Ausgabe 4/2004
07/01/04
Forschungsarbeiten über superschnelle Aufzüge
Gongxin Shen, Albert So und H. L. Bai
In unserer modernen Bauindustrie ist der Bau von superhohen intelligenten Gebäuden nicht nur ein Trend, sondern eine richtige Modeerscheinung. Das wichtigste Dienstleistungssystem solcher Gebäude ist der Aufzug. Vor einigen Jahren noch lag der Weltgeschwindigkeitsrekord bei 750 m pro Minute (12,5 m/s). Heute sind wir bereits bei 1010 m pro Minute (16,85 m/s), und eine kurzfristige stufenweise Erhöhung ist absehbar.
Kategorie: Fachaufsaetze Ausgabe 4/2004
Erstellt von: Editor
Bei der Konstruktion dieser superschnellen Aufzüge müssen aber Schwierigkeiten überwunden werden, die überwiegend mechanischer Natur sind. In diesem Aufsatz wird die Entwicklungsgeschichte der superschnellen Aufzüge zusammen mit den in den letzten Jahren durch die Verfasser durchgeführten Forschungsarbeiten beleuchtet. Durch die Zunahme der Bevölkerungsdichte in den Städten dieser Welt werden die Gebäude immer höher. Das höchste Gebäude Hongkongs misst ca. 400 m und hat 88 Etagen. Das höchste Gebäude auf dem chinesischen Festland in Shanghai misst 421 m und verfügt ebenfalls über 88 Stockwerke. Der Weltrekord wird voraussichtlich im Jahre 2007 erneut in Shanghai gebrochen. Das derzeit höchste Gebäude der Welt mit 101 Etagen und einer Höhe von 508 m steht in Taipeh. Das zweithöchste steht in Kuala Lumpur, misst 452 m und hat 88 Etagen. Im Jahre 1998 wurde das Bauvorhaben eines 610 m hohen Gebäudes in Chicago bekanntgegeben. Das Konzept eines „meilenhohen Gebäudes“ wurde bereits 1956 durch Frank Lloyd Wright vorgeschlagen, als er den Bau eines 1609 m hohen Gebäudes, den Illinois-Turm, anregte. Andere Vorschläge betrafen den 900 m hohen „M Tower“ in Shanghai, den 840 m hohen „Millennium Tower“ in Tokio und das 701 m hohe World Trade Center in Chicago. Es stellt sich immer deutlicher heraus, dass man im 21. Jahrhundert um die superhohen Gebäuden nicht mehr herumkommt. Der wichtigste Bedarf eines derartigen Gebäudes ist natürlich ein schnelles, sicheres, komfortables und wirksames vertikales Transportsystem.
1977 wurde in Tokio eine Nenngeschwindigkeit vom 600 m pro Minute (10 m pro Sekunde) erreicht, gefolgt im Jahre 1993 durch 750 m pro Minute (12,5 m pro Sekunde) in Yokohama. Beide Aufzüge wurden durch Mitsubishi gebaut. Vor einigen Jahren baute Hitachi Aufzüge mit einer Geschwindigkeit von bis zu 840 m pro Minute (14 m pro Sekunde). Das Taipei 101 verfügt über Expressaufzüge mit einer Nenngeschwindigkeit von 1.010 m pro Minute (16,8 m pro Sekunde). Wenn wir über den o. g. Shanghai-Standard von 900 m reden, so ist eine Nenngeschwindigkeit von 30 m pro Sekunde (108 km/h) nicht unrealistisch. Auch wenn aus automobiler Sicht eine Geschwindigkeit von 108 km/h nicht besonders hoch erscheint, sind in der Aufzugstechnik sicherlich revolutionäre Änderungen erforderlich, um dieses Ziel zu erreichen. Die mechanischen Schwierigkeiten, die mit einer Aufzugskabine innerhalb eines Aufzugsschachtes und ihrer aerodynamischen Geräusche, Druckänderungen und starken Schwingungen einhergehen, sind echte Probleme, die einer Entwicklung superschneller Aufzüge im Wege stehen.
Die Probleme entstammen den wachsenden Luftwiderstandskräften, die sich aus der extrem hohen Geschwindigkeit der Luftbewegung um eine auf- oder abwärtsfahrende Kabine herum ergeben. Eine übermäßige Luftdruckveränderung erzeugt Geräusche mit einer derart hohen Amplitude, dass sie durch die Fahrgäste nicht mehr tolerierbar sind, und sowohl horizontale als auch vertikale Schwingungen erzeugen, die nicht nur für die Kabinenstruktur, die Tragseile und das Triebwerk schädlich sind, sondern das Maß des Fahrkomforts und sogar die Sicherheitsgrenzen für die Fahrgäste weit überschreiten. Auch die Luftdruckänderungen bei Kabinenbewegungen wirken sich stark auf den Luftwiderstand aus und dadurch auch unmittelbar auf den Stromverbrauch des Triebwerks. Diese mechanischen Einschränkungen müssen in einer integralen Art und Weise untersucht werden, damit man zu einer endgültigen Lösung kommen kann. Aufzugshersteller gehen normalerweise dazu über, reale Modelle zu bauen, um ihre Hochgeschwindigkeitsaufzüge zu testen oder kleinere Simulationen durchzuführen, die zum einen sehr kostspielig und zum anderen weder umfassend noch effektiv sind. Für die technische Entwicklung kommt es dabei zum schlimmsten Szenario, dass alle Beteiligten die gewonnenen Einsichten und Forschungsergebnisse als kommerziell streng geheim einstufen. Wenn die superschnellen Aufzüge im 21. Jahrhundert zum Standard werden sollen, müssen die technologischen Lösungen als öffentlich zugängliches Public-Domain-Wissen verfügbar sein.
Bei den herkömmlichen Aufzugskonstruktionen (meistens mit 3 – 4 m pro Sekunde, wobei der Höchstwert derzeit bei 10 m pro Sekunde liegt) kann die aerodynamische Belastung außer acht gelassen werden, wenn man sie mit den anderen Belastungen vergleicht. Die Entwicklung superschneller Aufzüge (mit Geschwindigkeiten von bis zu 25 – 30 m pro Sekunde) liegt angesichts der künftig gebauten extrem hohen Gebäuden auf der Hand. Also kann man das Thema Geschwindigkeit innerhalb der Entwicklung nicht länger ignorieren. Wenn sich ein Hochgeschwindigkeitslift im Schacht bewegt, entsteht über eine Tunnel-Druckluftwirkung mit erheblichen Druckschwankungen hinaus eine durch den Luftdruck erzeugte Geräuschkulisse, usw. Ähnliche Probleme entstehen, wenn ein Hochgeschwindigkeitszug durch einen Tunnel fährt und es zu den sogenannten Tunneleffekten kommt. Es wurden umfangreiche Forschungsanstrengungen mit experimentellen und mathematischen Berechnungsmethoden unternommen, um das Verhältnis Auftrieb zu Widerstand sowie einige der Schlüsselparameter zu generieren, die den Widerstand beeinflussen [1-3]. Die physikalisch-geometrischen Parameter und der Fahrstatus eines Hochgeschwindigkeitsaufzugs unterscheiden sich jedoch stark von denen eines Hochgeschwindigkeitszugs (z. B. das größere Sperrverhältnis, das kleinere Öffnungsverhältnis, die Hin- und Herbewegung der Kabine, usw.). Deshalb sollte dieser Bereich näher erforscht werden.
Der Mensch hat versucht, aerodynamische Simulationsprüfungen für Aufzüge im Windkanal durchzuführen. Auf Grund der eingeschränkten Bewegungsmöglichkeiten im Windkanal war es jedoch nicht möglich, die wichtigsten Tunneleffektsimulationen nachzuahmen. Nur eine Teilströmung konnte simuliert werden. Es ist schwer, innerhalb eines Windkanals eine fahrende Aufzugskabine zu simulieren. Im Kanal bewegt sich die Luft um eine feststehende Kabine herum, was nicht einem normalen Aufzugsbetrieb entspricht. Spezielle Prüfausrüstungen sind erforderlich, um die Bewegung einer Hochgeschwindigkeitskabine zu simulieren. Neben der Fahrgeschwindigkeit der Kabine kann die aerodynamische Leistung durch viele andere Faktoren wie die Größe und Form des Schachtes und die Kabinenform beeinträchtigt werden.
Es ist daher notwendig, alle strukturellen Parameter zu bestimmen, die die aerodynamischen Eigenschaften von Aufzügen beeinflussen, und vernünftige Anordnungen dieser Parameter zu formulieren. Die so erhaltenen Daten können zur Bewertung der Konstruktionsberechnungen herangezogen werden und als Richtwert für eine Standardkonstruktion fungieren. Darüber hinaus ist das Strömungsmuster der Luft auf Grund des Tunneleffekts ein sehr komplexes Strömungsphänomen, über das man bisher wenig weiß. In diesem Aufsatz werden die Forschungsarbeiten Dritter und unsere eigenen Forschungen behandelt. Wir haben eine relativ einfache Simulationsplattform für die Prüfung von Hochgeschwindigkeitsaufzügen mit unterschiedlichen Schachtparametern und Kabinenformen entwickelt. Durch Anwendung der Digital Particle Image Velocimetry (DPIV)-Technik erhält man ein Ausgangsprofil der Geschwindigkeit um eine sich mit hoher Geschwindigkeit bewegende Aufzugskabine herum. Über eine Druckmessung ist es möglich, die beste Kabinenform für Hochgeschwindigkeitsanwendungen zu bestimmen.
Die Schwierigkeiten und die früheren Versuche, sich diesen Problemen zu stellen
Es ist absehbar, dass die steigende Dichte von sehr hohen Gebäuden in den Mega Metropolen auch zu einer Erhöhung des Bedarfs an superschnellen Aufzügen führen wird. Dabei wird man aber mit Problemen überwiegend mechanischer und mehr spezifisch aerodynamischer Art konfrontiert, die mit der Entwicklung derartiger Aufzüge einhergehen und die technische Entwicklung in diesem Bereich bremsen. Alle zehn Jahre stellen wir eine Erhöhung der Nenngeschwindigkeit um ca. 2 m pro Sekunde fest. Für die Bedürfnisse des 21. Jahrhunderts reicht das nicht aus. Das Ziel ist die Konstruktion von Aufzügen, die sich mit einer Nenngeschwindigkeit von 30 m in der Sekunde bewegen.
Zur Zeit gibt es zwei größere Probleme: die aerodynamisch bedingte Geräuschentwicklung und die übermäßigen Schwingungen hervorgerufen durch die Überwindung des Luftwiderstands durch die sich mit hoher Geschwindigkeit auf- oder abbewegende Aufzugskabine. Gemäß CIBSE Guide D[4] müssen die Geräuschpegel in der Kabine, im Triebwerksraum und im Bereich des Haupteingangs unter Kontrolle gehalten werden. Auch wenn man das Problem durch den Einsatz von Baustoffen mit guten Lärmisolier- und -dämmeigenschaften teilweise in den Griff bekommen kann, muss doch die Lösung grundsätzlich in der Verringerung der durch die fahrende Kabine verursachten Geräusche liegen. Bei den Schwingungen reagiert der menschliche Körper am stärksten auf niedrige Frequenzen, sodass man Grenzwerte für die Schwingung im Bereich von 1 bis 80 Hz einhalten muss. Aus diesem Grund kann also eine übermäßige Schwingung bei Hochgeschwindigkeitsaufzügen nicht akzeptiert werden. Die zur Überwindung des Luftwiderstands aufgebrachten Kräfte müssen reduziert werden, um die Standzeit der Tragseile und Triebwerke zu verlängern. Größere Aufzugsschächte könnten da hilfreich sein, aber angesichts der Grundstückpreise in den dicht besiedelten Städten wird dies zu einem nicht unbedeutsamen Problem. Angesichts all dieser Probleme ist es absolut notwendig, die Außenstruktur der Aufzugskabine und/oder des Aufzugsschachtes so revolutionär neu zu gestalten, dass die Geräuschpegel, Schwingungen und Zugkräfte bezogen auf eine begrenzte Größe des Schachts auf ein Mindestmaß reduziert werden. Dies ist ein völlig neues Konstruktionskonzept, dessen erster Schritt die Erzeugung eines physikalischen Modells einer superschnellen Aufzugskabine in einem herkömmlichen Schacht ist, damit man die aerodynamischen Eigenschaften gründlich untersuchen kann. Dieses Modell kann die Grundlage für die Konstruktion der am besten geeigneten Aufzüge im 21. Jahrhundert bilden.
Im Jahre 1992 haben die Firmen Mitsubishi und Toshiba bereits Grundlagenforschung zu diesem Thema betrieben. Mitsubishi zeichnete verantwortlich für den Bau von Aufzügen mit einer Geschwindigkeit von 12,5 m pro Sekunde in Yokohama. Sie untersuchten zwei Arten von Geräuschen, die durch eine Hochgeschwindigkeitskabine erzeugt werden [5]: die mechanischen Geräusche hervorgerufen durch den Kontakt zwischen der Kabine und den Führungsschienen, und die aerodynamischen Geräusche hervorgerufen durch die Luft, die die Kabine in einem engen Schacht umströmt. Es wurde festgestellt, dass sich die aerodynamischen Geräusche um das fünf- bis sechsfache proportional zur Geschwindigkeit der Luft um die Kabine herum verstärkten. Es ergab sich also, dass bei Hochgeschwindigkeitsaufzügen die aerodynamisch bedingten Geräusche sehr viel stärker als die mechanischen Geräusche sind. Fährt eine Kabine den Schacht hinauf oder hinab, teilt sich die Luft entweder auf der Ober- oder Unterseite der Kabine, bevor sie sich am anderen Ende wieder vereint. Die Luft, die über die Seiten der Kabine strömt, führt zu Schwingungen im gesamten Kabinengehäuse, die wiederum einen übermässigen Lärm in der Kabine verursachen. Es wurde deshalb vorgeschlagen, eine stromlinienförmige Abdeckung auf der Ober- und Unterseite der Kabine anzubringen. Eine derartig ausgestattete Miniaturkabine im Maßstab 1:25 wurde dann im Windkanal getestet. Die stromlinienförmigen Abdeckungen waren abnehmbar, sodass man die Luftströmung um die Aufzugskabine mit und ohne Abdeckungen prüfen konnte. Es wurde eine „Ölfließmuster“-Methode angewendet, um die Fließmuster auf den Flächen der Kabine sichtbar zu machen. Dabei stellte man fest, dass mit den Abdeckungen eine Reduzierung um 4,1 bis 4,3 dB(A) erzielt wurde.
Im gleichen Zeitraum führte die Firma Toshiba [6] ein anderes Experiment in einem Wassertank durch, um die allgemeinen Strömungsmuster und die Strömung um das im Wasser eingetauchte Modell herum mit einem Tracer nachzuweisen. Die Re-Zahl auf der Grundlage der Kabinenbreite und der Fließgeschwindigkeit des Wassers lag bei ca. 800. Dieser Wert ist um ca. das 10-4-fache kleiner als der einer normalen Aufzugskabine. Toshiba prüfte die Auswirkungen auf den Luftstrom mit einer und ohne eine Schürze, die auf Grund einer gesetzlichen Forderung zwingend an der Unterseite jeder Kabine montiert werden musste. Durch die Schürze wurden große bügelförmige Wirbel erzeugt. Das wäre eine Erklärung für den höheren Geräuschpegel bei Abwärtsfahrten im Vergleich zu Aufwärtsfahrten. Mit diesem Aufbau war Toshiba in der Lage, ein Führungsblech für jede Schürze zu konstruieren, die die Stärke der aerodynamischen Geräusche reduziert.
Die durch beide namhaften japanischen Firmen durchgeführten Experimente hatten mit demselben Problem zu kämpfen. Die Kabinen- und Schachtwände waren statisch, während die Luft dynamisch war. Das stellte die eigentliche Situation auf den Kopf, weil im wirklichen Leben die Kabine und die Luft dynamisch sind. Weiterhin dienten beide Experimente lediglich dazu, die Konstruktion der Kabine in einem geringen Umfang zu verbessern, d. h. entweder die Anbringung von stromlinienförmigen Abdeckungen oder die Montage von Führungsblechen für die Schürzen. Die Forschungsarbeiten waren eng auf ein oder zwei technische Details beschränkt. Auch wenn die Arbeiten noch ziemlich primitiv waren, verschafften sie den Verfassern dieses Aufsatzes dennoch wichtige Einblicke. Die aerodynamische Leistung von superschnellen Aufzügen muss detailliert untersucht werden, um die am besten geeignete Konstruktion bestimmen zu können.
Bezüglich der Entwicklung eines Rechnermodells zur Untersuchung der aerodynamischen Leistung superschneller Aufzüge für die Bestimmung der optimalen Konstruktion der nächsten Jahre wurden bereits früher einige vorbereitende Arbeiten durchgeführt. Das Thema wurde vereinfacht, um eine ein- [7] und zweidimensionale [8] Situation zu erforschen. Man erhielt einige vielversprechende und reproduzierbare Ergebnisse, die einen Einblick in eine dreidimensionale Situation ermöglichten. Bei der Durchführung der Computersimulation stieß man jedoch auf Schwierigkeiten wie z. B. Konvergenzprobleme bei der Optimierung zur Lösung der partiellen Differenzialgleichungen und der relativen Bewegung zwischen der Kabine, der Luft und der ortsfesten Wand des Aufzugsschachtes. Am Markt sind verschiedene Softwarepakete für die Berechnung der Fluiddynamik (CFD) erhältlich, wie CFX-4 von AEA, Flow3D von Flow Science and Phoenics aus Cham. Wir wurden aber mit 4 Problemen konfrontiert. Es war erstens schwierig, das Geschwindigkeitsprofil der Aufzugskabine einzugeben, da es sich um ein Profil Beschleunigung/Nenngeschwindigkeit Fahrt/Abbremsung handelte. Zweitens stießen wir ab und zu auf Divergenzen. Drittens brauchten wir viel Zeit, bis wir wussten, wie wir mit der Software umzugehen hatten. Wirksamerweise hätte man diese Zeit dazu nutzen können, selber die Codes zu schreiben. Darüber hinaus sind alle Pakete recht teuer und müssen jährlich auf den neuesten Stand gebracht werden. Man kam deshalb zu der Schlussfolgerung, dass eine reine Computersimulation nicht das ganze Bild veranschaulichen kann. Es musste ein echtes physikalisches Modell gebaut werden, damit die experimentellen Daten uns sagen können, wie die Eigenschaften der Luft sind, die eine superschnelle Kabine umströmt.
Die Konstruktion des Modells der Computersimulation
Abbildung 1 zeigt das vereinfachte zweidimensionale Kabinen-/Schachtmodell mit allen relevanten Parametern, die den Kabinen-/Schachtaufbau und die allgemeine Geometrie einer fahrenden Kabine widerspiegeln. Während der Kabinenfahrt ändern sich der Luftdruck P1/P2 am hinteren und vorderen Ende, die Luftdichte p1/p2 usw. je nach Kabinengeschwindigkeit und -stellung ständig. Während der Druck im Bereich II ansteigt, strömt die Luft aus diesem Bereich in den offenen Bereich 2 des Schachtes. Dagegen strömt ein Teil der Luft durch den Spalt zwischen Kabine und Schachtwand und zurück in Bereich I. Während der Druck im Bereich I fällt, strömt Luft von außerhalb durch den offenen Bereich 1 in den Schacht hinein.
Alle physikalisch-geometrischen Parameter wie Schachtbereich A1, Schachtdurchmesser D, offene Bereiche A01/A02, Querschnitt des Spalts zwischen Kabine und Schachtwand A (oder A1-A2), Gesamtlänge des Schachts L, reservierte Länge des vorderen Endes Lo, Kabinen-Fahrgeschwindigkeit u, externer Luftdruck Pa und Temperatur Ta (die unter Berücksichtigung der gesamten Schachttemperatur und Außentemperatur Konstante sind) sowie die aktuelle Position der Kabine x beeinflussen den Luftdruck der Kabine am vorderen und hinteren Ende. Um die Auswirkungen der aerodynamischen Eigenschaften bestimmen zu können, muss für praktische Anwendungen eine Liste der dimensionslosen Kombinationen dieser Parameter erstellt werden. Der Druckunterschied zwischen dem vorderen und hinteren Ende der Kabine ergibt sich aus Gleichung 1:
Mit Pa, D, u und R als grundlegende physikalisch-geometrische Formen und einer dimensionslosen Analyse können wir die dimensionslose Gleichung 2 erstellen:
Mit dem Öffnungsverhältnis am hinteren Schachtende (d. h. offener Bereich am Ende des Schachtes/Querschnittsbreich des Schachtes) A01/D²=k1, dem Öffnungsverhältnis am vorderen Ende A02/D²=k2, dem Sperrverhältnis (Kabinenquerschnitt/Schachtquerschnitt) A2/D² =J – A/D2 = z, dem Verhältnis Länge zu Durchschnitt (d. h. Gesamtlänge des Schachts/Durchmesser) L/D=ld, dem oberen Reserveverhältnis (die reservierte Länge des Raums an den Enden des Schachtes/Durchmesser) Lo/D=g lässt sich die Gleichung 2 in eine Gleichung 3 umschreiben:
Das Prüfmodell des Hochgeschwindigkeitsaufzugs
Die dimensionslose Analyse zeigt deutlich die strukturellen Parameter, die für die Konstruktion des Aufzugsmodells erforderlich sind, d.h. das Öffnungsverhältnis am hinteren Ende k1, das Öffnungsverhältnis am vorderen Ende k2, das Sperrverhältnis z, das Längenverhältnis ld und das Verhältnis der reservierten Länge g.
Mit diesem Prüfmodell kann die Kabine im vertikalen Schacht frei auf- und abbewegt werden.
Über die PIV-Observation erhält man das Geschwindigkeitsprofil der Luft, die sich um die Kabine herum bewegt. Um die Genauigkeit dieses Modells zu gewährleisten, sollten sowohl die Luftgeschwindigkeit des Modells (die Geschwindigkeit der Luft in diesem Modell) als auch die reale Luftgeschwindigkeit (die Geschwindigkeit der Luft in einem realen Schacht) einen einzigen Wert der geometrischen Ähnlichkeit haben. Das Reduktionsverhältnis des Modells ist 1:30 einschließlich des Schachts, der verstellbaren Öffnungen an beiden Schachtenden, der Kabine und der Stützkonstruktion am Boden. Der gesamte Aufbau ist in Abb. 2 dargestellt. Ein Foto des realen Modells ist in Abb. 3 dargestellt.
Kurz vor den beiden Schachtenden sind Drucksensoren vorgesehen, um den tatsächlichen Luftdruck sowohl in den vorderen als auch hinteren Bereichen zu erfassen. Oben und unten im Schacht sind vier Vierkantöffnungen vorgesehen, die mit Ventilen ausgestattet sind, um die Öffnungsverhältnisse im vorderen und hinteren Ende dieses Modells im Bereich von 0 bis 1 verstellen zu können.
Das Sperrverhältnis wird durch den Einsatz von Kabinen mit unterschiedlichen Querschnitten ermittelt. Für die Konstruktion der Kabine sind drei Teile vorgesehen: ein Mittelteil und ein Ober- sowie Unterteil. Der Mittelteil ist aus Stahl gefertigt, um sicherzustellen, dass das Gewicht ausreichend bemessen ist, um den Luftwiderstand im Verlauf des Schachtes zu überwinden und eine höhere Fallgeschwindigkeit zu erreichen. Darüber hinaus sind auf allen vier Seiten der Kabine Führungsrollen angebracht, damit die Kabine mit einem Mindestmaß an Reibungswiderstand im Schacht auf- und abbewegt werden kann. Wir haben zwei Kabinensätze konstruiert mit einem Sperrverhältnis von 0,8 bzw. 0,72. Man glaubt, dass die äußere Form der Kabine ein bedeutsames Element darstellt, das die aerodynamische Leistung einer Kabine auf Grund des resultierenden Luftwiderstands erheblich beeinträchtigt. Die vier verschiedenen Formen (rechteckig, kugelig, dreieckig und parabolisch) sind in Abb. 4 dargestellt.
In dieser Phase des Projekts wurden die auf/ab- und radialen Symmetrien beibehalten. Nach theoretischen Schätzungen sollte man bei einer Geschwindigkeit von 10 bis 12 m pro Sekunde angelangt sein, wenn die Kabine den Prüfbereich (d. h. den unteren Bereich des Schachtes) erreicht. Obwohl dieser experimentelle Geschwindigkeitsbereich sich vom geplanten oder gewünschten Geschwindigkeitsbereich der in diesem Jahrhundert zum Einsatz kommenden Hochgeschwindigkeitsaufzüge unterscheidet, können die dimensionslosen Parameter TaR/u² für die Extrapolation der experimentellen Testergebnisse benutzt werden, um so die reale Situation unter Hochgeschwindigkeitsbedingungen sichtbar werden zu lassen. In der Annäherung mit Hilfe der dimensionslosen Analyse liegt der wahre Wert der allgemeinen Konstruktion dieser experimentellen Plattform.
Mit der Geschwindigkeitsschätzung nach dem DPIV-System wird die Bewegung der Umgebungsluft während der Abwärtsfahrt einer Kabine beobachtet. Die Nachweispartikel sind aus Propylenglykol, einer Substanz, die sich bei hoher Temperatur verflüchtigt und einen Nebel erzeugt. Ein Nd:YAG-Doppelimpulslaser ist die Lichtquelle für die Erzeugung des Lasersheets mit einer Frequenz von 10 Hz und Impulsenergie gleich 10 mJ. Aufnahmen erhält man über eine CCD-Videokamera mit einer Pixelauflösung von 1008 x 1018. Die Geschwindigkeitsvektoren erhält man durch Anwendung einer digitalen Autokorrelationstechnik, in der die Fließdomaine in ein Gitter von „Abfrageregionen“ unterteilt ist, und die Autokorrelation innerhalb jeder Abfrageregion angewendet wird, um die wahrscheinlichste Translation der Partikel über den Zeitabschnitt zu bestimmen. Wenn die Kabine abwärts fährt und in den Bereich des Glasrohrs für die Aufnahmen eintritt, werden die Aufnahmen der Luftgeschwindigkeitsmuster am vorderen und hinteren Ende gemacht. Weitere Berechnungen zu den erfassten Partikelaufnahmen erzeugen die zweidimensionalen Querschnittsverteilungen der Fließfeldgeschwindigkeit.
Testergebnisse der Geschwindigkeitsprofile
Unter unterschiedlichen Fahrbedingungen kann die Kabine eine praktische Geschwindigkeit von 10 – 13 m pro Sekunde erreichen. Das ist sogar besser als die Geschwindigkeit, für die der Aufzug ursprünglich ausgelegt wurde. In der Annahme, dass das Öffnungsverhältnis im hinteren Bereich bei 0,3, das Öffnungsverhältnis im vorderen Bereich bei 0 bzw. 0,2 und das Sperrverhältnis bei 0,8 und 0,72 gehalten wird, lässt sich die Geschwindigkeit am vorderen und hinteren Ende der Kabine bei allen vier Kabinenformen ermitteln. Während der Bilderzeugung behindert sich die Kabine selbst, sodass der Laserstrahl die Rückseite nicht erfassen kann. Nur die der Laserquelle gegenüberliegende Seite kann erfasst werden. Abb. 5 zeigt ein normales Geschwindigkeits-Vektordiagramm. Dieses Testergebnis der Geschwindigkeitsprüfung am vorderen Ende wurde mit einer kugeligen Kabinenform, einem Öffnungsverhältnis k1 = 0,3 und k2 = 0 sowie einem Sperrverhältnis z = 0,8 ermittelt.
Die anfänglich bei der Prüfung gemachten Beobachtungen weisen auf das Vorhandensein eines komplizierten und abnormen Strömungsmusters um die Aufzugskabine herum hin. Ungeachtet des Sperrverhältnisses von z = 0,8 oder 0,72 bei unterschiedlichen k2-Öffnungsverhältnissen bemerkt man separate Wirbel innerhalb des Stömungsmusters um die Kabine herum. Anscheinend werden sie erzeugt, wenn sich ein Luftdruck während der Abwärtsfahrt der Kabine aufbaut und ein Luftstrom im vorderen Kabinenbereich auf zwei Routen zum hinteren Ende strömt. Einige Luftströmungen gehen in Richtung des Spalts während andere sich sammeln, um Wirbel der zweiten Ordnung zu bilden. Diese Wirbel zweiter Ordnung deuten auf Luftströmungen hin, die es während der Kabinenfahrt nicht schaffen, zum hinteren Ende vorzudringen. Sie treten normalerweise am vorderen Ende in der Mitte auf.
Druckmessungen vor und hinter der Kabine
Auch wenn man weiß, dass sich die so genannten „aerodynamischen Tunneleffekte“ bei Aufzügen stark von denen unterscheiden , die sich bei Tunnelfahrten von Hochgeschwindigkeitszügen ergeben [9], gab es dennoch diesbezüglich nur wenige Veröffentlichungen [10, 11], die sich mit diesen Effekten befassen. Durch den Einsatz unseres Modells konnten die durchschnittlichen Druckwerte vor und hinter einer fahrenden Kabine sowie die augenblickliche Geschwindigkeit an fünf verschiedenen Stellen entlang des Schachtes bei vier verschiedenen Kabinenformen und variablen Schachtparametern (einschließlich Öffnungs- und Sperrverhältnis) gemessen werden.
Die fünf Stellen zur Messung der augenblicklichen Geschwindigkeit befinden sich bei X1 = 345 mm, X2 = 1365 mm, X3 = 3495 mm, X4 = 5125 mm und X5= 7375 mm bezogen auf die Rohroberkante. Das Messverfahren für die augenblickliche Geschwindigkeit u an einer bestimmten Stelle ist wie folgt: u = L/∆
Wegen des Vorhandenseins der aerodynamischen Tunneleffekte bei der Fahrt der Kabine durch den Schacht setzt sich der Kabinenluftwiderstand aus drei Komponenten zusammen:
- Die durch die Luftviskosität hervorgerufene Oberflächenreibung.
- Der durch die Kabinenform hervorgerufene Luftwiderstand, weil unterschiedliche Formen zu unterschiedlichen Druckverteilungen auf der Oberfläche führen, während sich die Kabine in der Flüssigkeit bewegt.
- Der tunnelbedingte Druckunterschied auf Grund der vorhandenen Tunnelwand; die Luft vor der Kabine wird zusammengepresst und das Luftvolumen verringert sich, während sich andererseits das Luftvolumen hinter der Kabine vergrößert, wenn sich die Kabine im Schacht vorwärts bewegt, sodass sich ein Druckunterschied vor und hinter der Kabine ergibt.
Die tunnelbedingten Druckunterschiede während der Kabinenfahrt lassen sich bequem aus den Druckkurven ablesen. Um jedoch die Änderungen der gesamten aerodynamischen Kräfte, die auf eine Kabine wirken, erkennen zu können, muss man auch die Geschwindigkeitskurven analysieren, denn daraus lassen sich die Änderungen der Kabinenbeschleunigung (die sich proportional zu den gesamten auf die Kabine einwirkenden Kräften verhalten) ableiten. Die Änderungen des durchschnittlichen Drucks vor und hinter der Kabine entlang des Schachtes wurden im Zusammenhang mit den unterschiedlichen Öffnungs- und Sperrverhältnissen untersucht. Kurven, in denen der Luftdruck (P1 – P2) der Fallzeit S gegenübergestellt wird, sind in Abb. 6 – 9 dargestellt und aus experimentell ermittelten Daten für unterschiedliche Kabinenformen abgeleitet. Die Fallzeit S wird sofort mit Beginn der Beschleunigung der Kabine vom oberen Schachtende aus gemessen. Es zeigt sich, dass man weit größere Unterschiede in den Druckänderungen unter den verschiedenen Kabinenformen erhält, wenn das Öffnungsverhältnis kleiner wird.
Daraufhin werden die Ergebnisse der verschiedenen Kabinenformen mit den unterschiedlichen Schachtparametern analysiert. Bei einem Sperrverhältnis von 0,72 ergeben sich die Abbildungen 6 und 7, in denen die Änderungen der durchschnittlichen Druckdifferenz für vier Kabinenformen mit größeren Öffnungsverhältnissen von 0,3 bzw. 0,2 dargestellt sind. Wir sehen, dass Änderungen der durchschnittlichen Druckunterschiede in nur geringem Maße von den unterschiedlichen Formen abhängen, da die Luft im Schacht frei durch die Öffnungen und ohne größeren Widerstand durch den Spalt zwischen der vertikalen Kabinenoberfläche und der Rohrwand strömen kann.
Die Abbildungen 8 und 9 zeigen Kurven der durchschnittlichen Druckdifferenzen bei vier verschiedenen Kabinenformen mit einem identischen Sperrverhältnis von 0,72, aber mit Öffnungsverhältnissen von 0,1 bzw. 0. Durch Reduzierung des Öffnungsverhältnisses kann weniger Luft durch die Öffnungen strömen und wird mehr Luft durch den Spalt zwischen der vertikalen Kabinenoberfläche und der Schachtwand gepresst. Hierbei spielt die Kabinenform bei den Strömungsfeldeigenschaften im Schacht eine größere Rolle. Unterschiedliche Kabinenformen führen zu bedeutenden durchschnittlichen Druckunterschieden vor und hinter der Kabine entlang des Schachtes. Insbesondere bei einem Öffnungsverhältnis von 0 erzielt die Parabolform unter den vier verschiedenen Kabinenformen das beste Ergebnis, weil sie den kleinsten durchschnittlichen Druckunterschied vor und hinter der Kabine aufweist.
Der Hauptfaktor, der den aerodynamischen Tunneldruck beeinflusst, ist nicht nur die Kabinenform, sondern auch das Öffnungs- und Sperrverhältnis. In den Abb. 6 – 8 wird das Öffnungsverhältnis von 0,3 auf 0,1 reduziert, während das Sperrverhältnis konstant bei 0,72 bleibt. Das Resultat zeigt, dass sich die tunnelbedingten aerodynamischen Druckunterschiede bei den vier Kabinenformen nicht groß unterscheiden. In Abb. 9, mit einem Öffnungsverhältnis von 0, wird die Luft entlang des Schachtes durch den Spalt zwischen der Kabinenseite und der Schachtwand gepresst. Hier wird der große Einfluss der Kabinenform auf die tunnelbedingten aerodynamischen Druckunterschiede ersichtlich.
Schlussfolgerung
Der große Bedarf an superschnellen Aufzügen auf Grund des Baus sehr hoher, intelligenter Gebäude in diesem Jahrhundert liegt auf der Hand. Es wurden die Probleme im Zusammenhang mit der Entwicklung superschneller Aufzüge besprochen, die zur Errichtung einer experimentellen Plattform für die Untersuchung der aerodynamischen Leistungen derartiger Aufzüge im Schacht geführt haben. Obwohl eine Menge Forschung in Flugzeuge und Rennwagen gesteckt wurde, lassen sich die Ergebnisse wegen der „tunnelbedingten Druckunterschiede“ nicht auf Aufzüge anwenden. Forschungen auf dem Gebiet der Hochgeschwindigkeitszüge bei Tunnelfahrten sind zwar ähnlich, aber meistens ist das Sperrverhältnis bei Zügen sehr groß, sodass der „tunnelbedingte Druckunterschied“ kein Unterscheidungsmerkmal ist.
Unsere experimentellen Arbeiten ergaben einige wenige Erkenntnisse. Erstens wäre da die rechnerische Fluiddynamik, die wegen der nichtlinearen Turbulenzen für die Aufzugskonstruktion nicht eingesetzt werden kann. Studien über DPIV-basierte Luftgeschwindigkeitsprofile sind bei der Bestimmung derartiger Turbulenzen hilfreich. Es scheint, dass die Oberflächenreibung und der durch die Kabinenform hervorgerufene Luftwiderstand eine viel geringere Auswirkung als der „tunnelbedingte Druckunterschied“ haben. Bei der Konstruktion eines superschnellen Aufzugs ist es also sehr wichtig, vernünftige Schachtparameter (d. h. Öffnungs- und Sperrverhältnisse) zu wählen. Der durchschnittliche Druckunterschied vor und hinter der Kabine entlang des Schachtes wird klar durch die unterschiedlichen Kabinenformen beeinflusst, wenn die Öffnungsverhältnisse klein sind und das Sperrverhältnis groß ist. Mit einem kleinen Öffnungsverhältnis und einem großen Sperrverhältnis haben unsere experimentellen Ergebnisse folgende Reihenfolge der bevorzugten Kabinenformen unter Berücksichtigung des durchschnittlichen Druckunterschieds ergeben: Parabolform, Kugelform, Dreiecksform und Zylinderform.
Es sollte beachtet werden, dass Kabinen mit einem flachen Oberteil und einem flachen Boden (in unseren Experimenten die Zylinderform) bei den derzeitigen Aufzügen üblich sind. Sie sind daher für superschnelle Anwendungen völlig ungeeignet. Der von uns betrachtete „tunnel- und formbedingte Luftwiderstand“, der sich überwiegend aus dem durchschnittlichen Druckunterschied ergibt, weicht stark vom normalen Konzept des formbedingten Luftwiderstandes ab, wenn sich Fahrzeuge mit sehr hoher Geschwindigkeit im offenen Raum bewegen. Das ist deshalb so, weil dieser „tunnel- und formbedingte Luftwiderstand“ sich aus der Hochgeschwindigkeitsfahrt der Kabine im Rahmen einer schachtbedingten Aerodynamik ergibt.
Dieses Projekt wurde finanziell unterstützt vom Strategic Research Grants No. 7001379 und 7001109 der City University of Hongkong.
Nachdruck mit freundlicher Genehmigung der Elevator World.
Referenzen
[1] Schetz A. “Aerodynamics of High-Speed Trains.” J. Annu. Rev. Fluid Mech, 2001, Vol. 33, pp. 371-414.
[2] Arturo B., M. Michele and S. Stefano. “The Alleviation of the Aerodynamic Drag and Wave Effects of High-Speed Trains in Very Long Tunnels.” Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2001, Vol. 89, pp. 365-401.
[3] Zhu W. “Wind Tunnel Test Study of the Aerodynamic Shape of High-Speed Trains.” J. Experiments and Measurements in Fluid Mechanics, 1997, Vol. 11, No. 2, pp. 105-107.
[4] CIBSE Guide D Transportation Systems in Building, 1993 and 2000 Editions.
[5] Matsukura Y., E. Watanabe, Y. Sugiyama and O. Kanamori. “New Mechanical Techniques for Super-High-Speed Elevators.” in G.C. Barney eds., Elevator Technology 4, IAEE, 1992, pp. 174-181.
[6] Teshima N., K. Miyasako and H. Matsuda. “Experimental and Numerical Studies on Ultra-High-Speed Elevators.” in G.C. Barney eds., Elevator Technology 4, IAEE, 1992, pp. 276-285.
[7] So A. T. P., T. T. Chow, G.X. Shen and H. W. Yang. “An Aerodynamic Mathematical Model for Super-High-Speed Elevators.” in G.C. Barney eds., Elevator Technology 7, 1996, pp. 204-213, reprinted in Elevatori, Vol. 27, No. 5, 1998, pp. 23-34.
[8] Yang H. W. and A. T. P. So. “A 2-Dimensional Aerodynamic Model for Super-High-Speed Elevators.” International Journal of Elevator Engineering, Vol. 2, 1998, pp. 19-32.
[9] Schetz A. “Aerodynamics of High-Speed Trains.” Annual Rev. Fluid Mechanics, 2001, Vol. 33, pp. 371-414.
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[9] Schetz A. “Aerodynamics of High-Speed Trains.” Annual Rev. Fluid Mechanics, 2001, Vol. 33, pp. 371-414.
[10] Munakata T., H. Kohara, K. Takai, Y. Sekimoto, R. Ootsubo and S. Nakagaki. “The World’s Fastest Elevator.” ELEVATOR WORLD, September, 2003, pp. 97.
[11] Duan Y., G. X. Shen, Y. G. Zhang and A. T. P. So. “Aerodynamic Testing Simulation Facility for High-Speed Elevator.” Journal of BUAA, 2004 in press.
[11] Duan Y., G. X. Shen, Y. G. Zhang and A. T. P. So. “Aerodynamic Testing Simulation Facility for High-Speed Elevator.” Journal of BUAA, 2004 in press.
Gongexin Shen und H.L. Bai sind an der School for Aeronautic Science and Engineering, BUAA, in Peking tätig.
Albert So arbeitet an der City University of Hongkong.
4/2004
