电梯轿厢通风结构的模拟仿真研究

宁海明，曾健生，李瑞宇，2，杨 海，杨晓山，张 宇，徐 永

(1.广东省特种设备检测研究院顺德检测院，广东 佛山 528300) (2.西安交通大学能源与动力工程学院，陕西 西安 710049)

随着社会的发展，电梯的使用量随之增多，人们对电梯的基本要求也从原来的方便快捷变成现在的安全舒适。在长期的监督检验过程中可以发现现有电梯仍然存在诸多问题，主要包括轿厢内环境舒适度、电梯运行速度以及电梯井与电梯交互的噪声等[1-3]。顾雯雯等[4]主要针对电梯曳引机系统分析了电梯噪声与振动对电梯舒适度的影响；张亚运、邵兴禄、蔡正新等[5-7]针对电梯噪声的来源，提出了减少电梯噪声的改进措施；湛宇等[8]通过研究如何控制电梯的运行速度达到了让乘梯人员安全舒适的目的。但电梯系统的通风结构及温度的调节也是影响人员乘梯感受的主要因素，因此在设计电梯部件确保安全的同时，还需要考虑如何完善电梯自身结构和制冷设备的安装等问题，来增强电梯日常运行中的舒适性。

广东省某大型写字楼电梯出现了诸多问题，如在日常运行中出现轿厢内部闷热，在其上下加速过程中产生震动及噪声，都严重影响乘梯人员的感受。在轿厢顶部装有3台垂直风扇，但经对其结构及安装位置的模拟分析发现，压力及温度场分布情况不合理，是导致上述现象的原因。为解决这些问题，笔者设计了新型的通风结构——加装了一种散流装置，通过调整进风速度，在保障环境温度的同时，大大降低了因空气对流产生的环境噪声。

1 结构简介及参数设定

广东某大型写字楼所安装电梯均为中速垂直升降电梯，电梯内部空调为顶端进风、底端两侧出风，排风直接进入井道，其结构如图1所示。

1—电梯井道；2—电梯空调；3—轿厢排风口；4—乘梯人员；5—电梯轿厢

针对此电梯轿厢空调，模拟仿真时采用380 mm×31 mm×35 mm的进风口共3个，几何位置距周围壁面近端50 mm、远端160 mm和505 mm，进风方向与地面垂直，出风口为平行2排结构，在轿厢中左右对称布置，出口面积大于1%轿厢总面积，具体结构如图2所示。改进后的轿厢空调采用380 mm×31 mm×35 mm的进风口4个，并在风口加装4组导流叶片机(尺寸为380 mm×31 mm(110 mm)×55 mm)，其靠近电梯壁面侧出风口与地面夹角为60°，另一侧出风口与地面夹角为45°，出风口为交错2排，在轿厢中呈左右对称布置，出口面积大于1%轿厢总面积，具体结构如图3所示。

图2 改进前电梯进出风结构

图3 改进后电梯进出风结构

由于在模拟仿真计算中只有网格的节点和单元参与计算，因此网格质量直接影响到计算结果。此次模拟采用ANSYS-Mashing平台划分四面体网格，对热源边界层局部加密时，如采用方法一，边界层设为10层，网格细化比例为1∶1.20，网格数约为810万，计算时间步长约为1 500步时完全收敛；如采用方法二，边界层设为15层，网格细化比例为1∶1.15，网格数约为895万，计算时间步长约为2 900步时基本收敛，随后有发散趋势。在相同出风条件下，对于大空间，二者计算结果无明显区别，同时考虑网格质量和CPU的处理与储存，故本文采用方法一。对轿厢进风结构进行网格细化(包括改进后的散流装置)，改进前后网格数量分别约为144万和810万，网格质量(element quality)均大于0.38，其整体网格结构如图4、图5所示。

图4 改进前电梯轿厢网格俯视图 图5 改进后电梯轿厢网格俯视图

湍流模型和边界条件设置是对比、分析不同结构轿厢空调在不同种工况下对环境温度及噪声影响的关键。计算选用Fluent标准k-ε两方程模型[5]，其基本参数选取见表1。

表1 Fluent标准k-ε参数

计算模型不同，边界条件的设置也有区别。对于不同结构的电梯轿厢空调，采用的进口风速均为3 m/s；同种新型结构的电梯轿厢空调，选取不同风速进行对比，分别为3 m/s、4 m/s和5 m/s；根据电梯相关标准，电梯在1 min内由底层升至最高层较为适宜，因此电梯井内电梯上升和下降速度均设为3 m/s。流体进口设为速度进口，流体出口为自由出流，轿厢内人体及轿厢壁面温度为恒温37 ℃。分析试验的边界条件设置见表2。

表2 边界条件参数

2 计算方程与数值模型

计算流体力学和流体热力学所用控制方程主要涉及质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和状态方程，适用于任何有热交换的流动系统。

质量守恒方程中，可压缩流体瞬态三维连续性关系式为：

(1)

式中：ρ为流体密度；t为时间；u为速度矢量。

动量守恒定律定义为微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元上的总力之和，其基本的方程式为：

(2)

式中：F为作用在流体上的总力；m为流体总质量；v为流体速度。

能量守恒定律定义为微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力与面力对微元体所做的功，其随温度变化的守恒方程式为：

(3)

式中：T为流体变化温度；k为流体动能；cp为流体质量定压热容；ST为能量的广义源项。

状态方程涉及流体内能、温度、密度及压强等热力学量，又因流体的热力学量之间的转化速度远远高于流体的流动速度，所以其状态关系式一般表达如下：

(4)

式中：p为流体所受压力；R为流体常数；e为流体内能；cv为流体质量定容热容。

湍流流动虽然是一种高度非线性的复杂流动，但人们已经通过数值方法对模型计算取得的结果与实际情况进行比较，吻合程度较高。计算模型选取湍流模型中标准的k-ε模型，其控制方程见表3。表中，Φ为通用变量；μ为动力黏度；μt为湍动黏度；σk为经验常数，取1；Pr为湍流耗散率普朗特数；σT为模型常数，取决于源项；σε为模型常数，取1.3；ε为湍动能耗散率；u，v，w分别为3个方向的速度矢量；Su，Sv，Sw分别为动量守恒方程的广义源项；Gk为平均速度梯度引起的湍动能产生项；S为广义源项；C1ε和C2ε为模型常数，分别取1.44和1.92。

表3 k-ε模型控制方程

3 计算结果与讨论

当空调进口风速为3 m/s时，改造前的电梯轿厢内部温度分布如图6所示，空调垂直向下吹风，未站在空调出风口下的人群不能很好地散热，且温度分布梯度较大，温度分布很不均匀；改造后的电梯轿厢内部温度分布如图7所示，由于其具有散流装置，使得未站在出风口下的人群也能与少量冷空气接触，散热情况变好，且温度分布梯度较小，温度分布相对均匀。由此可知新型的空调出风结构能够更好地使冷空气在轿厢内均匀流动，提高人体舒适度。

图6 改造前电梯轿厢温度分布图 图7 改造后电梯轿厢温度分布图

当采用新型空调结构、进风口风速为4 m/s时电梯轿厢内部温度分布如图8所示，空调进风口出口段气流渐缩后流向下部空间，因此在进风口周围会形成旋涡，致使部分空气不能与新风置换，空气质量较差；进风口风速为5 m/s时电梯轿厢内部温度分布如图9所示，空调进风口出口段气流直接流向下部空间且呈现渐扩趋势，能够很好地将进风口周围空间的空气与新风置换，提高空气质量。

图8 风速为4 m/s时轿厢温度分布图

图9 风速为5 m/s时轿厢温度分布图

当采用新型空调结构、进口风速为4 m/s时，电梯轿厢内部速度迹线如图10所示，轿厢前后侧壁面有部分没有冷气流经过，当部分乘梯人员出电梯或在轿厢内细微活动时，由于负压作用，静止贴合在前后壁面的热空气开始流动，此时会产生阵阵热浪，且空气质量也较差。进风口风速为5 m/s时电梯轿厢内部速度迹线如图11所示，冷气流几乎充满轿厢内部向下运动，四壁的热空气将被强制对流并经轿厢底部出口进入井道，轿厢内部冷空气持续置换。

图10 风速为4 m/s时轿厢速度迹线图

图11 风速为5 m/s时轿厢速度迹线图

从电梯整体结构分析可知，当电梯运行速度为3 m/s时，进风口风速为4 m/s时的压力分布如图12所示，电梯轿厢内部与井道的连接处，流向井道的流体在井道中压力梯度变化较小，没有产生较大的正压，此时井道内的流体容易随着电梯上升或下降被强制回流到电梯轿厢，此时产生噪声的概率较大，且其整体结构流体最低压力为-12.26 Pa，最高压力为21.04 Pa；进风口风速为5 m/s时的压力分布如图13所示, 电梯轿厢内部与井道的连接处，流向井道的流体在井道中压力梯度变化较大，能够阻止井道内空气回流，降低噪声产生的概率，其整体结构流体最低压力为-9.743 Pa，最高压力为49.51 Pa。

图12 风速为4 m/s时电梯整体压力分布图 图13 风速为5 m/s时电梯整体压力分布图

4 结论

经计算分析后，笔者于2019年6月对电梯进行了改造(包括对其内部运行传动机构进行整体优化)，电梯运行噪声明显降低，人体舒适度有所提高。结构优化后电梯整体运行状况表明：

1)对于目前在用电梯，散流式分离装置能够较好地将冷空气分布在轿厢内部，提高乘梯人员舒适度；

2)对于此种结构的电梯轿厢，当空调进风风速为5 m/s时能够更大程度将轿厢内部的残余热空气强制排出，净化轿厢内部空气；

3)当电梯以3 m/s的速度在井道内运行时，5 m/s的空调进风风速能够很好地降低噪声产生概率；

4)数值模拟仿真对于电梯技术改造研究及应用具有很高的可靠性，值得推广与应用。