后给出所需的声学指标。声类比积分模块目前应用较为广泛，并成功的应用于计算导弹、飞行器、汽车的气动噪声，是最常用的fluent气动噪声模块。

但要注意声类比积分模块的应用也有其局限性，主要有三大局限性：

• 由于体积分被省略，因此fluent的声类比积分模块无法应用于模拟在均匀静止流体介质包围的小尺度范内湍流产生的气动噪声问题。也就是任何流场中没有固体障碍物，只是由湍流引起的气动噪声问题，fluent无法计算。

• 由于在近场处，流体的各种参数都剧烈变化，无法满足推导FW-H方程的各种假设条件，声类比积分模块无法准确模拟近场的气动噪声。

• 声类比积分模块只适用于模拟自由场，无法模拟管道噪声之类的内部噪声或是半自由场。原因是在这两种情况下，适用于FW-H方程的Green函数不成立，这时会有声波的折射反射等多种新因素的影响，单纯的FW-H方程无法考虑这些因素的影响。

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