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(cè)研究院順德檢測(cè)院，廣東 佛山 528300) (2.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

隨著社會(huì)的發(fā)展，電梯的使用量隨之增多，人們對(duì)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(zhǎng)期的監(jiān)督檢驗(yàn)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(yùn)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(duì)電梯曳引機(jī)系統(tǒng)分析了電梯噪聲與振動(dòng)對(duì)電梯舒適度的影響；張亞運(yùn)、邵興祿、蔡正新等[5-7]針對(duì)電梯噪聲的來源，提出了減少電梯噪聲的改進(jìn)措施；湛宇等[8]通過研究如何控制電梯的運(yùn)行速度達(dá)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(jì)電梯部件確保安全的同時(shí)，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(qiáng)電梯日常運(yùn)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(yùn)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(dòng)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(tái)垂直風(fēng)扇，但經(jīng)對(duì)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(chǎng)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(jì)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(jìn)風(fēng)速度，在保障環(huán)境溫度的同時(shí)，大大降低了因空氣對(duì)流產(chǎn)生的環(huán)境噪聲。

1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jìn)風(fēng)、底端兩側(cè)出風(fēng)，排風(fēng)直接進(jìn)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(duì)此電梯轎廂空調(diào)，模擬仿真時(shí)采用380 mm×31 mm×35 mm的進(jìn)風(fēng)口共3個(gè)，幾何位置距周圍壁面近端50 mm、遠(yuǎn)端160 mm和505 mm，進(jìn)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(duì)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(jìn)后的轎廂空調(diào)采用380 mm×31 mm×35 mm的進(jìn)風(fēng)口4個(gè)，并在風(fēng)口加裝4組導(dǎo)流葉片機(jī)(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(cuò)2排，在轎廂中呈左右對(duì)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(jìn)前電梯進(jìn)出風(fēng)結(jié)構(gòu)

圖3 改進(jìn)后電梯進(jìn)出風(fēng)結(jié)構(gòu)

由于在模擬仿真計(jì)算中只有網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)和單元參與計(jì)算，因此網(wǎng)格質(zhì)量直接影響到計(jì)算結(jié)果。此次模擬采用ANSYS-Mashing平臺(tái)劃分四面體網(wǎng)格，對(duì)熱源邊界層局部加密時(shí)，如采用方法一，邊界層設(shè)為10層，網(wǎng)格細(xì)化比例為1∶1.20，網(wǎng)格數(shù)約為810萬，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)約為1 500步時(shí)完全收斂；如采用方法二，邊界層設(shè)為15層，網(wǎng)格細(xì)化比例為1∶1.15，網(wǎng)格數(shù)約為895萬，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)約為2 900步時(shí)基本收斂，隨后有發(fā)散趨勢(shì)。在相同出風(fēng)條件下，對(duì)于大空間，二者計(jì)算結(jié)果無明顯區(qū)別，同時(shí)考慮網(wǎng)格質(zhì)量和CPU的處理與儲(chǔ)存，故本文采用方法一。對(duì)轎廂進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化(包括改進(jìn)后的散流裝置)，改進(jìn)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(jìn)前電梯轎廂網(wǎng)格俯視圖 圖5 改進(jìn)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(duì)比、分析不同結(jié)構(gòu)轎廂空調(diào)在不同種工況下對(duì)環(huán)境溫度及噪聲影響的關(guān)鍵。計(jì)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(jì)算模型不同，邊界條件的設(shè)置也有區(qū)別。對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的電梯轎廂空調(diào)，采用的進(jìn)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(jìn)行對(duì)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(jìn)口設(shè)為速度進(jìn)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(yàn)的邊界條件設(shè)置見表2。

表2 邊界條件參數(shù)

2 計(jì)算方程與數(shù)值模型

計(jì)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(dòng)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(dòng)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(shí)間；u為速度矢量。

動(dòng)量守恒定律定義為微元體中流體的動(dòng)量對(duì)時(shí)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(jìn)入微元體的凈熱流量加上體力與面力對(duì)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(dòng)能；cp為流體質(zhì)量定壓熱容；ST為能量的廣義源項(xiàng)。

狀態(tài)方程涉及流體內(nèi)能、溫度、密度及壓強(qiáng)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于流體的流動(dòng)速度，所以其狀態(tài)關(guān)系式一般表達(dá)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(dòng)雖然是一種高度非線性的復(fù)雜流動(dòng)，但人們已經(jīng)通過數(shù)值方法對(duì)模型計(jì)算取得的結(jié)果與實(shí)際情況進(jìn)行比較，吻合程度較高。計(jì)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(dòng)力黏度；μt為湍動(dòng)黏度；σk為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取1；Pr為湍流耗散率普朗特?cái)?shù)；σT為模型常數(shù)，取決于源項(xiàng)；σε為模型常數(shù)，取1.3；ε為湍動(dòng)能耗散率；u，v，w分別為3個(gè)方向的速度矢量；Su，Sv，Sw分別為動(dòng)量守恒方程的廣義源項(xiàng)；Gk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；S為廣義源項(xiàng)；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(jì)算結(jié)果與討論

當(dāng)空調(diào)進(jìn)口風(fēng)速為3 m/s時(shí)，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(duì)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(dòng)，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(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為4 m/s時(shí)電梯轎廂內(nèi)部溫度分布如圖8所示，空調(diào)進(jìn)風(fēng)口出口段氣流漸縮后流向下部空間，因此在進(jìn)風(fēng)口周圍會(huì)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(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為5 m/s時(shí)電梯轎廂內(nèi)部溫度分布如圖9所示，空調(diào)進(jìn)風(fēng)口出口段氣流直接流向下部空間且呈現(xiàn)漸擴(kuò)趨勢(shì)，能夠很好地將進(jìn)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(shí)轎廂溫度分布圖

圖9 風(fēng)速為5 m/s時(shí)轎廂溫度分布圖

當(dāng)采用新型空調(diào)結(jié)構(gòu)、進(jìn)口風(fēng)速為4 m/s時(shí)，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(xì)微活動(dòng)時(shí)，由于負(fù)壓作用，靜止貼合在前后壁面的熱空氣開始流動(dòng)，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生陣陣熱浪，且空氣質(zhì)量也較差。進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為5 m/s時(shí)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(yùn)動(dòng)，四壁的熱空氣將被強(qiáng)制對(duì)流并經(jīng)轎廂底部出口進(jìn)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(shí)轎廂速度跡線圖

圖11 風(fēng)速為5 m/s時(shí)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(yùn)行速度為3 m/s時(shí)，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為4 m/s時(shí)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(shí)井道內(nèi)的流體容易隨著電梯上升或下降被強(qiáng)制回流到電梯轎廂，此時(shí)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(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為5 m/s時(shí)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(shí)電梯整體壓力分布圖 圖13 風(fēng)速為5 m/s時(shí)電梯整體壓力分布圖

4 結(jié)論

經(jīng)計(jì)算分析后，筆者于2019年6月對(duì)電梯進(jìn)行了改造(包括對(duì)其內(nèi)部運(yùn)行傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行整體優(yōu)化)，電梯運(yùn)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(yùn)行狀況表明：

1)對(duì)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(duì)于此種結(jié)構(gòu)的電梯轎廂，當(dāng)空調(diào)進(jìn)風(fēng)風(fēng)速為5 m/s時(shí)能夠更大程度將轎廂內(nèi)部的殘余熱空氣強(qiáng)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(yùn)行時(shí)，5 m/s的空調(diào)進(jìn)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(duì)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。