淺談CFD仿真技術在分析超高速電梯氣動特性中的應用

楊潔

摘 要：超高速電梯氣動特性難以進行試驗測試，CFD仿真技術可作為一種替代方法進行分析。本文對利用CFD仿真分析軟件進行超高速電梯的氣動特性分析進行一個系統介紹，力求為今后的超高速電梯設計者提供參考。

關鍵詞：超高速電梯；氣動特性；CFD

1.引言

近年來，基于計算流體力學的CFD（Computational Fluid Dynamics）仿真分析軟件被很多研究者和電梯企業用于超高速電梯系統的空氣動力特性分析。本文將如何利用CFD仿真分析軟件進行超高速電梯的氣動特性分析進行一個系統介紹，力求為今后的超高速電梯設計者提供參考。

2.超高速電梯氣動特性概述

隨著速度的提高，電梯轎廂和對重在狹窄封閉的井道內運行時，轎廂和對重的運動會帶動周圍的空氣運動。當電梯速度較小時，對空氣擾動較小，但當電梯速度達到6m/s甚至更高時，轎廂和對重周圍的空氣劇烈的波動會產生復雜的氣動阻力、力矩和噪聲等，尤其是轎廂和對重交匯時，會產生較大的沖擊力，影響轎廂運行的平穩和舒適性。同時，超高速電梯的提升高度高達上百米、目前最高的已超過400米，井道內的空氣在內外溫差下形成壓差，容易造成煙囪效應，同時井道內外的壓差也會造成電梯開關門困難。另外，轎廂在井道內的運行，類似于活塞運動，轎廂運行速度的正方向空氣被壓縮形成正壓，反方向形成負壓，在發生火災時，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特性過程

CFD技術主要利用計算機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（尤其是湍流力學）、計算方法乃至計算機圖形處理等技術，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——劃分計算網格，生成計算節點——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——求解離散方程——顯示和輸出結果。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”這一步進行檢查，直至收斂。現在的主流商業軟件ANSYS CFX軟件等包括了上述整個過程，提供了從網格到流體計算以及后處理的整梯解決方案。本文將利用該軟件對超高電梯的空氣動力學特性仿真的分析過程進行介紹。

3.1 模型簡化

分析超高速電梯氣動特性主要考慮轎廂和對重在井道中全速運行時轎廂周邊氣體流動的速度、壓力（阻力）、湍流能量等。考慮到計算時間和收斂的考慮，CFD仿真分析時主要考慮轎廂和對重的外形，因此轎廂和對重的結構需要進行合理的簡化。典型的電梯轎廂和對重結構如圖1a所示，經過簡化后，如圖1b所示。

3.2 前處理

前處理環節主要是向CFD軟件輸入所求問題的相關數據，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。

電梯運行時，轎廂和對重周邊的氣體的運動狀態會被打破，井道內的氣體在轎廂和對重的擾動下產生非常復雜的運動，因此模擬氣體的網格必須隨著運動過程即時更新。目前，動網格模型可以用來模擬流場形狀由于邊界運動而隨時間改變的問題。對于二維問題，常用的網格單元為三角形；對于三維問題主要采用四面體的網格單元。網格劃分可以采用ANSYS 中的ICEM模塊進行，其可以接受多種三維模型接口，例如 CATIA、Solidworks、UG等，對于簡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行網格劃分。網格劃分是十分重要的一步，需要考慮計算時間與計算精度的平衡，網格小，可以提高計算的精度，但會使計算時間成倍增加。

3.3 計算條件設置及計算

ANSYS Fluent 軟件將整個仿真流程以項目樹的形式展示出來。將網格文件導入，根據分析需求設置是2D還是3D計算模型后，按照項目樹的流程一步一步進行設置即可完成一個仿真流程的設置，順序為：讀入網格——檢查網格——選擇基本物理模型——設置材料屬性——相定義——設置計算區域條件——設置邊界條件——設置動網格——設置參考值——設置算法及離散格式——設置求解參數——設置監視窗口——初始化流場——運行計算相關設置——保存結果。將轎廂和氣體網格模型導入ANSYS Fluent后按照步驟一步一步進行仿真設置。設置完成后單擊項目樹中的Run Calculation項進行迭代計算，在計算過程中可通過查看圖形窗口中的動態殘差值來了解模型計算是否收斂，如果殘差值趨向于一條在較小范圍內變動的曲線則計算收斂，若不是，則計算不收斂，需要返回進行檢查計算條件設置和網格模型進行計算模型的修改。計算完成后便可進去后處理階段，分析計算結果。

3.4 后處理和計算結果分析

計算完成后，需要查看計算結果，ANSYS FLUENT的后處理模塊可以方便的對計算結果進行可視化輸出。對于電梯而言，轎廂和對重在井道中高速運行時，需要考慮氣動阻力、力矩和湍流能量的分布以考慮氣動特性對轎廂振動、噪聲和主機功率消耗等。氣動阻力和力矩會增加電梯主機的功率消耗、引起轎廂的振動等，湍流能量則和氣動噪聲有關，研究表明噪聲的大小與湍流能力的5～6次方呈正比。因此，計算完成后，需要輸出轎廂周圍氣動阻力（圖2）、力矩和湍流能量等數據。就分析電梯的氣動特性而言，轎廂和對重的運動過程可以分為三個過程，轎廂和對重相互靠近、轎廂和對重交匯、轎廂和對重相互遠離。由圖2可以看出，轎廂和對重相互靠近和遠離時，氣動阻力比較穩定，兩者交匯時有一個沖擊力。力矩和湍流能量的變化也會有類似的過程。

4.總結

超高速電梯的氣動特性是一個比較復雜的問題，在試驗室或者實際運行過程中很難進行試驗測定。目前還沒有較好的實驗方法。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仿真軟件對超高速電梯進行氣動特性分析的常用步驟。但需要注意的是仿真分析對使用者的經驗有較高要求，不同的使用者得出的結論可能會有差異。

參考文獻：

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