(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 廣東 廣州 510641)
目前國內(nèi)對于井道流場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)對轎廂的氣動特性的影響,進(jìn)一步研究不同導(dǎo)流罩形狀對轎廂氣動特性和噪聲的影響[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)致流場對電梯運(yùn)動影響較大,所以研究電梯運(yùn)行過程氣動特性很有必要。目前電梯流體仿真模型中轎廂常簡化為無框架, 而轎廂簡化為無框架后對電梯氣動特性的影響缺少研究。所以本研究以有無框架的仿真結(jié)果對比,分析框架結(jié)構(gòu)對轎廂的氣動特性的影響,討論是否可以將轎廂模型簡化為無框架模型。
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,該部分可能對轎廂受到的氣動阻力有一定影響,下面通過Fluent軟件進(jìn)行分析。
圖1 某電梯廠商的轎廂模型
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-對重模型和無框架轎廂-對重模型。
1) 有框架轎廂-對重模型
有框架轎廂-對重模型如圖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.對重 2.轎廂 3.井道內(nèi)壁面 4.框架圖2 有框架轎廂-對重模型型
2) 無框架轎廂-對重模型
無框架轎廂-對重模型就是在有框架模型上去掉框架,電梯轎廂和對重交錯(cuò)過程中的三維模型如圖3所示。
為節(jié)省時(shí)間和資源,同時(shí)保證精度,中間運(yùn)動區(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-對重模型
圖4 有框架模型網(wǎng)格
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。
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) 動網(wǎng)格區(qū)域(Dynamic Mesh Zones):轎廂,對重:剛體(Rigid Body),運(yùn)動速度為6 m/s。
電梯下降時(shí),轎廂下降方向上受到的阻力稱為氣動阻力,前后方向上受到的力稱為側(cè)向升力。氣動阻力和側(cè)向升力變化都將導(dǎo)致轎廂振動,影響電梯的舒適性。
氣動阻力F1隨轎廂運(yùn)動距離X的變化曲線如圖5所示,有無框架氣動阻力數(shù)據(jù)比較見表2所示。
圖5 氣動阻力隨轎廂運(yùn)動距離的變化
表2 有無框架氣動阻力數(shù)據(jù)比較
在對重和轎廂距離較遠(yuǎn)時(shí),氣動阻力的幾乎沒有變化,但是交錯(cuò)前后氣動阻力存在差值,表明對重對井道內(nèi)流場存在較大影響。轎廂與對重剛好交錯(cuò)時(shí)出現(xiàn)峰值,原因在于此時(shí)對重壁面開始阻礙轎廂周圍靠近對重一側(cè)的氣體流動,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)動過程中氣動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化研究電梯交錯(cuò)時(shí)的氣動阻力。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
側(cè)向升力F2隨轎廂運(yùn)動距離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)面對對重。
由于框架設(shè)在轎廂左右面, 對轎廂前后方向的側(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,原因在于對重與轎廂之間的空氣只能通過轎廂與對重間的狹小空隙流動,流場速度迅速增大,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)動距離的變化
本研究分析了有無框架結(jié)構(gòu)對高速電梯運(yùn)動過程氣動特性的影響,仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明有無框架模型的氣動特性非常相似。在氣動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化為無框架模型。