基于CFD的高速電梯空氣動(dòng)力學(xué)研究

【摘 要】高速電梯由于隧道氣動(dòng)效應(yīng)，氣動(dòng)阻力對(duì)轎廂的升降平穩(wěn)運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生較大的影響。工程研究發(fā)現(xiàn)轎廂及電梯井道的幾何結(jié)構(gòu)是影響電梯氣動(dòng)阻力的重要因素。本文擬采用計(jì)算流體力學(xué)方法，研究影響高速電梯氣動(dòng)阻力的主要因素，設(shè)計(jì)轎廂氣動(dòng)附加裝置對(duì)其空氣動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行改進(jìn)，并通過仿真驗(yàn)證了改進(jìn)的有效性。為高速電梯的設(shè)計(jì)和研發(fā)提供了有效的工具。

【關(guān)鍵詞】高速電梯;計(jì)算流體力學(xué);附加裝置;空氣動(dòng)力學(xué)

中圖分類號(hào)： U441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）06-0052-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.06.018

【Abstract】Due to the tunnel aerodynamic effect， the aerodynamic resistance of high-speed elevator has a great influence on the smooth operation of the lift car. It is found in engineering studies that the geometric structure of the lift car and elevator well is an important factor affecting the aerodynamic resistance of the elevator. In this paper， the computational fluid dynamics （CFD） method is adopted to study the main factors affecting the aerodynamic resistance of high-speed elevators， and the aerodynamic performance of the lift car is improved by designing the aerodynamic additional device， and the effectiveness of the improvement is verified by simulation. It provides an effective tool for the design and development of high-speed elevator.

【Key words】High-speed elevator; CFD; Attachment device; Aerodynamics

0 引言

我國是世界第一大電梯消費(fèi)市場，并且隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展的加速，未來仍舊會(huì)保持較高速的增長。與此同時(shí)，整個(gè)電梯產(chǎn)業(yè)格局也在不斷變化，國際電梯巨頭的不斷涌入，對(duì)我國自主品牌產(chǎn)生了較大的沖擊。我國電梯企業(yè)眾多，但是有品牌競爭力的卻不多，多數(shù)企業(yè)缺乏產(chǎn)品自主開發(fā)設(shè)計(jì)能力。近年來隨著高層、超高層建筑的發(fā)展，市場對(duì)4m/s以上的高速電梯甚至是超高速電梯需求也雨來越高，然而這類高端電梯產(chǎn)品市場，基本被外資品牌所壟斷。因此高速電梯的研發(fā)對(duì)我國的電梯產(chǎn)業(yè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

然而，高速電梯空氣阻力大、振動(dòng)噪聲大的技術(shù)瓶頸一直困擾著電梯企業(yè)。如何對(duì)電梯進(jìn)行減阻降噪，提高其運(yùn)行穩(wěn)定性是當(dāng)前高速電梯研發(fā)過程中的重要課題。電梯的隧道效應(yīng)決定了空氣動(dòng)力學(xué)性能對(duì)其有重要影響。

計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)CFD作為CAE的重要分支，其高效低成本的特點(diǎn)為空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)研發(fā)提供了很好的手段。本文以實(shí)際工程應(yīng)用中某款電梯為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行CFD仿真模擬，獲得電梯在井道中運(yùn)行的全域流場，分析其中對(duì)電梯氣動(dòng)特性影響較大區(qū)域，設(shè)計(jì)附加裝置對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，并再次通過CFD模擬驗(yàn)證氣動(dòng)特性改進(jìn)的有效性[1-2]。

1 電梯三維模型

本文以某高層單轎廂觀光電梯為研究對(duì)象，由于每一次電梯井道結(jié)構(gòu)上的一致性，取其中一段含轎廂進(jìn)行1：1建模，其三維模型如圖1所示，電梯轎廂及井道呈圓柱形。為壁面仿真計(jì)算過程中出口回風(fēng)的影響，電梯上下留取7倍的轎廂高度。為減少仿真計(jì)算的時(shí)間，模型進(jìn)行了簡化處理，對(duì)研究影響較小的細(xì)節(jié)特征作平整化處理。圓柱形轎廂幾何直徑為2600mm，高度2400mm。電梯井道內(nèi)壁為計(jì)算域邊界。

圖1

2 CFD前處理

對(duì)計(jì)算域模型進(jìn)行CFD前處理，使用ICEM對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。生成非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格。為更好地?cái)M合轎廂及井道的光滑曲面，模擬氣流與電梯表面接觸的附面層，在其表面拉伸出多層棱柱網(wǎng)格。為捕捉轎廂周圍流場細(xì)節(jié)，對(duì)其周圍進(jìn)行網(wǎng)格加密，沿其高度方向設(shè)置密度盒，提高計(jì)算精度。計(jì)算域共生成網(wǎng)格數(shù)約200萬，節(jié)點(diǎn)數(shù)45萬[3]，如圖2所示：

3 仿真計(jì)算

本文模擬載重1500kg轎廂，6m/s在井道中運(yùn)行狀況。使用主流的CFD計(jì)算軟件Fluent進(jìn)行計(jì)算。湍流模型選擇k-ε realizable模型，近壁面采用Standard Wall Functions處理。流體介質(zhì)為常溫空氣。

轎廂設(shè)置為無滑移固定壁面。入口為速度入口，速度相對(duì)轎廂6m/s，出口為壓力出口。井道壁面為移動(dòng)壁面，速度相對(duì)轎廂6m/s。數(shù)值算法采用SIMPLE算法，動(dòng)量、湍動(dòng)能以及湍流耗散率均使用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散。

4 仿真結(jié)果分析

經(jīng)CFD計(jì)算迭代至收斂，獲得計(jì)算域全局流場。經(jīng)計(jì)算轎廂以6m/s運(yùn)行時(shí)，受到的總風(fēng)阻為1071.3N，其中粘滯阻力為68.6N。使用CFD-Post進(jìn)行后處理，獲得計(jì)算域?qū)ΨQ面的跡線圖和壓力云圖如圖3所示。

從速度跡線可以看出，電梯上行轎廂頂部平面幾何造型與來流正面碰撞，氣流撞擊轎廂上表面后分向兩側(cè)，進(jìn)入轎廂與井道的狹縫。空間擠壓使得此處氣流速度增加，最高達(dá)到25m/s。氣流從狹縫流出后向轎廂底部中間渦旋流出，此處存在較大的湍流。

從壓力云圖可以看出，轎廂整個(gè)頂部都是正壓區(qū)，氣流速度很小但靜壓很大，經(jīng)計(jì)算此處最大靜壓達(dá)到約260Pa。氣流流進(jìn)轎廂與井道的狹縫之后流速迅速上升，靜壓迅速下降，變化梯度很大。在轎廂底部，可以明顯看到對(duì)稱的負(fù)壓區(qū)，氣流流出狹縫后產(chǎn)生較大的渦旋，給轎廂增加了較大的壓差阻力。

對(duì)于乘用電梯，其乘坐舒適性和安全穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)研發(fā)過程中首要考慮的。從此計(jì)算結(jié)果可以看到，這種傳統(tǒng)上下平面的轎廂在6m/s甚至更高速運(yùn)行時(shí)，存在較大的問題。氣流在進(jìn)入轎廂與井道的狹縫時(shí)流速激增、壓力驟降會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則的震動(dòng)與噪聲。轎廂底部的不規(guī)則高雷諾數(shù)的氣流，也會(huì)對(duì)轎廂產(chǎn)生周期性振動(dòng)，影響電梯的運(yùn)行品質(zhì)以及安全可靠性。

5 改進(jìn)與驗(yàn)證

針對(duì)上述電梯模型的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)氣動(dòng)附加裝置對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。為減小轎廂上部的正壓力，正面氣流能向轎廂四周平緩過渡，改善轎廂底部流場，在轎廂的上下兩個(gè)面增加圓弧形導(dǎo)流罩，如圖四所示。改進(jìn)后得模型再次進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證改進(jìn)的有效性。為保證對(duì)照的可靠，計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分設(shè)置保持一致，生成網(wǎng)格數(shù)約240萬，節(jié)點(diǎn)數(shù)約55萬。計(jì)算所選擇的湍流模型、離散格式以及邊界條件均與原模型相同。

6 結(jié)果對(duì)照

經(jīng)CFD仿真驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果較改進(jìn)前如表2所示，添加導(dǎo)流罩后電梯轎廂的氣動(dòng)阻力降低了近50%。由此可見，增加的導(dǎo)流罩對(duì)轎廂的氣動(dòng)特性具有較大的改善。

改進(jìn)后，轎廂縱對(duì)稱面的速度跡線圖和壓力云圖如圖5所示。從跡線圖可以看出，轎廂上部的導(dǎo)流罩很好地將迎面來流導(dǎo)向周圍，氣流沿導(dǎo)流罩的貼附性較好。轎廂下部的導(dǎo)流罩較改進(jìn)前起到了延遲氣流分離的作用，減弱了轎廂下部的渦流。從壓力云圖可以看出，相對(duì)改進(jìn)前，轎廂的下部負(fù)壓區(qū)得到了明顯的改善，湍流區(qū)域減少，負(fù)壓減弱。充分驗(yàn)證了本次改進(jìn)的有效性。

圖3

圖4

表2 模型改進(jìn)前后阻力比較

（下轉(zhuǎn)第57頁）

（上接第53頁）

圖5

7 總結(jié)

本文使用計(jì)算流體力學(xué)方法，對(duì)某高速電梯轎廂的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)研究，得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)高速電梯增加氣動(dòng)附加裝置，可以改進(jìn)其氣動(dòng)特性，對(duì)轎廂高速運(yùn)行的流場品質(zhì)起到較大的改善作用。

（2）使用CFD的方法，對(duì)高速電梯進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以大大提高優(yōu)化效率，減少設(shè)計(jì)成本。

（3）電梯運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的空氣渦流對(duì)電梯轎廂的乘坐感受和運(yùn)行安全穩(wěn)定性具有較大的影響，對(duì)高速甚至超高速電梯的研究具有較大的工程意義。

【參考文獻(xiàn)】

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