高速电梯井道通风数值分析与工程应用--优秀毕业论文.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 工程硕士 高速电梯井道通风数值分析与工程应用 numerical simulation analysis about the well ventilation of high speed lift and engineering application 鲁国雄鲁国雄 2009 年年 5 月月 国内图书分类号 tb126 学校代码 10213 国际图书分类号 620 密级 公开 工程硕士学位论文工程硕士学位论文 高速电梯井道通风数值分析与工程应用 硕 士 研 究 生 鲁国雄 导 师 谢涛 教授 申请学位 工程硕士 学科 机械工程 所 在 单 位 日立电梯 中国 有限公司 答 辩 日 期 2009 年 5 月 授予学位单位 哈尔滨工业大学 classified index tb126 u d c 620 dissertation for the master s degree of engineering numerical simulation analysis about the well ventilation of high speed lift and engineering application candidate lu guoxiong supervisor prof xie tao academic degree applied for master of engineering speciality mechanical engineering affiliation hitachi elevator china co ltd date of defence may 2009 degree conferring institution harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 i 摘要 随着经济的发展 世界各国的城市土地都成为最为紧俏的商品 我国也不 例外 在这种社会背景下 高层楼宇成为了城市发展最佳的解决方案 高层楼 宇的出现 带来了电梯 特别是高速电梯的快速发展 高速电梯面临的主要课题之一就是通过合理的设计 解决电梯在井道中运 动时的空气流体力学产生的问题 通过优化井道通风设计降低电梯运行时的噪 声是其中的一个重要的分支 本文也对国内外高速电梯相关领域的研究现状进 行了介绍 本文采用计算流体力学的方法对单井道高速电梯运行时的流体力学原理及 噪声问题进行了分析 依据一系列理论计算公式建立数学模型 分别对电梯运 行时井道中气体流速的分布 轿厢周围及通风孔位置的气流速度 气流产生的 噪声进行了分析 本文使用 fluent 计算流体动力学工具进行了数值模拟分析 采用了动网 格技术对高速电梯在井道内运行的气体紊流现象进行了动态分析 本文用工程 实际获得的数据与模拟分析结果进行了结合 根据这些理论 数值模拟计算和 工程实际电梯获得的数据确定了一种分析 设计高速电梯通风孔的方法 为高 速电梯的通风孔的设计研究提供了依据 在国内 将这种分析方法应用在电梯上尚属首次 本文的研究成果将为高 速电梯的空气动力学研究提供重要的参考 关键词 高速电梯 计算流体动力学 井道 通风 噪声 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 ii abstract with the development of economy the urban land has become the most expensive merchandise in all over the world including china high rise building is the optimal solution on this social situation the quick development of the high speed lift is caused with high rise building this thesis presents the domestic and overseas research situation of the high speed lift it is one of the primary subjects using the reasonable design to solute the cfd computational fluid dynamics problem due to the movement of lift in the well it is an important part to decrease the moving noise of the lift the hydrodynamics theory and the noise problem of the high speed lift in the single well are analyzed by the numerical simulation method of hydrodynamics in this paper the mathematical model is established according to a series of formula the fluid velocity and the noise of air in the well around the car and nearby the ventilation windows are analyzed also the cfd numerical simulation tools are used such as fluent gambit and tecplot the dynamic mesh approach is used when analysis about the movement of high speed lift in well the paper gives a method to design the ventilation windows of high speed lift according to the information from engineering project the application of the analytical method in the field of lift is the first time in the domestic the thesis achieves important reference to the research of high speed lift aerodynamicist keywords high speed lift cfd well ventilation noise 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 iii 目录 摘要 i abstract ii 第 1 章 绪论 1 1 1 本课题研究的背景 1 1 2 国内外研究的现状及发展趋势 2 1 3 数值模拟高速电梯井道通风的目的和意义 4 1 4 本课题研究的主要内容 5 第 2 章 高速电梯井道通风数值模拟的物理数学模型 7 2 1 模型的建立与简化 7 2 1 1 建立模型的基本原则 7 2 1 2 模型的简化与假设条件 8 2 2 控制方程 9 2 2 1 质量守恒方程 9 2 2 2 动量守恒方程 9 2 2 3 能量守恒方程 10 2 2 4 湍流的 k 模型方程 10 2 2 5 控制方程的离散化 11 2 3 模型边界条件的处理 11 2 4 动网格技术与网格守恒方程 12 2 5 本章小结 13 第 3 章 高速电梯井道通风的数值分析 14 3 1 电梯井道通风设计的基本原理 14 3 2 建立物理模型 15 3 3 cfd 软件介绍 17 3 3 1 cfd 模型的数值求解方法概述 17 3 3 2 常用 cfd 软件介绍 17 3 3 3 fluent 介绍 18 3 4 数值建模与网格划分 19 3 4 1 动网格 19 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 iv 3 4 2 用户自定义函数 19 3 4 3 建模与分网 19 3 5 设置边界条件和编译 udf 程序 20 3 6 模型的数值分析 21 3 6 1 参数设置 21 3 6 2 模拟结果分析 21 3 6 3 对比分析与结论 24 3 7 轿厢外形的数值分析 27 3 7 1 建立模型 28 3 7 2 模拟结果的分析 28 3 8 本章小结 32 第 4 章 高速电梯井道通风数值分析结果的工程应用 33 4 1 概述 33 4 2 数值分析的工程应用 33 4 3 工程试验系统和步骤 34 4 4 建立数值分析结果与轿厢内噪声的对应关系 36 4 5 数值分析结果在工程中的应用与例子 38 4 6 本章小结 41 结论 42 参考文献 43 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 46 致谢 47 个人简历 48 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 1 第1章 绪论 1 1 本课题研究的背景 世界人口正迅速发展 预计到 2012 年 世界人口将从目前的 68 亿增加到 70 亿 到 2050 年则会突破 90 亿 人口的持续增长必将导致人口密度的增加 随着城市化进程不断深入和全球工业化的发展 世界各国的城市土地都将成为 最为紧俏的商品 我国也不例外 在这种社会背景下 高层楼宇已经成为了城市发展最优先的解决方案 高 层建筑的概念是由美国著名建筑师 frank lloyd wright 在 1956 年计划建 1609 米 的建筑物 illinois 而提出 从上世纪中叶开始 美国 日本等就相继进入了摩 天大楼时代 除了在世界范围内已存在的摩天大楼外 一些地区也开始计划兴 建更高的楼 例如 1998 年芝加哥宣称计划建一个 610 米的高楼 上海计划建 900 米的 m 形塔 东京计划建 840 米的白密塔 还有芝加哥计划建 710 米的世 贸中心 在印度 开发商正计划在新兴工业区 gurgaon 兴建一栋高达 140 层的 摩天大楼 而到 2008 年 韩国将会完工一栋高达 580 米的国际商业中心 韩国 政府同时还希望这栋建筑能巩固首尔作为全球商业中心的地位 中国上海的 101 层的世界金融中心将会成为全国范围内最高的建筑 1 一座座高层地标建筑 的出现 既体现了城市的经济发展水平 也展现了一个城市或一个国家的综合 实力 所以各国重要城市都在追求世界最高建筑的角力之中乐此不疲 因此 这么多高层楼宇的出现 使电梯作为主要的垂直交通系统在超高层 建筑日常运送乘客 货物 观光 消防等过程中所起的作用显得越来越重要 显然 高层 超高层建筑的兴起为电梯技术 特别是高速电梯技术的快速发 展创造了机遇 这必然使电梯技术的发展提升到一个更高的水平 1993 年竣工 的日本横滨 land mark tower 高度 296 米 70 层 安装的电梯速度为 750 米 分钟 时速为 45 公里 小时 已经安装在台北国际金融中心大楼 台北 101 大楼 的电梯时速甚至达到 1010 米 分钟 60 6 公里 小时 是目前全球已经安装并投 入商业运行速度最快的电梯 从某种程度上讲 电梯的核心技术其实并不是速度 因为 要想达到高速 度 最直接的措施是提高用于提升轿厢等机械部分的电动机功率就行了 实际 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 2 上 在高速电梯开发中真正面临的课题是 1 控制高速电梯运行时的气体紊流所产生的气流噪声 以降低轿厢内噪 声 为高速电梯提供一个宁静舒适的环境 2 控制高速电梯运行时的气流对轿厢扰动产生的振动问题 以改善振动方 面的乘坐舒适感 3 合理设计轿厢结构和井道阻塞率 最大限度地减小轿厢在井道内运行时 的空气阻力 以达到合理利用建筑面积同时降低电梯能耗的目的 4 采取措施减小电梯高速提升过程中轿厢内的气压变化 防止乘客出现耳 鸣等不适的感觉 本文要研究的问题是高速电梯研究的课题之一 目的在于 探讨电梯在井 道内运行时气流对轿厢内噪声的影响 以及如何通过合理设计通风孔减小这种 影响 1 2 国内外研究的现状及发展趋势 日本在高速电梯方面掌握最先进的技术并具备强大的开发能力 台北 101 大楼的世界最高速度的电梯就是由日本设计制造的 日本在开发每分钟 1010 米 的电梯时 就已经意识到由于速度的提高 使得电梯在空气动力学方面的问题 变得非常严峻 其中包括空气动力学阻力和空气动力学噪音 1 3 高速电梯发展 的主要困难都与井道空气动力学效应有关 高速气流在运动的轿厢周围会产生 各种的问题 如 轿厢的大幅振动 轿厢前后气压不同 在轿架的边 角位置 和紊流位置产生的空气动力学噪声 轿厢内不均衡的压力波动和在轿厢表面不 均衡分布的压力等 日本专门为这类高速电梯设计了完全流线型的轿厢整体外 形 双层的轿厢结构以隔绝轿厢外产生的噪声 在国外 运用计算流体力学工具对高速电梯在井道中的运行问题进行研究 已经是最常用的手段 某国外品牌的高速电梯开发过程中 就使用了计算流体 力学工具对电梯的运行进行了动态模拟 包括对轿厢外形设计 通风设计等方 面的流体力学问题也都进行了充分的优化处理 目前 高速电梯 本文所指高速电梯是指额定速度达到或超过 3 0m s 的电 梯 的设计和生产几乎全部被国外电梯企业或国外品牌的合资企业垄断 国内 电梯企业基本上都是按国外的设计进行生产或进行局部设计更改 其井道规 划 轿厢的整体设计技术也都由国外企业所掌握 可以说 我国 3 0m s 以上的 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 3 高速电梯的国产技术上仍然是一个空白 由于有现成的技术可用 国内的电梯 企业也几乎没有开展高速电梯相关的基础研究 特别是在高速电梯空气动力学 相关的基础研究领域 显得尤为突出 在学术界 so 和 yang 等人在 1998 年将超高速电梯引起的具体的空气动力 学现象称作井道空气动力学效应 随后 schetz 在 2001 年 raghu 等人在 2002 年 以及 bai 等人在 2004 年分别通过研究发现 这种井道空气动力学效 应与火车通过隧道的效应并不同 4 6 teshima 等人在 1993 年 yoshiki 等人在 2001 年分别通过试验和数字技 术研究高速电梯井道和轿厢周围的空气动力噪音 他们的初期工作为接下来这 一领域的研究提供了非常重要的线索 7 为揭开空气动力学的本质 特别是为了解超高速电梯的井道空气动力学效 应 北京航空航天大学和香港城市大学联合研究组的 bai 等人在 2004 年设计了 一个简单的模型来评估和分析超高速电梯井道气流压力 1 3 基于评估计算结果 的需要 duan 和 shen 等人在 2004 年分别建立了一个简易的高速电梯试验模型 以处理一些包括压力测量和速度测量的基础工作 bai 和 shen 在 2004 年建立 一个通过染成可视流体的特定水井道 并应用分子数字技术来看轿厢周围的流 体状况 他们对不同轿厢外形设计 不同的井道堵塞率 在不同粘度的流体中 进行了对比研究 通过数字粒子测速 digital particle image velocimetry 以下 简称 dpiv 技术 画出轿厢周围的水流速度和水流速度云图 以了解电梯轿厢 周围的流体特性 概括地讲 目前国内外对于高速电梯空气动力学及气流噪声问题有以下几 种分析方法 1 理论研究 通过简化的数学物理方法 用解析的方法开展近似的理 论研究 8 10 问题是 理论研究必须具备较深的理论基础 难度比 较大 难以应对复杂的工程问题 而且理论研究通过简化形成的一 些解析方法 其准确性往往存在争议 2 模拟实验研究 通过实验 dpiv 技术 11 在实验室内对比例模型在 液体介质中进行研究 观测 分析流体在轿厢周围速度分布情况 这种试验必须使用具备 dpiv 所需试验条件 分析的工具 技术手 段都有相当的难度 有关这方面的研究 目前还只是局限在具备条 件的科研院所和高校内进行 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 4 3 实物模拟试验 制作实物或比例的实物模型 12 13 通过风洞 水洞 试验 测量轿厢周围的气体流速分布 压力分布等 这种试验方法 必须具备风洞 水洞等完善的基础试验设施 试验成本非常高 4 工程现场实物研究 直接测量相关数据 14 现场试验的问题在于试 验本身仅能说明测试过的电梯的情况 当现场条件发生变更后试验 数据就不再适用 而且 高速电梯的应用定位在超高层建筑 其需 求量的绝对数值是很小的 想通过研究得到普遍性的结论 则需要 很长的时间收集足够多的数据样本 5 通过流行的计算流体力学工具对模型进行数值模拟分析 15 17 在国 外 采用通用的有限元或有限体积分析工具 对流体进行数值化模 拟分析是一种经常采用的方法 但是 由于工程问题相对比较复 杂 有很多不确定的因素 因此 有时数值模拟分析的结果合理性 也会受到质疑 目前 国外研究较多地采用第 5 种方法 即利用通用或专用的计算流体力 学分析工具 考虑各种工程实际情况进行模拟分析 预测可能的结果并进行优 化设计 本文提出将数值模拟分析与工程实际数据进行结合的分析方法 结合模拟 分析与工程现场两方面的数据进行分析 这可能成为未来高速电梯气流噪声研 究和工程应用的发展方向 1 3 数值模拟高速电梯井道通风的目的和意义 前文已经说到 高速电梯技术发展的关键技术在于电梯高速运行情况下如 何保证电梯轿厢内人员的乘坐舒适感 因此 研究电梯在井道内运行时产生的 气流噪声 对电梯结构的设计 井道布局的设计采取必要的措施以降低气流噪 声是电梯技术开发必须要解决的课题之一 本课题研究的目的在于改善高速电梯乘坐舒适感 应该说合理设计高速电 梯井道通风是改善轿厢内噪声问题的有效途径之一 对于独立井道的电梯 电 梯在井道内的堵塞率一般是很高的 要保证电梯在井道内运行时达到一定的噪 声指标就必须对电梯的通风进行合理的设计 18 19 目前 国内的很多电梯企业对于井道通风的设计还只是通过简单的代数演 算 根据计算结果估算气流速度 从而大致估计轿厢内噪声的大小 再通过增 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 5 加设计余量的办法确定高速电梯井道通风孔的位置和大小 同时 由于国内电 梯企业实际上并没有自主开发高速电梯的能力 他们往往直接采用引进的电梯 设计方案 因而对于高速电梯井道通风设计与噪声控制的关系还缺乏深入的理 解 本文采用数值模拟分析与工程实际相结合以确定高速电梯井道通风孔的设 计 这种方法相对于前一节提到的其他方法在可行性和优势方面还具有以下特 点 1 这种方法采用通用的计算流体动力学分析工作 在具备相当的流体 力学知识 电梯设计知识和软件知识后即可开展研究 投入研究和 分析成本比较低 2 所采用的计算流体动力学分析软件是非常成熟的产品 这些软件在 国内外其他行业如飞机 舰艇 导弹 发动机等方面的设计中都得 到了广泛的应用 计算的准确性已经得到了充分的验证 3 首先应掌握一定的工程实际数据 然后通过分析对模型进行合理的 简化和修改之后 即可开展建模 分析 优化设计工作 可以大大 缩短分析的周期 减小时间成本 4 通过模型建立和参数设置 可以模拟工程现场的各种复杂情况 得 到不同工况下的分析结果 20 22 1 4 本课题研究的主要内容 本课题研究的主要内容是 在理论分析高速电梯在井道内运行时的流体特 性的基础上 建立高速电梯在井道内运行的物理 数学模型 采用 fluent 计 算流体力学分析软件对井道内通风的设计进行数值模拟分析 比照工程实际获 得的噪声数据 确定电梯速度 电梯尺寸 井道参数 井道通风设计之间的关 系 便于确定工程现场的井道通风设计 具体工作内容如下 1 通过理论分析井道内高速电梯运行时的空气流动特性 轿厢周围及 通气孔位置的空气流动情况 建立相应的物理模型 2 分别建立井道内高速电梯运行的空气流动的数学模型 给出相应的 控制方程 对控制方程采用有限体积法进行离散化 3 使用 fluent 计算流体分析工具 通过动网格技术 c 语言编制的 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 6 udf 用户自定义函数 模拟分析高速电梯在井道内的运行 4 通过一个高速电梯的实例 建立其对应的经简化的二维物理模型 通过理论和数值模拟分析电梯在井道中紊流气体流动的情况 5 根据工程实际测得的数据与理论分析结果进行结合应用 提供一种 高速电梯井道通风设计的分析 确认方法 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 7 第2章 高速电梯井道通风数值模拟的物理数学模型 2 1 模型的建立与简化 2 1 1建立模型的基本原则 建立模型是分析研究事物的必要步骤 模型是为了便于分析 将系统的某 一部分信息进行抽象而构成的系统的替代物 模型分为物理模型和数学模型 1 物理模型 是对分析的实物对象采用比例缩放的复制品 而一般的 数值模拟分析是用信息化手段 对实物进行一比一或比例缩放建 模 生成一个数值化模型 以作为数值模拟分析的物理模型 2 数学模型 是通过对分析对象特性和总结对象特有的内在规律 做 出一些必要的简化假设 运用适当的数学工具 得到的一个数学结 构 便于进行计算和分析 揭示系统的内在运动和系统的动态特 性 本课题研究的高速电梯在井道中运行的数值模拟分析问题 其关键在于建 模技术 因此 建立有效 简化的数学模型是准确 经济地开展模拟分析必要 的条件 建立模型的原则是 物理的真实性和数学计算的可行性 为计算的可行性 和经济性而对模型进行的简化 应以不影响物理模型主要问题的真实性为条 件 并应尽可能准确地反映所关注的工程实际情况 从理论上讲 用三维建模技术完全模拟电梯在井道内的运行是可以实现 的 它能最大限度的模拟高速电梯在井道内运行时可能发生的各种现象 这对 于从理论研究高速电梯运行状态是必要的 也是可行的 但作为处理一个工程 问题的方法 建立三维模型 划分网格 使用动态网格技术 再进行大规模的 分析计算 这将花费大量的时间成本 浪费大量的计算机资源 因此 在保证主要问题一致的前提下 将复杂的三维空间问题进行简化 用二维的简化模型处理三维空间的问题是比较经济 有效的方法 也符合模型 建立的基本原则 在本文中 按上述简化原则 将对高速电梯在井道中运行的 三维问题简化成二维问题进行分析 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 8 2 1 2模型的简化与假设条件 本文的研究对象是额定速度在 3 0m s 以上 含 的高速电梯 包括额定速度 超过 5 0m s 时为进一步降低噪声对电梯轿厢外形结构进行的优化设计 安装 整流罩 高速电梯理想的空气动力学模型是按实际电梯结构建立空气动力学模 型 23 但实际上电梯轿厢的外形结构可以简化成一个长方体 在二维空间内则 为一个矩形 24 对于采用整流罩结构的电梯轿厢的顶部和底部需要增加一个圆 形或抛物线形的整流罩 本文想解决的问题是 通过数值模拟分析井道通风与井道内轿厢周边的气 体流速 噪声 的关系 确定井道通风设计的数值分析计算方法 大量的工程现 场的实际应用表明 通风孔设置在井道内的哪一井道壁对通风效果影响不大 井道内的气流速度与轿厢面积与井道面积之比 井道堵塞率 相关 这一结论为 三维模型简化成二维模型创造了条件 在设计时 为了保证电梯从井道顶部向底坑运行的中段 末段有良好的通 风 在电梯井道的底坑位置应该设置通风孔 同理 在电梯井道的顶部也应该 设置通风孔 同时 工程上为了保证电梯运行在井道的不同位置都能有效通 风 一般在电梯井道的中间位置也设置同样的通风孔 并且 三个位置通风孔 的大小相同 本文为了简化模型 在井道高度不高的情况下 只设置井道顶部 和底部两个通风孔 同时 由于本课题只关心电梯轿厢运行时气体流动的问题 不考虑轿厢本 身的自重 不考虑气体的重力影响 电梯运行的方向对数值分析的结果将不会 产生任何影响 因此 本文只以电梯从井道顶部向下运行到井道底部作为例子 进行研究 而电梯向相反方向的运行将可直接得到相同的结论 除此之外 本课题对高速电梯在井道内运行时通风问题的研究还有必要使 用以下假设 进一步简化模型 1 假设高速电梯为单井道 多井道时不需要考虑井道通风的问题 2 假设井道内没有自然风的影响 3 假设流体不可压缩 由于电梯运行的速度相对来讲并不是特别高 认为空气是理想气体 4 假设通风孔外的气压均为当地标准大气压 不考虑高度方向上气压 变化或空气密度的变化 即不考虑空气本身的重力影响 5 假设井道壁光滑 假设在井道内没有突出的圈梁等 这些突出物的 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 9 存在将严重影响井道内空气流动 会导致计算结果明显偏离于正常 值 在实际工程中 井道中出现突出物也应采取措施进行处理 根据工程经验 影响气体紊流速度和噪声的主要因素在于轿厢面积与井道 面积的比值 即为井道堵塞率 为模拟分析的方便 在保证相同堵塞率的前 提下 将复杂的三维问题简化成等效的二维问题处理 2 2 控制方程 2 2 1质量守恒方程 质量守恒方程也称为连续性方程 25 27 流体通过控制面 a 流入控制体 同 时也会通过另一部分控制面 b 流出控制体 在这期间控制体内部的流体质量也 会发生变化 按照质量守恒定律 流入的质量与流出的质量之差等于控制体内 部流体质量的增量 由此 可导出流体流动连续性方程的微分形式为 0 z w y v x u t 2 1 根据上述假设条件 本文中高速电梯井道内的气体为不可压缩流体 也不 考虑气压的影响 因此方程中密度 为常数 式 2 1 可简化为 0 z w y v x u 2 2 2 2 2动量守恒方程 动量守恒是流体运动时应遵循的另一个定律 描述为 在一定的流体系统 中 其动量的时间变化率等于作用于其上的外力总和 其数学表达式即为动量 守恒方程 也称为运动方程 或称为 n s 方程 25 27 其微分形式为 z p y p x p f dt ud zx yx xx bx z p y p x p f dt vd zyyyxy by z p y p x p f dt wd zz yz xz bz 2 3 其中 fbx fby fbz分别是单位质量流体上的质量力在三个方向上的分 量 pyx是流体内应力张量的分量 在本文中 高速电梯井道内的气体属于常密度常粘性的流体 其动量守恒 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 10 方程为 z p y p x p f t u zz yz xz bz 2 4 2 2 3能量守恒方程 将热力学第一定律应用于流体运动 即为能量守恒方程 25 27 h j eff ijj jj i eff i i i sujh x t k x peu xt e 2 5 式中 e 2 2 i up he eff k 是有效传导系数 eff k k t k 其中 t k是湍流热传导系数 根据所使用的湍流模型来定义 j j 是组分j的扩散流量 h s 包括化学反应热以及其他用户定义的体积热源项 方程右边 的前3项分别描述了热传导 组分扩散和粘性耗散带来的能 量输送 2 2 4湍流的 k 模型方程 湍流也称为紊流 是自然界中广泛存在的自然现象 比如大气的流动 飞 行器和船舰的绕流 还有本文中研究的高速电梯在井道内运行时气体的流动就 是一种强烈的湍流现象 湍流的核心特征表现为物理上强烈的非线性 对于高 速电梯在井道内运行时气体流速 流线的急剧变化造成的气流噪声就是一个例 子 25 27 在本课题 使用fluent进行分析时 采用了标准的k 模型方程 28 29 ij i j j i tji k x u x u uu 3 2 2 6 mbk ik t i ygg x k xdt dk 2 7 k cgcg k c xxdt d bk i t i 2 231 2 8 式中 k g 表示由于平均速度梯度引起的湍动能 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 11 b g 表示由于浮力影响引起的湍动能 m y 表示可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响 t 湍流粘性系数 2 k c t 在fluent中 作为默认的计算常数 1 c 1 44 2 c 1 92 3 c 0 09 湍动能k与耗散率 的湍流普朗特数为 k 1 0 1 3 2 2 5控制方程的离散化 前面给出的流体流动问题的连续方程 动量方程和动量方程都可以写成式 2 9 的通用表达形式 25 27 sgraddivudiv dx ud 2 9 以一维稳态问题为例 控制方程 2 9 可以写成 2 10 的形式 s dx d dx d dx ud 2 10 式中各项分别为对流项 扩散项和源项 方程中的 是广义变量 可以为 速度 温度或浓度等一些待求的物理量 是相应于 的广义扩散系数 s是广 义源项 有限体积法的关键一步是在控制体积上积分控制方程 在控制体积节点上 产生离散的方程 对于一维模型 式 2 10 在控制体积p上进行积分得到 vvv sdvdv dx d dx d dv dx ud 2 11 对 2 11 形式进行离散化 可以得到递推的求和表达式 dvsaau f n f nf n f fff 2 12 记为通用表达式 baa nb nbnbp 2 13 2 3 模型边界条件的处理 所谓边界条件就是流体力学方程组在求解域的边界上 流体物理量应满足 的条件 例如 流体被固定壁所限 流体将不应有穿过固定壁的速度分量 通 常情况下 流体的边界包括流固分界面 液液分界面 液气分界面 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 12 在本课题的物理模型中 定义井道壁为固定壁 上通风孔定义为压力入口 型边界条件 下通风孔定义为压力出口型边界条件 移动的轿厢定为移动的刚 体 都属于流固分界面边界条件 本课题中将气体看作非粘性流体 电梯在井道内运行时气体通过轿厢与井 道壁之间的缝隙流动 在分界面上 气体将粘附于轿厢壁板和井道壁而无相对 滑移 即气体的运动速度与它所依附的边界运动速度相同 即 sf vv 2 14 式中 f v 是气体的速度 s v 是井道壁或轿厢壁面相应点的速度 对于非粘 性的流体则要保证流体不能离开分界面 即流体与固体的法向速度相同 即 sf vv 2 15 另外 还可给出无温差条件 即 sf tt 2 16 2 4 动网格技术与网格守恒方程 流体流动包括定常流动和非定常流动两类 流动时流体物理量不随时间发 生变化的流动称为定常流动 反之为非定常流动 其中 流体边界条件随时间 发生变化的流动属于非定常流动 在实际的许多工程问题中 流体的流域会不停的移动 例如机车穿过隧 道 容器中的液体的纵向晃动 水流通过螺旋推进器 轴向涡轮叶片等 这类 问题是属于动域的问题 通常 动域模型又有两类 30 32 第一类 如果域在移动时并没有形状上的改变 发生刚体运动 则可以在 运动坐标系下解算流体控制方程 可以在动量方程中添加附加的加速度项 可 以在动坐标系下将非定常问题转变成定常问题处理 也可以设置动域与固定域 相结合的分界面 第二类 如果域在移动的同时还会有形状的改变 变形或发生刚体运动 则可以使用动网格 dm 技术解方程 这种情况下 只能按非定常问题计算 而 动域 边界 的位置和形状的改变可以用时间的函数来表示 典型的问题是 机 翼在空气中的运动 机车通过隧道的活塞运动等 本课题中高速电梯在电梯井道中的运动也是一个典型的边界发生移动的流 体动力学问题 需要使用动网格技术 动网格技术的发展是伴随着cfd软件非 结构化网格划分技术的发展而出现的 动网格技术的应用使得上述第二类动域 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 13 问题的解决方案成为可能 动网格技术的难点在于发生刚体运动时的网格重新 划分 要避免边界网格节点重复交错和网格节点丢失 可行的方法是借助于初 始网格数据 使用插值方法使网格按到边界的距离比例或按原来的稀疏比例重 新分布 目前常用流体分析软件的动网格技术发展已经满足了稳定性 精确 性 易用性和效率高的要求 对于动网格 在任意控制体积v内其边界是运动的 网格守恒方程通式为 vvv g v dvsadaduudv dt d 2 17 式中 是流体密度 u 是流体的速度矢量 su 是动网格的网格变形速度 是扩散系数 s 是通量 的源项 v 代表控制体v的边界 在方程 2 17 中 第一项可以用一阶向后差分形式表示为式 2 18 t vv dv dt d nn v 1 2 18 式中n和n 1代表当前和紧接着的下一时间步的数值 第 n 1 步的体积 1 n v 由式 2 19 计算得出 t dt dv vv nn 1 2 19 2 5 本章小结 本章结合本课题的研究对象 为便于开展数值模拟分析对模型进行了简 化 给出了一些合理的假设条件 以流体力学的基本理论和方法为基础提出了 高速电梯在井道内运行时气体流动的数学模型 本章为后续章节开展数值模拟 分析提供了理论依据和前提条件 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 14 第3章 高速电梯井道通风的数值分析 本章将以第2章的简化模型和假设为基础建立高速电梯在井道中运行的物 理数学模型 借助广泛使用的计算流体动力学 computational fluid dynamics 以下简称cfd 软件对高速电梯运行时的气体的流动特性及轿厢内的噪声进行研 究 分析通风孔的设置 轿厢整流罩外形结构设计对轿厢内气流噪声的影响 33 34 3 1 电梯井道通风设计的基本原理 电梯井道是一个封闭的立方体腔体 它由井道底坑的地板 井道前壁 后 壁 侧壁以及井道顶的天花围成了电梯轿厢和对重架运行的空间 通常 电梯 井道除了井道顶的天花通向机房用于穿过悬挂钢丝绳 电缆等的开孔外 不再 有其他的开孔 这对于一般轿厢运行速度并不大的中低速电梯而言 井道中空 气流动速度并不会产生不良的影响 由于电梯轿厢基本上是在封闭的井道中运行 比机车通过两端开口的隧道 时产生的活塞效应更加明显 1 3 35 较高速度的电梯 特别是电梯速度超过 3 0m s时 气流速度和流线将在轿厢周围发生急剧的变化 气流的扰动还会使 轿厢产生随机的晃动 同时会伴随着气流声音 轿厢迎风面造成的气体阻力还 会导致电梯驱动系统的动力的增加 8 36 37 当气体速度和流线的变化率达到一定 程度时 将会产生严重的气流噪声 这会令轿厢内的乘客心理上产生烦躁不安 的感觉 理论上 通风孔的设计的尺寸越大越好 减小井道阻塞率可以尽可能地降 低轿厢在井道运行时气体通过狭小空间时的紊流速度 但是建筑物设计 施工 时往往追求较高的建筑实用面积 这就要求建筑设计者尽可能减小电梯等辅助 功能的建筑面积 建筑设计的交通流量决定了电梯的轿厢面积 而通常情况下 轿厢面积约占井道横截面积的50 65 在这样的井道堵塞率情况下 有必要 采取措施改善井道通风条件 目前 高层建筑设计往往采用剪力墙的核心筒结 构设计施工电梯井道 这样的设计要求井道壁承受相当大的载荷 井道壁的开 口要尽量小 电梯供应商在进行电梯安装工程时 为了保证电梯运行时在噪 声 振动等方面的达到良好效果而要求在井道壁开凿通风孔时 往往受到很大 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 15 的限制 因此 合理设计高速电梯的井道通风孔大小 合理设计轿厢的结构是 电梯设计和工程施工必须解决的问题 依据电梯有关的国家标准规定 轿厢内的噪声不应大于60db 38 电梯厂家 在设计上一般要求不大于55db a 井道纵剖图 a longitudinal orthographic drawing of the well road b 井道横剖图 b cross orthographic drawing of the wells road c 电梯井道通风设计示意图 c elevator shaft ventilation design diagram 图 3 1 电梯井道布置及通风孔设置示意图 fig 3 1 elevator shafts and ventilation holes set diagram layout 图3 1a b 给出了高速电梯的井道布置图 可以说明电梯在一个封闭井道 内的布置情况 图3 1c 示意了一台高速电梯在井道的顶部 中部和底部通风孔 设置的位置和数量 3 2 建立物理模型 图3 2给出了轿厢 井道物理模型及其简化图 电梯井道在结构上是细长 型的 井道的长度方向尺寸h远大于井道的宽度尺寸a 深度尺寸b 轿厢的 尺寸近似为长方体结构高度尺寸l 宽度尺寸w 深度尺寸d 为了便于表达 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 16 图形和计算结果 本文部分示意图将只显示影响分析结果的图形局部位置 其 中 轿厢与轿厢壁 井道与井道壁 井道通风孔 a 电梯 井道的模型 不考虑对重架 b 简化的电梯 井道模型 a model of the elevator and the well road b simplified model of the elevator and the well road c 简化的纵剖图 旋转 90 c simplified vertical orthographic drawing rotated 90 图 3 2 轿厢 井道物理模型及其简化图 fig 3 2 physical models and their simplification of the car and the well road 图3 2 a 中 a 2 5m b 2 0m h 30m c 0 1m w 2 0m d 1 5m l 3 0m 按前述简化模型的原则和方法 在保证与图3 2 a 相同的井道堵塞率 60 的前提下 将电梯在井道中的运行简化为如图3 2 b c 的二维问题 因此 图 3 2 b c 中 a 2 5m 0 83m 3 33m b d 1 5m h 30m 井 道 全 高 w 2 0m 为体现井道通风孔设计对气流的影响 先后选择两种尺寸的通风孔进行模 拟分析 根据对比结果得出结论 两种通风孔的高度尺寸分别为a 1 0m和 a 2 0m 对应的通风孔面积分别为1 0m h 1 5m w 1 5m2和2 0m h 1 5m w 3 0m2 本课题主要研究不同的通风条件时 气流变化对噪声产生的影响 为了研 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 17 究的方便 除了前述章节对模型的简化外 还需要做以下假设 1 假设轿厢是一个规则的长方体 它在电梯井道中做匀速运动 当速 度超过5 0m s以上时 轿厢的顶部 底部一般采用流线型的结构设 计 整流罩 以保证气流在轿厢周围的规则变化 减小风阻 本 文也分析了不同的整流罩设计对气流的影响 以便与通风孔设计进 行合理结合解决高速电梯的通风孔和噪声问题 2 假设该电梯为单井道 没有与本电梯并排设置的电梯 或此电梯井 道与相邻电梯井道之间完全隔离 通风孔除外 3 实践表明 在井道通风孔设计时 单个通风孔的设计尺寸应尽量 大 在进行数值模拟分析时 为简化分析 假定井道中三个位置的 通风孔均只有一个 并且尺寸相同 3 3 cfd 软件介绍 3 3 1 cfd 模型的数值求解方法概述 根据前一章给出的流体控制方程可知 对流体力学问题的求解实际上是对 一系列偏微分方程进行求解 从数学的角度来说 要想得到准确的解析解是不 现实的 因此采用数值方法是求解cfd模型的唯一可行的方法 目前 商业的 cfd分析软件有四种不同类型的数值求解方法 有限差分 法 finite difference method 简称fdm 有限体积法 finite volume method 简称fvm 有限元法 finite element method 简称fem 有限 分析法 finite analytic method 简称fam 26 在本课题中使用的fluent软件就是基于有限体积法 fvm 的求解工 具 在该方法中 将所有计算区域划分成一系列微小的控制体积 每个控制体 积由一个节点作为代表 通过对所有控制体积的离散方程组进行求解可以得到 整个计算区域内的数值解 有限体积法的离散方程具有守恒的特性 方程系数 的物理意义明确 是目前cfd数值求解方法中最为广泛采用的一种方法 3 3 2 常用 cfd 软件介绍 计算流体动力学 cfd 是一门通过求解大量的控制方程来预测流体流 动 热传导 化学反应以及相关现象的学科 为了完成cfd计算 过去多是用 户自己编写计算程序 但由于cfd问题本身的复杂性及计算机软硬件的多样 性 使得用户自编的应用程序往往缺乏通用性 而cfd本身又有其鲜明的系统 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 18 性和规律性 因此 cfd问题的求解方法比较适合于被制成通用的商用软件 自上世纪六十年代以来 cfd在湍流模型 网格技术 数值算法 可视化以及 并行计算等方面都得到了快速的发展 cfd软件在包括汽车设计 航空航天飞 行器设计等方面都得到了广泛的应用 成为复杂 重复的设计 分析工作的重 要工作方法和手段 大大提高了工作效率 自1981年以来 市场上出现了如 phoenics cfx star cd fidip fluent等多个商用cfd软件 3 3 3 fluent 介绍 fluent是目前功能最全面 适用性最广 国内使用最广泛的cfd软件之 一 它在美国市场的占有率已经达到60 目前 fluent成为各大汽车公司 进行流体分析的首选工具 几乎所有的汽车公司都成为fluent的用户 在汽 车行业 fluent可以对汽车运行的风阻 汽车尾部的涡旋 汽车后视镜的气 体分离 发动机流场分析 发动机油缸热力学分析 散热分析等进行准确的模 拟分析和计算 2006年2月 世界最普及的cae商用软件ansys公司完成了 对fluent的收购 这为fluent的进一步推广 普及创造了条件 fluent 是基于有限体积法的cfd计算软件 它主要有以下功能和特点 1 fluent 软件的组成与功能 fluent软件组成包括前处理器 求 解器和后处理器三个部分 可以很方便地完成从网格划分 边界条件设置 计 算求解到后处理的全过程操作 2 fluent 的前处理 网格功能 gambit是一款通用前处理工具 由于同样是fluent公司的产品 gambit无疑是fluent最佳的前处理 器 可以快速生成复杂形状的几何模型 可以对复杂的形状生成高质量的结构 化或非结构化网格 3 fluent 的计算能力 fluent具有多种完善的求解算法 包含几 乎所有最先进的物理 数学模型 它还具有强大的网格支持能力 完善的网格 自适应能力和变形能力 能够轻松模拟大变形 物体运动等高度非线性问题 4 fluent 的后处理 结果显示与分析 fluent本身具有强大的 后处理能力 能够快速显示分析结果 生成动画和分析结果报告 必要时 可 以借助tecplot科学绘图工具更加完美 清晰地展示分析成果 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 19 3 4 数值建模与网格划分 3 4 1 动网格 在fluent中 当运动条件定义在边界条件上时提供了三种动网格运动的 方法来更新变形区域内的体网格 31 32 35 1 基于弹性变形的网格调整 2 动态的网格分层 3 局部网格重构 在本课题中 定义的网格类型为非结构性三角形网格 这类非结构性网格 只能使用上述第 1 3 类动网格生成技术 3 4 2 用户自定