轎廂框架結(jié)構(gòu)對(duì)高速電梯運(yùn)動(dòng)過程氣動(dòng)特性影響研究

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 廣東 廣州 510641)

1 研究背景

目前國內(nèi)對(duì)于井道流場(chǎng)的仿真研究主要基于CFD軟件，通過二維或三維仿真研究電梯參數(shù)對(duì)轎廂的氣動(dòng)特性的影響，進(jìn)一步研究不同導(dǎo)流罩形狀對(duì)轎廂氣動(dòng)特性和噪聲的影響[1-9]。而國外電梯系統(tǒng)的仿真模型基于空氣動(dòng)力學(xué)的模型較少，主要集中在電梯控制模型、參數(shù)模型、電梯能耗仿真模型等，常用軟件有電磁有限元方法模擬軟件FLUX，系統(tǒng)響應(yīng)模擬軟件MATLAB、Simulink、蒙特卡洛模擬軟件等[10-12]。

電梯在井道中的運(yùn)行穩(wěn)定性非常重要，而高速電梯因?yàn)樗俣雀邔?dǎo)致流場(chǎng)對(duì)電梯運(yùn)動(dòng)影響較大，所以研究電梯運(yùn)行過程氣動(dòng)特性很有必要。目前電梯流體仿真模型中轎廂常簡(jiǎn)化為無框架， 而轎廂簡(jiǎn)化為無框架后對(duì)電梯氣動(dòng)特性的影響缺少研究。所以本研究以有無框架的仿真結(jié)果對(duì)比，分析框架結(jié)構(gòu)對(duì)轎廂的氣動(dòng)特性的影響，討論是否可以將轎廂模型簡(jiǎn)化為無框架模型。

2 問題提出

圖1是某電梯廠商的轎廂模型，框架為安裝在轎廂上將轎廂固定在轎廂導(dǎo)軌上的矩形框。因?yàn)榕c空氣接觸面積較大，該部分可能對(duì)轎廂受到的氣動(dòng)阻力有一定影響，下面通過Fluent軟件進(jìn)行分析。

圖1 某電梯廠商的轎廂模型

3 仿真

3.1 模型建立

電梯實(shí)際結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，為了提高計(jì)算速度，同時(shí)保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，將原電梯模型的矩形框作為框架結(jié)構(gòu)部分，建立有框架轎廂-對(duì)重模型和無框架轎廂-對(duì)重模型。

1) 有框架轎廂-對(duì)重模型

有框架轎廂-對(duì)重模型如圖2a和圖2b所示，井道頂部通風(fēng)口布置如圖2c所示，電梯轎廂和對(duì)重交錯(cuò)過程中的三維模型如圖2d所示，結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

表1 主要結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)表

1.對(duì)重 2.轎廂 3.井道內(nèi)壁面 4.框架圖2 有框架轎廂-對(duì)重模型型

2) 無框架轎廂-對(duì)重模型

無框架轎廂-對(duì)重模型就是在有框架模型上去掉框架，電梯轎廂和對(duì)重交錯(cuò)過程中的三維模型如圖3所示。

3.2 網(wǎng)格劃分

為節(jié)省時(shí)間和資源，同時(shí)保證精度，中間運(yùn)動(dòng)區(qū)域網(wǎng)格劃分細(xì)，兩頭區(qū)域較粗，如圖4所示有框架模型網(wǎng)格。

圖3 無框架轎廂-對(duì)重模型

圖4 有框架模型網(wǎng)格

3.3 Fluent參數(shù)設(shè)置

1) 基本(General)

(1) 求解器(Solver)：瞬態(tài)(Trans ient)；

(2) 重力(Gravity)：z=-9.81 m/s2，電梯做下降運(yùn)動(dòng)。

2) 邊界條件(Boundary Condition)

(1) 頂部通風(fēng)口設(shè)置為壓力入口(Pressure-Inlet)，相對(duì)壓力為0；

(2) 兩處分塊區(qū)域交界面設(shè)置為內(nèi)部面(Interior)。

3) 動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域(Dynamic Mesh Zones)：轎廂，對(duì)重：剛體(Rigid Body)，運(yùn)動(dòng)速度為6 m/s。

4 氣動(dòng)特性比較分析

電梯下降時(shí)，轎廂下降方向上受到的阻力稱為氣動(dòng)阻力，前后方向上受到的力稱為側(cè)向升力。氣動(dòng)阻力和側(cè)向升力變化都將導(dǎo)致轎廂振動(dòng)，影響電梯的舒適性。

4.1 氣動(dòng)阻力F1

氣動(dòng)阻力F1隨轎廂運(yùn)動(dòng)距離X的變化曲線如圖5所示，有無框架氣動(dòng)阻力數(shù)據(jù)比較見表2所示。

圖5 氣動(dòng)阻力隨轎廂運(yùn)動(dòng)距離的變化

表2 有無框架氣動(dòng)阻力數(shù)據(jù)比較

在對(duì)重和轎廂距離較遠(yuǎn)時(shí)，氣動(dòng)阻力的幾乎沒有變化，但是交錯(cuò)前后氣動(dòng)阻力存在差值，表明對(duì)重對(duì)井道內(nèi)流場(chǎng)存在較大影響。轎廂與對(duì)重剛好交錯(cuò)時(shí)出現(xiàn)峰值，原因在于此時(shí)對(duì)重壁面開始阻礙轎廂周圍靠近對(duì)重一側(cè)的氣體流動(dòng)，使得轎廂底面阻力瞬間增大，而后阻礙作用減小阻力也隨之減小。無框架模型在交錯(cuò)前后的差值大約170 N，有框架模型差值約為80 N，表明有框架模型受對(duì)重影響較小。剛交錯(cuò)時(shí)無框架模型從1800 N瞬間增加到2110 N，增加了310 N，而有框架模型在同時(shí)間增加了421 N，說明此時(shí)有框架轎廂受到的沖擊更大，因此產(chǎn)生的振動(dòng)更大，導(dǎo)致轎廂的不穩(wěn)定性更大。有框架模型在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中氣動(dòng)阻力均小于無框架模型，在交錯(cuò)前最大相差約150 N左右，換成壓強(qiáng)約為40 Pa，差值不大。而且差值在交錯(cuò)開始后就保持在較小的范圍內(nèi)(約50 N)，所以無框架模型可以用來簡(jiǎn)化研究電梯交錯(cuò)時(shí)的氣動(dòng)阻力。產(chǎn)生差值的原因可能是由于框架設(shè)置的位置剛好處在轎廂尾部高速區(qū)域，有利于空氣的分流，減小了轎廂下壁面空氣的滯止作用，從而減小下壁面阻力，此時(shí)轎廂頭部附近的框架阻礙了高速氣體流向轎廂上壁面，上壁面受力稍微增大，速度云圖和壓力云圖,如圖6所示。

圖6 有無框架速度云圖、壓力云圖比較

4.2 側(cè)向升力F2

側(cè)向升力F2隨轎廂運(yùn)動(dòng)距離X的變化曲線如圖7所示，側(cè)向升力為正值時(shí)表示方向?yàn)檗I廂后側(cè)指向轎廂前側(cè)，轎廂后側(cè)面對(duì)對(duì)重。

由于框架設(shè)在轎廂左右面， 對(duì)轎廂前后方向的側(cè)向升力影響較小，從仿真結(jié)果上看也是相差很小。同時(shí)有無框架模型在轎廂與對(duì)重交錯(cuò)過程中的側(cè)向升力變化規(guī)律也是基本一致的。轎廂和對(duì)重剛交錯(cuò)時(shí)出現(xiàn)側(cè)向升力負(fù)方向的峰值，原因在于對(duì)重與轎廂之間的空氣只能通過轎廂與對(duì)重間的狹小空隙流動(dòng)，流場(chǎng)速度迅速增大，壓力迅速減小，瞬間產(chǎn)生了很大的負(fù)向側(cè)向壓力，而后空氣流速穩(wěn)定側(cè)向升力的方向和大小得到還原。

圖7 側(cè)向升力隨轎廂運(yùn)動(dòng)距離的變化

5 結(jié)論

本研究分析了有無框架結(jié)構(gòu)對(duì)高速電梯運(yùn)動(dòng)過程氣動(dòng)特性的影響，仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明有無框架模型的氣動(dòng)特性非常相似。在氣動(dòng)阻力方面有框架模型阻力更小但相差不大，在側(cè)向升力方面有無框架模型數(shù)值和變化規(guī)律基本是一致的。因此，在不需要得到很準(zhǔn)確的仿真數(shù)據(jù)的情況下，有框架模型可以近似簡(jiǎn)化為無框架模型。