電梯轎廂通風(fēng)結(jié)構(gòu)的模擬仿真研究

寧海明，曾健生，李瑞宇，2，楊 海，楊曉山，張 宇，徐 永

(1.廣東省特種設(shè)備檢測研究院順德檢測院，廣東 佛山 528300) (2.西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

隨著社會的發(fā)展，電梯的使用量隨之增多，人們對電梯的基本要求也從原來的方便快捷變成現(xiàn)在的安全舒適。在長期的監(jiān)督檢驗過程中可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有電梯仍然存在諸多問題，主要包括轎廂內(nèi)環(huán)境舒適度、電梯運行速度以及電梯井與電梯交互的噪聲等[1-3]。顧雯雯等[4]主要針對電梯曳引機系統(tǒng)分析了電梯噪聲與振動對電梯舒適度的影響；張亞運、邵興祿、蔡正新等[5-7]針對電梯噪聲的來源，提出了減少電梯噪聲的改進措施；湛宇等[8]通過研究如何控制電梯的運行速度達到了讓乘梯人員安全舒適的目的。但電梯系統(tǒng)的通風(fēng)結(jié)構(gòu)及溫度的調(diào)節(jié)也是影響人員乘梯感受的主要因素，因此在設(shè)計電梯部件確保安全的同時，還需要考慮如何完善電梯自身結(jié)構(gòu)和制冷設(shè)備的安裝等問題，來增強電梯日常運行中的舒適性。

廣東省某大型寫字樓電梯出現(xiàn)了諸多問題，如在日常運行中出現(xiàn)轎廂內(nèi)部悶熱，在其上下加速過程中產(chǎn)生震動及噪聲，都嚴(yán)重影響乘梯人員的感受。在轎廂頂部裝有3臺垂直風(fēng)扇，但經(jīng)對其結(jié)構(gòu)及安裝位置的模擬分析發(fā)現(xiàn)，壓力及溫度場分布情況不合理，是導(dǎo)致上述現(xiàn)象的原因。為解決這些問題，筆者設(shè)計了新型的通風(fēng)結(jié)構(gòu)——加裝了一種散流裝置，通過調(diào)整進風(fēng)速度，在保障環(huán)境溫度的同時，大大降低了因空氣對流產(chǎn)生的環(huán)境噪聲。

1 結(jié)構(gòu)簡介及參數(shù)設(shè)定

廣東某大型寫字樓所安裝電梯均為中速垂直升降電梯，電梯內(nèi)部空調(diào)為頂端進風(fēng)、底端兩側(cè)出風(fēng)，排風(fēng)直接進入井道，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—電梯井道；2—電梯空調(diào)；3—轎廂排風(fēng)口；4—乘梯人員；5—電梯轎廂

針對此電梯轎廂空調(diào)，模擬仿真時采用380 mm×31 mm×35 mm的進風(fēng)口共3個，幾何位置距周圍壁面近端50 mm、遠端160 mm和505 mm，進風(fēng)方向與地面垂直，出風(fēng)口為平行2排結(jié)構(gòu)，在轎廂中左右對稱布置，出口面積大于1%轎廂總面積，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。改進后的轎廂空調(diào)采用380 mm×31 mm×35 mm的進風(fēng)口4個，并在風(fēng)口加裝4組導(dǎo)流葉片機(尺寸為380 mm×31 mm(110 mm)×55 mm)，其靠近電梯壁面?zhèn)瘸鲲L(fēng)口與地面夾角為60°，另一側(cè)出風(fēng)口與地面夾角為45°，出風(fēng)口為交錯2排，在轎廂中呈左右對稱布置，出口面積大于1%轎廂總面積，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 改進前電梯進出風(fēng)結(jié)構(gòu)

圖3 改進后電梯進出風(fēng)結(jié)構(gòu)

由于在模擬仿真計算中只有網(wǎng)格的節(jié)點和單元參與計算，因此網(wǎng)格質(zhì)量直接影響到計算結(jié)果。此次模擬采用ANSYS-Mashing平臺劃分四面體網(wǎng)格，對熱源邊界層局部加密時，如采用方法一，邊界層設(shè)為10層，網(wǎng)格細化比例為1∶1.20，網(wǎng)格數(shù)約為810萬，計算時間步長約為1 500步時完全收斂；如采用方法二，邊界層設(shè)為15層，網(wǎng)格細化比例為1∶1.15，網(wǎng)格數(shù)約為895萬，計算時間步長約為2 900步時基本收斂，隨后有發(fā)散趨勢。在相同出風(fēng)條件下，對于大空間，二者計算結(jié)果無明顯區(qū)別，同時考慮網(wǎng)格質(zhì)量和CPU的處理與儲存，故本文采用方法一。對轎廂進風(fēng)結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格細化(包括改進后的散流裝置)，改進前后網(wǎng)格數(shù)量分別約為144萬和810萬，網(wǎng)格質(zhì)量(element quality)均大于0.38，其整體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示。

圖4 改進前電梯轎廂網(wǎng)格俯視圖 圖5 改進后電梯轎廂網(wǎng)格俯視圖

湍流模型和邊界條件設(shè)置是對比、分析不同結(jié)構(gòu)轎廂空調(diào)在不同種工況下對環(huán)境溫度及噪聲影響的關(guān)鍵。計算選用Fluent標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型[5]，其基本參數(shù)選取見表1。

表1 Fluent標(biāo)準(zhǔn)k-ε參數(shù)

計算模型不同，邊界條件的設(shè)置也有區(qū)別。對于不同結(jié)構(gòu)的電梯轎廂空調(diào)，采用的進口風(fēng)速均為3 m/s；同種新型結(jié)構(gòu)的電梯轎廂空調(diào)，選取不同風(fēng)速進行對比，分別為3 m/s、4 m/s和5 m/s；根據(jù)電梯相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，電梯在1 min內(nèi)由底層升至最高層較為適宜，因此電梯井內(nèi)電梯上升和下降速度均設(shè)為3 m/s。流體進口設(shè)為速度進口，流體出口為自由出流，轎廂內(nèi)人體及轎廂壁面溫度為恒溫37 ℃。分析試驗的邊界條件設(shè)置見表2。

表2 邊界條件參數(shù)

2 計算方程與數(shù)值模型

計算流體力學(xué)和流體熱力學(xué)所用控制方程主要涉及質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程和狀態(tài)方程，適用于任何有熱交換的流動系統(tǒng)。

質(zhì)量守恒方程中，可壓縮流體瞬態(tài)三維連續(xù)性關(guān)系式為：

(1)

式中：ρ為流體密度；t為時間；u為速度矢量。

動量守恒定律定義為微元體中流體的動量對時間的變化率等于外界作用在該微元上的總力之和，其基本的方程式為：

(2)

式中：F為作用在流體上的總力；m為流體總質(zhì)量；v為流體速度。

能量守恒定律定義為微元體中能量的增加率等于進入微元體的凈熱流量加上體力與面力對微元體所做的功，其隨溫度變化的守恒方程式為：

(3)

式中：T為流體變化溫度；k為流體動能；cp為流體質(zhì)量定壓熱容；ST為能量的廣義源項。

狀態(tài)方程涉及流體內(nèi)能、溫度、密度及壓強等熱力學(xué)量，又因流體的熱力學(xué)量之間的轉(zhuǎn)化速度遠遠高于流體的流動速度，所以其狀態(tài)關(guān)系式一般表達如下：

(4)

式中：p為流體所受壓力；R為流體常數(shù)；e為流體內(nèi)能；cv為流體質(zhì)量定容熱容。

湍流流動雖然是一種高度非線性的復(fù)雜流動，但人們已經(jīng)通過數(shù)值方法對模型計算取得的結(jié)果與實際情況進行比較，吻合程度較高。計算模型選取湍流模型中標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，其控制方程見表3。表中，Φ為通用變量；μ為動力黏度；μt為湍動黏度；σk為經(jīng)驗常數(shù)，取1；Pr為湍流耗散率普朗特數(shù)；σT為模型常數(shù)，取決于源項；σε為模型常數(shù)，取1.3；ε為湍動能耗散率；u，v，w分別為3個方向的速度矢量；Su，Sv，Sw分別為動量守恒方程的廣義源項；Gk為平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生項；S為廣義源項；C1ε和C2ε為模型常數(shù)，分別取1.44和1.92。

表3 k-ε模型控制方程

3 計算結(jié)果與討論

當(dāng)空調(diào)進口風(fēng)速為3 m/s時，改造前的電梯轎廂內(nèi)部溫度分布如圖6所示，空調(diào)垂直向下吹風(fēng)，未站在空調(diào)出風(fēng)口下的人群不能很好地散熱，且溫度分布梯度較大，溫度分布很不均勻；改造后的電梯轎廂內(nèi)部溫度分布如圖7所示，由于其具有散流裝置，使得未站在出風(fēng)口下的人群也能與少量冷空氣接觸，散熱情況變好，且溫度分布梯度較小，溫度分布相對均勻。由此可知新型的空調(diào)出風(fēng)結(jié)構(gòu)能夠更好地使冷空氣在轎廂內(nèi)均勻流動，提高人體舒適度。

圖6 改造前電梯轎廂溫度分布圖 圖7 改造后電梯轎廂溫度分布圖

當(dāng)采用新型空調(diào)結(jié)構(gòu)、進風(fēng)口風(fēng)速為4 m/s時電梯轎廂內(nèi)部溫度分布如圖8所示，空調(diào)進風(fēng)口出口段氣流漸縮后流向下部空間，因此在進風(fēng)口周圍會形成旋渦，致使部分空氣不能與新風(fēng)置換，空氣質(zhì)量較差；進風(fēng)口風(fēng)速為5 m/s時電梯轎廂內(nèi)部溫度分布如圖9所示，空調(diào)進風(fēng)口出口段氣流直接流向下部空間且呈現(xiàn)漸擴趨勢，能夠很好地將進風(fēng)口周圍空間的空氣與新風(fēng)置換，提高空氣質(zhì)量。

圖8 風(fēng)速為4 m/s時轎廂溫度分布圖

圖9 風(fēng)速為5 m/s時轎廂溫度分布圖

當(dāng)采用新型空調(diào)結(jié)構(gòu)、進口風(fēng)速為4 m/s時，電梯轎廂內(nèi)部速度跡線如圖10所示，轎廂前后側(cè)壁面有部分沒有冷氣流經(jīng)過，當(dāng)部分乘梯人員出電梯或在轎廂內(nèi)細微活動時，由于負壓作用，靜止貼合在前后壁面的熱空氣開始流動，此時會產(chǎn)生陣陣熱浪，且空氣質(zhì)量也較差。進風(fēng)口風(fēng)速為5 m/s時電梯轎廂內(nèi)部速度跡線如圖11所示，冷氣流幾乎充滿轎廂內(nèi)部向下運動，四壁的熱空氣將被強制對流并經(jīng)轎廂底部出口進入井道，轎廂內(nèi)部冷空氣持續(xù)置換。

圖10 風(fēng)速為4 m/s時轎廂速度跡線圖

圖11 風(fēng)速為5 m/s時轎廂速度跡線圖

從電梯整體結(jié)構(gòu)分析可知，當(dāng)電梯運行速度為3 m/s時，進風(fēng)口風(fēng)速為4 m/s時的壓力分布如圖12所示，電梯轎廂內(nèi)部與井道的連接處，流向井道的流體在井道中壓力梯度變化較小，沒有產(chǎn)生較大的正壓，此時井道內(nèi)的流體容易隨著電梯上升或下降被強制回流到電梯轎廂，此時產(chǎn)生噪聲的概率較大，且其整體結(jié)構(gòu)流體最低壓力為-12.26 Pa，最高壓力為21.04 Pa；進風(fēng)口風(fēng)速為5 m/s時的壓力分布如圖13所示, 電梯轎廂內(nèi)部與井道的連接處，流向井道的流體在井道中壓力梯度變化較大，能夠阻止井道內(nèi)空氣回流，降低噪聲產(chǎn)生的概率，其整體結(jié)構(gòu)流體最低壓力為-9.743 Pa，最高壓力為49.51 Pa。

圖12 風(fēng)速為4 m/s時電梯整體壓力分布圖 圖13 風(fēng)速為5 m/s時電梯整體壓力分布圖

4 結(jié)論

經(jīng)計算分析后，筆者于2019年6月對電梯進行了改造(包括對其內(nèi)部運行傳動機構(gòu)進行整體優(yōu)化)，電梯運行噪聲明顯降低，人體舒適度有所提高。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后電梯整體運行狀況表明：

1)對于目前在用電梯，散流式分離裝置能夠較好地將冷空氣分布在轎廂內(nèi)部，提高乘梯人員舒適度；

2)對于此種結(jié)構(gòu)的電梯轎廂，當(dāng)空調(diào)進風(fēng)風(fēng)速為5 m/s時能夠更大程度將轎廂內(nèi)部的殘余熱空氣強制排出，凈化轎廂內(nèi)部空氣；

3)當(dāng)電梯以3 m/s的速度在井道內(nèi)運行時，5 m/s的空調(diào)進風(fēng)風(fēng)速能夠很好地降低噪聲產(chǎn)生概率；

4)數(shù)值模擬仿真對于電梯技術(shù)改造研究及應(yīng)用具有很高的可靠性，值得推廣與應(yīng)用。