轿厢框架结构对高速电梯运动过程气动特性影响研究

(华南理工大学 机械与汽车工程学院， 广东 广州 510641)

1 研究背景

目前国内对于井道流场的仿真研究主要基于CFD软件，通过二维或三维仿真研究电梯参数对轿厢的气动特性的影响，进一步研究不同导流罩形状对轿厢气动特性和噪声的影响[1-9]。而国外电梯系统的仿真模型基于空气动力学的模型较少，主要集中在电梯控制模型、参数模型、电梯能耗仿真模型等，常用软件有电磁有限元方法模拟软件FLUX，系统响应模拟软件MATLAB、Simulink、蒙特卡洛模拟软件等[10-12]。

电梯在井道中的运行稳定性非常重要，而高速电梯因为速度高导致流场对电梯运动影响较大，所以研究电梯运行过程气动特性很有必要。目前电梯流体仿真模型中轿厢常简化为无框架， 而轿厢简化为无框架后对电梯气动特性的影响缺少研究。所以本研究以有无框架的仿真结果对比，分析框架结构对轿厢的气动特性的影响，讨论是否可以将轿厢模型简化为无框架模型。

2 问题提出

图1是某电梯厂商的轿厢模型，框架为安装在轿厢上将轿厢固定在轿厢导轨上的矩形框。因为与空气接触面积较大，该部分可能对轿厢受到的气动阻力有一定影响，下面通过Fluent软件进行分析。

图1 某电梯厂商的轿厢模型

3 仿真

3.1 模型建立

电梯实际结构非常复杂，为了提高计算速度，同时保证计算的准确性，将原电梯模型的矩形框作为框架结构部分，建立有框架轿厢-对重模型和无框架轿厢-对重模型。

1) 有框架轿厢-对重模型

有框架轿厢-对重模型如图2a和图2b所示，井道顶部通风口布置如图2c所示，电梯轿厢和对重交错过程中的三维模型如图2d所示，结构尺寸如表1所示。

表1 主要结构尺寸参数表

1.对重 2.轿厢 3.井道内壁面 4.框架图2 有框架轿厢-对重模型型

2) 无框架轿厢-对重模型

无框架轿厢-对重模型就是在有框架模型上去掉框架，电梯轿厢和对重交错过程中的三维模型如图3所示。

3.2 网格划分

为节省时间和资源，同时保证精度，中间运动区域网格划分细，两头区域较粗，如图4所示有框架模型网格。

图3 无框架轿厢-对重模型

图4 有框架模型网格

3.3 Fluent参数设置

1) 基本(General)

(1) 求解器(Solver)：瞬态(Trans ient)；

(2) 重力(Gravity)：z=-9.81 m/s2，电梯做下降运动。

2) 边界条件(Boundary Condition)

(1) 顶部通风口设置为压力入口(Pressure-Inlet)，相对压力为0；

(2) 两处分块区域交界面设置为内部面(Interior)。

3) 动网格区域(Dynamic Mesh Zones)：轿厢，对重：刚体(Rigid Body)，运动速度为6 m/s。

4 气动特性比较分析

电梯下降时，轿厢下降方向上受到的阻力称为气动阻力，前后方向上受到的力称为侧向升力。气动阻力和侧向升力变化都将导致轿厢振动，影响电梯的舒适性。

4.1 气动阻力F1

气动阻力F1随轿厢运动距离X的变化曲线如图5所示，有无框架气动阻力数据比较见表2所示。

图5 气动阻力随轿厢运动距离的变化

表2 有无框架气动阻力数据比较

在对重和轿厢距离较远时，气动阻力的几乎没有变化，但是交错前后气动阻力存在差值，表明对重对井道内流场存在较大影响。轿厢与对重刚好交错时出现峰值，原因在于此时对重壁面开始阻碍轿厢周围靠近对重一侧的气体流动，使得轿厢底面阻力瞬间增大，而后阻碍作用减小阻力也随之减小。无框架模型在交错前后的差值大约170 N，有框架模型差值约为80 N，表明有框架模型受对重影响较小。刚交错时无框架模型从1800 N瞬间增加到2110 N，增加了310 N，而有框架模型在同时间增加了421 N，说明此时有框架轿厢受到的冲击更大，因此产生的振动更大，导致轿厢的不稳定性更大。有框架模型在整个运动过程中气动阻力均小于无框架模型，在交错前最大相差约150 N左右，换成压强约为40 Pa，差值不大。而且差值在交错开始后就保持在较小的范围内(约50 N)，所以无框架模型可以用来简化研究电梯交错时的气动阻力。产生差值的原因可能是由于框架设置的位置刚好处在轿厢尾部高速区域，有利于空气的分流，减小了轿厢下壁面空气的滞止作用，从而减小下壁面阻力，此时轿厢头部附近的框架阻碍了高速气体流向轿厢上壁面，上壁面受力稍微增大，速度云图和压力云图,如图6所示。

图6 有无框架速度云图、压力云图比较

4.2 侧向升力F2

侧向升力F2随轿厢运动距离X的变化曲线如图7所示，侧向升力为正值时表示方向为轿厢后侧指向轿厢前侧，轿厢后侧面对对重。

由于框架设在轿厢左右面， 对轿厢前后方向的侧向升力影响较小，从仿真结果上看也是相差很小。同时有无框架模型在轿厢与对重交错过程中的侧向升力变化规律也是基本一致的。轿厢和对重刚交错时出现侧向升力负方向的峰值，原因在于对重与轿厢之间的空气只能通过轿厢与对重间的狭小空隙流动，流场速度迅速增大，压力迅速减小，瞬间产生了很大的负向侧向压力，而后空气流速稳定侧向升力的方向和大小得到还原。

图7 侧向升力随轿厢运动距离的变化

5 结论

本研究分析了有无框架结构对高速电梯运动过程气动特性的影响，仿真实验数据表明有无框架模型的气动特性非常相似。在气动阻力方面有框架模型阻力更小但相差不大，在侧向升力方面有无框架模型数值和变化规律基本是一致的。因此，在不需要得到很准确的仿真数据的情况下，有框架模型可以近似简化为无框架模型。