基于CFD的高速电梯空气动力学研究

【摘 要】高速电梯由于隧道气动效应，气动阻力对轿厢的升降平稳运行会产生较大的影响。工程研究发现轿厢及电梯井道的几何结构是影响电梯气动阻力的重要因素。本文拟采用计算流体力学方法，研究影响高速电梯气动阻力的主要因素，设计轿厢气动附加装置对其空气动力学性能进行改进，并通过仿真验证了改进的有效性。为高速电梯的设计和研发提供了有效的工具。

【关键词】高速电梯;计算流体力学;附加装置;空气动力学

中图分类号： U441 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）06-0052-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.06.018

【Abstract】Due to the tunnel aerodynamic effect， the aerodynamic resistance of high-speed elevator has a great influence on the smooth operation of the lift car. It is found in engineering studies that the geometric structure of the lift car and elevator well is an important factor affecting the aerodynamic resistance of the elevator. In this paper， the computational fluid dynamics （CFD） method is adopted to study the main factors affecting the aerodynamic resistance of high-speed elevators， and the aerodynamic performance of the lift car is improved by designing the aerodynamic additional device， and the effectiveness of the improvement is verified by simulation. It provides an effective tool for the design and development of high-speed elevator.

【Key words】High-speed elevator; CFD; Attachment device; Aerodynamics

0 引言

我國是世界第一大电梯消费市场，并且随着城镇化发展的加速，未来仍旧会保持较高速的增长。与此同时，整个电梯产业格局也在不断变化，国际电梯巨头的不断涌入，对我国自主品牌产生了较大的冲击。我国电梯企业众多，但是有品牌竞争力的却不多，多数企业缺乏产品自主开发设计能力。近年来随着高层、超高层建筑的发展，市场对4m/s以上的高速电梯甚至是超高速电梯需求也雨来越高，然而这类高端电梯产品市场，基本被外资品牌所垄断。因此高速电梯的研发对我国的电梯产业具有重要的现实意义。

然而，高速电梯空气阻力大、振动噪声大的技术瓶颈一直困扰着电梯企业。如何对电梯进行减阻降噪，提高其运行稳定性是当前高速电梯研发过程中的重要课题。电梯的隧道效应决定了空气动力学性能对其有重要影响。

计算流体力学技术CFD作为CAE的重要分支，其高效低成本的特点为空气动力学设计研发提供了很好的手段。本文以实际工程应用中某款电梯为研究对象，对其进行CFD仿真模拟，获得电梯在井道中运行的全域流场，分析其中对电梯气动特性影响较大区域，设计附加装置对其进行改进，并再次通过CFD模拟验证气动特性改进的有效性[1-2]。

1 电梯三维模型

本文以某高层单轿厢观光电梯为研究对象，由于每一次电梯井道结构上的一致性，取其中一段含轿厢进行1：1建模，其三维模型如图1所示，电梯轿厢及井道呈圆柱形。为壁面仿真计算过程中出口回风的影响，电梯上下留取7倍的轿厢高度。为减少仿真计算的时间，模型进行了简化处理，对研究影响较小的细节特征作平整化处理。圆柱形轿厢几何直径为2600mm，高度2400mm。电梯井道内壁为计算域边界。

图1

2 CFD前处理

对计算域模型进行CFD前处理，使用ICEM对计算域进行网格划分。生成非结构化四面体网格。为更好地拟合轿厢及井道的光滑曲面，模拟气流与电梯表面接触的附面层，在其表面拉伸出多层棱柱网格。为捕捉轿厢周围流场细节，对其周围进行网格加密，沿其高度方向设置密度盒，提高计算精度。计算域共生成网格数约200万，节点数45万[3]，如图2所示：

3 仿真计算

本文模拟载重1500kg轿厢，6m/s在井道中运行状况。使用主流的CFD计算软件Fluent进行计算。湍流模型选择k-ε realizable模型，近壁面采用Standard Wall Functions处理。流体介质为常温空气。

轿厢设置为无滑移固定壁面。入口为速度入口，速度相对轿厢6m/s，出口为压力出口。井道壁面为移动壁面，速度相对轿厢6m/s。数值算法采用SIMPLE算法，动量、湍动能以及湍流耗散率均使用二阶迎风格式进行离散。

4 仿真结果分析

经CFD计算迭代至收敛，获得计算域全局流场。经计算轿厢以6m/s运行时，受到的总风阻为1071.3N，其中粘滞阻力为68.6N。使用CFD-Post进行后处理，获得计算域对称面的迹线图和压力云图如图3所示。

从速度迹线可以看出，电梯上行轿厢顶部平面几何造型与来流正面碰撞，气流撞击轿厢上表面后分向两侧，进入轿厢与井道的狭缝。空间挤压使得此处气流速度增加，最高达到25m/s。气流从狭缝流出后向轿厢底部中间涡旋流出，此处存在较大的湍流。

从压力云图可以看出，轿厢整个顶部都是正压区，气流速度很小但静压很大，经计算此处最大静压达到约260Pa。气流流进轿厢与井道的狭缝之后流速迅速上升，静压迅速下降，变化梯度很大。在轿厢底部，可以明显看到对称的负压区，气流流出狭缝后产生较大的涡旋，给轿厢增加了较大的压差阻力。

对于乘用电梯，其乘坐舒适性和安全稳定性是设计研发过程中首要考虑的。从此计算结果可以看到，这种传统上下平面的轿厢在6m/s甚至更高速运行时，存在较大的问题。气流在进入轿厢与井道的狭缝时流速激增、压力骤降会产生不规则的震动与噪声。轿厢底部的不规则高雷诺数的气流，也会对轿厢产生周期性振动，影响电梯的运行品质以及安全可靠性。

5 改进与验证

针对上述电梯模型的缺点，设计气动附加装置对其进行改进。为减小轿厢上部的正压力，正面气流能向轿厢四周平缓过渡，改善轿厢底部流场，在轿厢的上下两个面增加圆弧形导流罩，如图四所示。改进后得模型再次进行仿真，以验证改进的有效性。为保证对照的可靠，计算模型的网格划分设置保持一致，生成网格数约240万，节点数约55万。计算所选择的湍流模型、离散格式以及边界条件均与原模型相同。

6 结果对照

经CFD仿真验证，计算结果较改进前如表2所示，添加导流罩后电梯轿厢的气动阻力降低了近50%。由此可见，增加的导流罩对轿厢的气动特性具有較大的改善。

改进后，轿厢纵对称面的速度迹线图和压力云图如图5所示。从迹线图可以看出，轿厢上部的导流罩很好地将迎面来流导向周围，气流沿导流罩的贴附性较好。轿厢下部的导流罩较改进前起到了延迟气流分离的作用，减弱了轿厢下部的涡流。从压力云图可以看出，相对改进前，轿厢的下部负压区得到了明显的改善，湍流区域减少，负压减弱。充分验证了本次改进的有效性。

图3

图4

表2 模型改进前后阻力比较

（下转第57页）

（上接第53页）

图5

7 总结

本文使用计算流体力学方法，对某高速电梯轿厢的设计进行改进研究，得出以下结论：

（1）对高速电梯增加气动附加装置，可以改进其气动特性，对轿厢高速运行的流场品质起到较大的改善作用。

（2）使用CFD的方法，对高速电梯进行空气动力学优化设计，可以大大提高优化效率，减少设计成本。

（3）电梯运行时产生的空气涡流对电梯轿厢的乘坐感受和运行安全稳定性具有较大的影响，对高速甚至超高速电梯的研究具有较大的工程意义。

【参考文献】

[1]王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004，1-162.

[2]李晓冬.高速电梯气动特性研究与优化[J].哈尔滨工业大学学报.2009，41（6）82-86.

[3]沈夏威.气动附加装置对车辆气动升力的影响机制分析与改进设计[D]：[湖南大学硕士论文].长沙：湖南大学，2012，7-51.