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摘 要：超高速电梯气动特性难以进行试验测试，CFD仿真技术可作为一种替代方法进行分析。本文对利用CFD仿真分析软件进行超高速电梯的气动特性分析进行一个系统介绍，力求为今后的超高速电梯设计者提供参考。
关键词：超高速电梯；气动特性；CFD
1.引言
近年来，基于计算流体力学的CFD（Computational Fluid Dynamics）仿真分析軟件被很多研究者和电梯企业用于超高速电梯系统的空气动力特性分析。本文将如何利用CFD仿真分析软件进行超高速电梯的气动特性分析进行一个系统介绍，力求为今后的超高速电梯设计者提供参考。
2.超高速电梯气动特性概述
随着速度的提高，电梯轿厢和对重在狭窄封闭的井道内运行时，轿厢和对重的运动会带动周围的空气运动。当电梯速度较小时，对空气扰动较小，但当电梯速度达到6m/s甚至更高时，轿厢和对重周围的空气剧烈的波动会产生复杂的气动阻力、力矩和噪声等，尤其是轿厢和对重交汇时，会产生较大的冲击力，影响轿厢运行的平稳和舒适性。同时，超高速电梯的提升高度高达上百米、目前最高的已超过400米，井道内的空气在内外温差下形成压差，容易造成烟囱效应，同时井道内外的压差也会造成电梯开关门困难。另外，轿厢在井道内的运行，类似于活塞运动，轿厢运行速度的正方向空气被压缩形成正压，反方向形成负压，在发生火灾时，很容易将浓烟或者火苗带入其他楼层。
3. CFD分析超高速电梯气动特性过程
CFD技术主要利用计算机求解流体的一系列守恒控制偏微分方程组，这其中将涉及流体力学（尤其是湍流力学）、计算方法乃至计算机图形处理等技术，主要求解流程包括：建立控制方程——确定初始条件及边界条件——划分计算网格，生成计算节点——建立离散方程——离散初始条件及边界条件——给定求解控制参数——求解离散方程——显示和输出结果。在求解方程这一步，还需检查是否收敛，如果不收敛则需返回“建立离散方程”这一步进行检查，直至收敛。现在的主流商业软件ANSYS CFX软件等包括了上述整个过程，提供了从网格到流体计算以及后处理的整梯解决方案。本文将利用该软件对超高电梯的空气动力学特性仿真的分析过程进行介绍。
3.1 模型简化
分析超高速电梯气动特性主要考虑轿厢和对重在井道中全速运行时轿厢周边气体流动的速度、压力（阻力）、湍流能量等。考虑到计算时间和收敛的考虑，CFD仿真分析时主要考虑轿厢和对重的外形，因此轿厢和对重的结构需要进行合理的简化。典型的电梯轿厢和对重结构如图1a所示，经过简化后，如图1b所示。
3.2 前处理
前处理环节主要是向CFD软件输入所求问题的相关数据，适用CFD仿真的主要前处理软件有：Gambit、ANSYS ICEM CFD、TGrid、Gridpro和Gridgen等。较为常用的是Gambit、ANSYS ICEM CFD。
电梯运行时，轿厢和对重周边的气体的运动状态会被打破，井道内的气体在轿厢和对重的扰动下产生非常复杂的运动，因此模拟气体的网格必须随着运动过程即时更新。目前，动网格模型可以用来模拟流场形状由于边界运动而随时间改变的问题。对于二维问题，常用的网格单元为三角形；对于三维问题主要采用四面体的网格单元。网格划分可以采用ANSYS 中的ICEM模块进行，其可以接受多种三维模型接口，例如 CATIA、Solidworks、UG等，对于简单的几何可以使用其自身的几何建模工具建立几何模型进行网格划分。网格划分是十分重要的一步，需要考虑计算时间与计算精度的平衡，网格小，可以提高计算的精度，但会使计算时间成倍增加。
3.3 计算条件设置及计算
ANSYS Fluent 软件将整个仿真流程以项目树的形式展示出来。将网格文件导入，根据分析需求设置是2D还是3D计算模型后，按照项目树的流程一步一步进行设置即可完成一个仿真流程的设置，顺序为：读入网格——检查网格——选择基本物理模型——设置材料属性——相定义——设置计算区域条件——设置边界条件——设置动网格——设置参考值——设置算法及离散格式——设置求解参数——设置监视窗口——初始化流场——运行计算相关设置——保存结果。将轿厢和气体网格模型导入ANSYS Fluent后按照步骤一步一步进行仿真设置。设置完成后单击项目树中的Run Calculation项进行迭代计算，在计算过程中可通过查看图形窗口中的动态残差值来了解模型计算是否收敛，如果残差值趋向于一条在较小范围内变动的曲线则计算收敛，若不是，则计算不收敛，需要返回进行检查计算条件设置和网格模型进行计算模型的修改。计算完成后便可进去后处理阶段，分析计算结果。
3.4 后处理和计算结果分析
计算完成后，需要查看计算结果，ANSYS FLUENT的后处理模块可以方便的对计算结果进行可视化输出。对于电梯而言，轿厢和对重在井道中高速运行时，需要考虑气动阻力、力矩和湍流能量的分布以考虑气动特性对轿厢振动、噪声和主机功率消耗等。气动阻力和力矩会增加电梯主机的功率消耗、引起轿厢的振动等，湍流能量则和气动噪声有关，研究表明噪声的大小与湍流能力的5～6次方呈正比。因此，计算完成后，需要输出轿厢周围气动阻力（图2）、力矩和湍流能量等数据。就分析电梯的气动特性而言，轿厢和对重的运动过程可以分为三个过程，轿厢和对重相互靠近、轿厢和对重交汇、轿厢和对重相互远离。由图2可以看出，轿厢和对重相互靠近和远离时，气动阻力比较稳定，两者交汇时有一个冲击力。力矩和湍流能量的变化也会有类似的过程。
4.总结
超高速电梯的气动特性是一个比较复杂的问题，在试验室或者实际运行过程中很难进行试验测定。目前还没有较好的实验方法。利用仿真分析的手段是目前最好的研究方法。本文主要介绍了使用CFD仿真软件对超高速电梯进行气动特性分析的常用步骤。但需要注意的是仿真分析对使用者的经验有较高要求，不同的使用者得出的结论可能会有差异。
参考文献：
[1]王妍. 冬季建筑热压效应及电梯活塞效应的研究[D].长安大学，2015.
[2]冯霄. 高层建筑火灾中楼梯间正压通风CFD模拟研究[D].辽宁工程技术大学，2011.
[3]曾天. 通井道高速电梯多运行工况气动特性优化设计及其应用研究[D].浙江大学，2018.
关键词：超高速电梯；气动特性；CFD
1.引言
近年来，基于计算流体力学的CFD（Computational Fluid Dynamics）仿真分析軟件被很多研究者和电梯企业用于超高速电梯系统的空气动力特性分析。本文将如何利用CFD仿真分析软件进行超高速电梯的气动特性分析进行一个系统介绍，力求为今后的超高速电梯设计者提供参考。
2.超高速电梯气动特性概述
随着速度的提高，电梯轿厢和对重在狭窄封闭的井道内运行时，轿厢和对重的运动会带动周围的空气运动。当电梯速度较小时，对空气扰动较小，但当电梯速度达到6m/s甚至更高时，轿厢和对重周围的空气剧烈的波动会产生复杂的气动阻力、力矩和噪声等，尤其是轿厢和对重交汇时，会产生较大的冲击力，影响轿厢运行的平稳和舒适性。同时，超高速电梯的提升高度高达上百米、目前最高的已超过400米，井道内的空气在内外温差下形成压差，容易造成烟囱效应，同时井道内外的压差也会造成电梯开关门困难。另外，轿厢在井道内的运行，类似于活塞运动，轿厢运行速度的正方向空气被压缩形成正压，反方向形成负压，在发生火灾时，很容易将浓烟或者火苗带入其他楼层。
3. CFD分析超高速电梯气动特性过程
CFD技术主要利用计算机求解流体的一系列守恒控制偏微分方程组，这其中将涉及流体力学（尤其是湍流力学）、计算方法乃至计算机图形处理等技术，主要求解流程包括：建立控制方程——确定初始条件及边界条件——划分计算网格，生成计算节点——建立离散方程——离散初始条件及边界条件——给定求解控制参数——求解离散方程——显示和输出结果。在求解方程这一步，还需检查是否收敛，如果不收敛则需返回“建立离散方程”这一步进行检查，直至收敛。现在的主流商业软件ANSYS CFX软件等包括了上述整个过程，提供了从网格到流体计算以及后处理的整梯解决方案。本文将利用该软件对超高电梯的空气动力学特性仿真的分析过程进行介绍。
3.1 模型简化
分析超高速电梯气动特性主要考虑轿厢和对重在井道中全速运行时轿厢周边气体流动的速度、压力（阻力）、湍流能量等。考虑到计算时间和收敛的考虑，CFD仿真分析时主要考虑轿厢和对重的外形，因此轿厢和对重的结构需要进行合理的简化。典型的电梯轿厢和对重结构如图1a所示，经过简化后，如图1b所示。
3.2 前处理
前处理环节主要是向CFD软件输入所求问题的相关数据，适用CFD仿真的主要前处理软件有：Gambit、ANSYS ICEM CFD、TGrid、Gridpro和Gridgen等。较为常用的是Gambit、ANSYS ICEM CFD。
电梯运行时，轿厢和对重周边的气体的运动状态会被打破，井道内的气体在轿厢和对重的扰动下产生非常复杂的运动，因此模拟气体的网格必须随着运动过程即时更新。目前，动网格模型可以用来模拟流场形状由于边界运动而随时间改变的问题。对于二维问题，常用的网格单元为三角形；对于三维问题主要采用四面体的网格单元。网格划分可以采用ANSYS 中的ICEM模块进行，其可以接受多种三维模型接口，例如 CATIA、Solidworks、UG等，对于简单的几何可以使用其自身的几何建模工具建立几何模型进行网格划分。网格划分是十分重要的一步，需要考虑计算时间与计算精度的平衡，网格小，可以提高计算的精度，但会使计算时间成倍增加。
3.3 计算条件设置及计算
ANSYS Fluent 软件将整个仿真流程以项目树的形式展示出来。将网格文件导入，根据分析需求设置是2D还是3D计算模型后，按照项目树的流程一步一步进行设置即可完成一个仿真流程的设置，顺序为：读入网格——检查网格——选择基本物理模型——设置材料属性——相定义——设置计算区域条件——设置边界条件——设置动网格——设置参考值——设置算法及离散格式——设置求解参数——设置监视窗口——初始化流场——运行计算相关设置——保存结果。将轿厢和气体网格模型导入ANSYS Fluent后按照步骤一步一步进行仿真设置。设置完成后单击项目树中的Run Calculation项进行迭代计算，在计算过程中可通过查看图形窗口中的动态残差值来了解模型计算是否收敛，如果残差值趋向于一条在较小范围内变动的曲线则计算收敛，若不是，则计算不收敛，需要返回进行检查计算条件设置和网格模型进行计算模型的修改。计算完成后便可进去后处理阶段，分析计算结果。
3.4 后处理和计算结果分析
计算完成后，需要查看计算结果，ANSYS FLUENT的后处理模块可以方便的对计算结果进行可视化输出。对于电梯而言，轿厢和对重在井道中高速运行时，需要考虑气动阻力、力矩和湍流能量的分布以考虑气动特性对轿厢振动、噪声和主机功率消耗等。气动阻力和力矩会增加电梯主机的功率消耗、引起轿厢的振动等，湍流能量则和气动噪声有关，研究表明噪声的大小与湍流能力的5～6次方呈正比。因此，计算完成后，需要输出轿厢周围气动阻力（图2）、力矩和湍流能量等数据。就分析电梯的气动特性而言，轿厢和对重的运动过程可以分为三个过程，轿厢和对重相互靠近、轿厢和对重交汇、轿厢和对重相互远离。由图2可以看出，轿厢和对重相互靠近和远离时，气动阻力比较稳定，两者交汇时有一个冲击力。力矩和湍流能量的变化也会有类似的过程。
4.总结
超高速电梯的气动特性是一个比较复杂的问题，在试验室或者实际运行过程中很难进行试验测定。目前还没有较好的实验方法。利用仿真分析的手段是目前最好的研究方法。本文主要介绍了使用CFD仿真软件对超高速电梯进行气动特性分析的常用步骤。但需要注意的是仿真分析对使用者的经验有较高要求，不同的使用者得出的结论可能会有差异。
参考文献：
[1]王妍. 冬季建筑热压效应及电梯活塞效应的研究[D].长安大学，2015.
[2]冯霄. 高层建筑火灾中楼梯间正压通风CFD模拟研究[D].辽宁工程技术大学，2011.
[3]曾天. 通井道高速电梯多运行工况气动特性优化设计及其应用研究[D].浙江大学，2018.