楊潔

摘 要：超高速電梯氣動(dòng)特性難以進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，CFD仿真技術(shù)可作為一種替代方法進(jìn)行分析。本文對(duì)利用CFD仿真分析軟件進(jìn)行超高速電梯的氣動(dòng)特性分析進(jìn)行一個(gè)系統(tǒng)介紹，力求為今后的超高速電梯設(shè)計(jì)者提供參考。

關(guān)鍵詞：超高速電梯；氣動(dòng)特性；CFD

1.引言

近年來(lái)，基于計(jì)算流體力學(xué)的CFD（Computational Fluid Dynamics）仿真分析軟件被很多研究者和電梯企業(yè)用于超高速電梯系統(tǒng)的空氣動(dòng)力特性分析。本文將如何利用CFD仿真分析軟件進(jìn)行超高速電梯的氣動(dòng)特性分析進(jìn)行一個(gè)系統(tǒng)介紹，力求為今后的超高速電梯設(shè)計(jì)者提供參考。

2.超高速電梯氣動(dòng)特性概述

隨著速度的提高，電梯轎廂和對(duì)重在狹窄封閉的井道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，轎廂和對(duì)重的運(yùn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)周?chē)目諝膺\(yùn)動(dòng)。當(dāng)電梯速度較小時(shí)，對(duì)空氣擾動(dòng)較小，但當(dāng)電梯速度達(dá)到6m/s甚至更高時(shí)，轎廂和對(duì)重周?chē)目諝鈩×业牟▌?dòng)會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的氣動(dòng)阻力、力矩和噪聲等，尤其是轎廂和對(duì)重交匯時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊力，影響轎廂運(yùn)行的平穩(wěn)和舒適性。同時(shí)，超高速電梯的提升高度高達(dá)上百米、目前最高的已超過(guò)400米，井道內(nèi)的空氣在內(nèi)外溫差下形成壓差，容易造成煙囪效應(yīng)，同時(shí)井道內(nèi)外的壓差也會(huì)造成電梯開(kāi)關(guān)門(mén)困難。另外，轎廂在井道內(nèi)的運(yùn)行，類(lèi)似于活塞運(yùn)動(dòng)，轎廂運(yùn)行速度的正方向空氣被壓縮形成正壓，反方向形成負(fù)壓，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，很容易將濃煙或者火苗帶入其他樓層。

3. CFD分析超高速電梯氣動(dòng)特性過(guò)程

CFD技術(shù)主要利用計(jì)算機(jī)求解流體的一系列守恒控制偏微分方程組，這其中將涉及流體力學(xué)（尤其是湍流力學(xué)）、計(jì)算方法乃至計(jì)算機(jī)圖形處理等技術(shù)，主要求解流程包括：建立控制方程——確定初始條件及邊界條件——?jiǎng)澐钟?jì)算網(wǎng)格，生成計(jì)算節(jié)點(diǎn)——建立離散方程——離散初始條件及邊界條件——給定求解控制參數(shù)——求解離散方程——顯示和輸出結(jié)果。在求解方程這一步，還需檢查是否收斂，如果不收斂則需返回“建立離散方程”這一步進(jìn)行檢查，直至收斂。現(xiàn)在的主流商業(yè)軟件ANSYS CFX軟件等包括了上述整個(gè)過(guò)程，提供了從網(wǎng)格到流體計(jì)算以及后處理的整梯解決方案。本文將利用該軟件對(duì)超高電梯的空氣動(dòng)力學(xué)特性仿真的分析過(guò)程進(jìn)行介紹。

3.1 模型簡(jiǎn)化

分析超高速電梯氣動(dòng)特性主要考慮轎廂和對(duì)重在井道中全速運(yùn)行時(shí)轎廂周邊氣體流動(dòng)的速度、壓力（阻力）、湍流能量等。考慮到計(jì)算時(shí)間和收斂的考慮，CFD仿真分析時(shí)主要考慮轎廂和對(duì)重的外形，因此轎廂和對(duì)重的結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化。典型的電梯轎廂和對(duì)重結(jié)構(gòu)如圖1a所示，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后，如圖1b所示。

3.2 前處理

前處理環(huán)節(jié)主要是向CFD軟件輸入所求問(wèn)題的相關(guān)數(shù)據(jù)，適用CFD仿真的主要前處理軟件有：Gambit、ANSYS ICEM CFD、TGrid、Gridpro和Gridgen等。較為常用的是Gambit、ANSYS ICEM CFD。

電梯運(yùn)行時(shí)，轎廂和對(duì)重周邊的氣體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)被打破，井道內(nèi)的氣體在轎廂和對(duì)重的擾動(dòng)下產(chǎn)生非常復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，因此模擬氣體的網(wǎng)格必須隨著運(yùn)動(dòng)過(guò)程即時(shí)更新。目前，動(dòng)網(wǎng)格模型可以用來(lái)模擬流場(chǎng)形狀由于邊界運(yùn)動(dòng)而隨時(shí)間改變的問(wèn)題。對(duì)于二維問(wèn)題，常用的網(wǎng)格單元為三角形；對(duì)于三維問(wèn)題主要采用四面體的網(wǎng)格單元。網(wǎng)格劃分可以采用ANSYS 中的ICEM模塊進(jìn)行，其可以接受多種三維模型接口，例如 CATIA、Solidworks、UG等，對(duì)于簡(jiǎn)單的幾何可以使用其自身的幾何建模工具建立幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分是十分重要的一步，需要考慮計(jì)算時(shí)間與計(jì)算精度的平衡，網(wǎng)格小，可以提高計(jì)算的精度，但會(huì)使計(jì)算時(shí)間成倍增加。

3.3 計(jì)算條件設(shè)置及計(jì)算

ANSYS Fluent 軟件將整個(gè)仿真流程以項(xiàng)目樹(shù)的形式展示出來(lái)。將網(wǎng)格文件導(dǎo)入，根據(jù)分析需求設(shè)置是2D還是3D計(jì)算模型后，按照項(xiàng)目樹(shù)的流程一步一步進(jìn)行設(shè)置即可完成一個(gè)仿真流程的設(shè)置，順序?yàn)椋鹤x入網(wǎng)格——檢查網(wǎng)格——選擇基本物理模型——設(shè)置材料屬性——相定義——設(shè)置計(jì)算區(qū)域條件——設(shè)置邊界條件——設(shè)置動(dòng)網(wǎng)格——設(shè)置參考值——設(shè)置算法及離散格式——設(shè)置求解參數(shù)——設(shè)置監(jiān)視窗口——初始化流場(chǎng)——運(yùn)行計(jì)算相關(guān)設(shè)置——保存結(jié)果。將轎廂和氣體網(wǎng)格模型導(dǎo)入ANSYS Fluent后按照步驟一步一步進(jìn)行仿真設(shè)置。設(shè)置完成后單擊項(xiàng)目樹(shù)中的Run Calculation項(xiàng)進(jìn)行迭代計(jì)算，在計(jì)算過(guò)程中可通過(guò)查看圖形窗口中的動(dòng)態(tài)殘差值來(lái)了解模型計(jì)算是否收斂，如果殘差值趨向于一條在較小范圍內(nèi)變動(dòng)的曲線(xiàn)則計(jì)算收斂，若不是，則計(jì)算不收斂，需要返回進(jìn)行檢查計(jì)算條件設(shè)置和網(wǎng)格模型進(jìn)行計(jì)算模型的修改。計(jì)算完成后便可進(jìn)去后處理階段，分析計(jì)算結(jié)果。

3.4 后處理和計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算完成后，需要查看計(jì)算結(jié)果，ANSYS FLUENT的后處理模塊可以方便的對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化輸出。對(duì)于電梯而言，轎廂和對(duì)重在井道中高速運(yùn)行時(shí)，需要考慮氣動(dòng)阻力、力矩和湍流能量的分布以考慮氣動(dòng)特性對(duì)轎廂振動(dòng)、噪聲和主機(jī)功率消耗等。氣動(dòng)阻力和力矩會(huì)增加電梯主機(jī)的功率消耗、引起轎廂的振動(dòng)等，湍流能量則和氣動(dòng)噪聲有關(guān)，研究表明噪聲的大小與湍流能力的5～6次方呈正比。因此，計(jì)算完成后，需要輸出轎廂周?chē)鷼鈩?dòng)阻力（圖2）、力矩和湍流能量等數(shù)據(jù)。就分析電梯的氣動(dòng)特性而言，轎廂和對(duì)重的運(yùn)動(dòng)過(guò)程可以分為三個(gè)過(guò)程，轎廂和對(duì)重相互靠近、轎廂和對(duì)重交匯、轎廂和對(duì)重相互遠(yuǎn)離。由圖2可以看出，轎廂和對(duì)重相互靠近和遠(yuǎn)離時(shí)，氣動(dòng)阻力比較穩(wěn)定，兩者交匯時(shí)有一個(gè)沖擊力。力矩和湍流能量的變化也會(huì)有類(lèi)似的過(guò)程。

4.總結(jié)

超高速電梯的氣動(dòng)特性是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題，在試驗(yàn)室或者實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中很難進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定。目前還沒(méi)有較好的實(shí)驗(yàn)方法。利用仿真分析的手段是目前最好的研究方法。本文主要介紹了使用CFD仿真軟件對(duì)超高速電梯進(jìn)行氣動(dòng)特性分析的常用步驟。但需要注意的是仿真分析對(duì)使用者的經(jīng)驗(yàn)有較高要求，不同的使用者得出的結(jié)論可能會(huì)有差異。

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