基于CFD的高速電梯空氣動力學研究

【摘 要】高速電梯由于隧道氣動效應，氣動阻力對轎廂的升降平穩(wěn)運行會產(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構是影響電梯氣動阻力的重要因素。本文擬采用計算流體力學方法，研究影響高速電梯氣動阻力的主要因素，設計轎廂氣動附加裝置對其空氣動力學性能進行改進，并通過仿真驗證了改進的有效性。為高速電梯的設計和研發(fā)提供了有效的工具。

【關鍵詞】高速電梯;計算流體力學;附加裝置;空氣動力學

中圖分類號： U441 文獻標識碼： A 文章編號： 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市場，并且隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展的加速，未來仍舊會保持較高速的增長。與此同時，整個電梯產(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)設計能力。近年來隨著高層、超高層建筑的發(fā)展，市場對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)對我國的電梯產(chǎn)業(yè)具有重要的現(xiàn)實意義。

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

計算流體力學技術CFD作為CAE的重要分支，其高效低成本的特點為空氣動力學設計研發(fā)提供了很好的手段。本文以實際工程應用中某款電梯為研究對象，對其進行CFD仿真模擬，獲得電梯在井道中運行的全域流場，分析其中對電梯氣動特性影響較大區(qū)域，設計附加裝置對其進行改進，并再次通過CFD模擬驗證氣動特性改進的有效性[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象，由于每一次電梯井道結構上的一致性，取其中一段含轎廂進行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。為壁面仿真計算過程中出口回風的影響，電梯上下留取7倍的轎廂高度。為減少仿真計算的時間，模型進行了簡化處理，對研究影響較小的細節(jié)特征作平整化處理。圓柱形轎廂幾何直徑為2600mm，高度2400mm。電梯井道內壁為計算域邊界。

圖1

2 CFD前處理

對計算域模型進行CFD前處理，使用ICEM對計算域進行網(wǎng)格劃分。生成非結構化四面體網(wǎng)格。為更好地擬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節(jié)，對其周圍進行網(wǎng)格加密，沿其高度方向設置密度盒，提高計算精度。計算域共生成網(wǎng)格數(shù)約200萬，節(jié)點數(shù)45萬[3]，如圖2所示：

3 仿真計算

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

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

4 仿真結果分析

經(jīng)CFD計算迭代至收斂，獲得計算域全局流場。經(jīng)計算轎廂以6m/s運行時，受到的總風阻為1071.3N，其中粘滯阻力為68.6N。使用CFD-Post進行后處理，獲得計算域對稱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，進入轎廂與井道的狹縫?？臻g擠壓使得此處氣流速度增加，最高達到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，轎廂整個頂部都是正壓區(qū)，氣流速度很小但靜壓很大，經(jīng)計算此處最大靜壓達到約260Pa。氣流流進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，可以明顯看到對稱的負壓區(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。

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

5 改進與驗證

針對上述電梯模型的缺點，設計氣動附加裝置對其進行改進。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，在轎廂的上下兩個面增加圓弧形導流罩，如圖四所示。改進后得模型再次進行仿真，以驗證改進的有效性。為保證對照的可靠，計算模型的網(wǎng)格劃分設置保持一致，生成網(wǎng)格數(shù)約240萬，節(jié)點數(shù)約55萬。計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 結果對照

經(jīng)CFD仿真驗證，計算結果較改進前如表2所示，添加導流罩后電梯轎廂的氣動阻力降低了近50%。由此可見，增加的導流罩對轎廂的氣動特性具有較大的改善。

改進后，轎廂縱對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，轎廂上部的導流罩很好地將迎面來流導向周圍，氣流沿導流罩的貼附性較好。轎廂下部的導流罩較改進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，相對改進前，轎廂的下部負壓區(qū)得到了明顯的改善，湍流區(qū)域減少，負壓減弱。充分驗證了本次改進的有效性。

圖3

圖4

表2 模型改進前后阻力比較

（下轉第57頁）

（上接第53頁）

圖5

7 總結

本文使用計算流體力學方法，對某高速電梯轎廂的設計進行改進研究，得出以下結論：

（1）對高速電梯增加氣動附加裝置，可以改進其氣動特性，對轎廂高速運行的流場品質起到較大的改善作用。

（2）使用CFD的方法，對高速電梯進行空氣動力學優(yōu)化設計，可以大大提高優(yōu)化效率，減少設計成本。

（3）電梯運行時產(chǎn)生的空氣渦流對電梯轎廂的乘坐感受和運行安全穩(wěn)定性具有較大的影響，對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】

[1]王福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004，1-162.

[2]李曉冬.高速電梯氣動特性研究與優(yōu)化[J].哈爾濱工業(yè)大學學報.2009，41（6）82-86.

[3]沈夏威.氣動附加裝置對車輛氣動升力的影響機制分析與改進設計[D]：[湖南大學碩士論文].長沙：湖南大學，2012，7-51.