罐車橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)液體晃動(dòng)的仿真分析

李振等

摘 要：通過對(duì)罐體進(jìn)行全尺寸建模模擬，對(duì)比研究充液比、密度和黏度對(duì)液體晃動(dòng)的影響。結(jié)果表明：罐車橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)，液體晃動(dòng)水擊內(nèi)壁壓力隨著充液比的增加先增大后減小，充液比為0.4時(shí)達(dá)到最大；且水擊內(nèi)壁壓力隨著液體密度的增加而增大，隨著液體黏度的增加而減小。當(dāng)防波板面積大于60%時(shí)，最大水擊內(nèi)壁壓力顯著降低，防波效果明顯。

關(guān)鍵詞：罐車；液體晃動(dòng)；多相流；VOF模型

Simulation of Liquid Slosh in Lateral Movement of Tank Truck

Li Zhen，Xie Moyi，Zhu Bing，Zhao Yunyun

（College of Mechanical and Automobile Engineering， Chongqing Jiao Tong University， Chongqing 400074， China）

Abstract：Based on full-scale modeling simulation of tank， the VOF model based on multi-phase flow， contrast research liquid ratio， the influence of the density and viscosity of liquid sloshing.Results show that the tank car lateral movement， the liquid sloshing water hammer internal pressure with the increase of liquid than first increases then decreases， maximum when liquid ratio 0.4；And the inner wall of the water hammer pressure increased with the increase of liquid density increases， decreases with the increase of liquid viscosity.When washboard area greater than 60%， the floods hit wall pressure significantly reduced， the wave effect is obvious.

Key words：tank truck； liquid sloshing； multi-phase flow； volume of fliud （VOF） model

罐車部分載荷做橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)，罐內(nèi)液體晃動(dòng)對(duì)罐體產(chǎn)生沖擊載荷，使罐車重心偏移，易造成車輛側(cè)滑、側(cè)傾從而引發(fā)交通事故。

1劉奎和康寧[1]通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，得出防波板面積大于橫截面的40%時(shí)，增加防波板面積能顯著改善罐體受力的結(jié)論；孫麗娜等人[2]對(duì)罐車緊急制動(dòng)時(shí)的安全性問題進(jìn)行了研究，得出罐車液體充裝率、密度和黏度對(duì)罐體水擊壓強(qiáng)影響。文獻(xiàn)[3]采用VOF方法研究了不同充液比、不同防波板面積及不同罐體半徑情況下，罐車制動(dòng)時(shí)罐體內(nèi)液體晃動(dòng)動(dòng)力特性。

本文針對(duì)罐車轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)液體的橫向晃動(dòng)問題，運(yùn)用VOF方法對(duì)罐體內(nèi)液體的晃動(dòng)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，研究不同充液比、密度、黏度和不同防波板面積對(duì)罐體水擊壓強(qiáng)的影響，以期為提高罐車側(cè)向穩(wěn)定性提供設(shè)計(jì)參考。

1 液體晃動(dòng)水擊過程模擬與結(jié)果分析

1.1 罐體模型與邊界條件確定

本文以某罐車罐體為研究對(duì)象，進(jìn)行全尺寸建模，罐體長(zhǎng)度6000mm，端面為圓，半徑R=1000mm，罐體壁厚度均為4mm。在進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)，不考慮罐體變形，設(shè)定其內(nèi)部介質(zhì)為水和空氣。采用Fluent VOF歐拉兩相流模型，初始時(shí)刻保持靜止，上方為空氣，下方為水，t=0時(shí)，罐體受到橫向激勵(lì)，加速度ɑ=0.8g，持續(xù)時(shí)間為4s。

1.2 過程參數(shù)和液體性能參數(shù)對(duì)晃動(dòng)影響

1.2.1 充液比對(duì)罐壁液體晃動(dòng)水擊壓強(qiáng)影響

充液比是影響罐內(nèi)液體晃動(dòng)的重要參數(shù)之一。在本文中定義充液比k=h/2R，h為液體深度。通過改變罐內(nèi)液體的充液比，研究罐車轉(zhuǎn)向過程中罐內(nèi)液體充液比對(duì)液體晃動(dòng)的影響。充液比分別取0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，共九種工況。

充液比對(duì)液體晃動(dòng)水擊內(nèi)壁壓力影響的模擬結(jié)果如圖1所示。研究結(jié)果表明，橫向運(yùn)動(dòng)過程中液體晃動(dòng)水擊內(nèi)壁壓力先隨充液比增加而增大，充液比大于0.4后，液體晃動(dòng)水擊內(nèi)壁壓力隨充液比增加而減小，充液比為0.4時(shí)，液體晃動(dòng)水擊內(nèi)壁壓力達(dá)到最大。

1.2.2 罐內(nèi)介質(zhì)特性對(duì)罐壁壓強(qiáng)影響

液體的主要性能參數(shù)是密度和黏度。本文通過改變液體的密度和黏度，研究罐內(nèi)介質(zhì)特性對(duì)罐壁水擊壓力的影響。

液體密度分別取500kg/m3，750kg/m3，1000kg/m3，1250kg/m3，1500kg/m3五種情況。數(shù)值模擬結(jié)果如圖2所示，液體晃動(dòng)水擊內(nèi)壁壓力在t=2.3s時(shí)達(dá)到最大值，且水擊內(nèi)壁壓力隨著液體密度的增大而增大。

液體黏度分別取0.0001kg/（ms），0.001kg /（ms），0.01kg /（ms），0.1kg/（ms），1kg /（ms）五種情況。數(shù)值模擬結(jié)果如圖3所示，液體晃動(dòng)水擊內(nèi)壁壓力在t=2.6s時(shí)達(dá)到最大值，且水擊內(nèi)壁壓力隨著液體黏度的增大而減小。但液體黏度對(duì)水擊內(nèi)壁壓力的影響遠(yuǎn)小于密度。

2 不同防波板面積對(duì)罐壁沖擊壓力的影響

文獻(xiàn)[4]研究表明布置一塊較大面積的防波板即可達(dá)到較好的防波效果，但沒有具體分析防波板面積對(duì)罐壁沖擊壓力的影響。

《液化氣體運(yùn)輸車》中規(guī)定，“每個(gè)防波板的有效面積應(yīng)大于罐體橫斷面積的40%，防波板的安裝位置，應(yīng)使上部弓形面積小于罐體橫斷面積的20%”，參考以上對(duì)橫向防波板的尺寸規(guī)定，設(shè)置縱向防波板高度，示意圖如圖4所示，S1為縱截面上部空間面積，S2為縱向防波板面積，S3為縱截面下部空間面積。令a=S1/（S1+S2+S3）；b=S2/（S1+S2+S3），應(yīng)保證a≤0.2；b≥0.4。

在計(jì)算不同面積防波板的影響時(shí)，為研究方便，令a為定值，b為變量，本文統(tǒng)一取a=0.2，b的取值范圍0～0.8。側(cè)向加速度ɑ=0.8g，充液比k=0.5，模擬結(jié)果如圖5所示。

隨著防波板面積的增加，液體晃動(dòng)水擊內(nèi)壁壓力先增大后減小，當(dāng)b=0.5時(shí)，水擊內(nèi)壁壓力達(dá)到最大值，這是因?yàn)橐后w晃動(dòng)時(shí)受到防波板阻礙后回流，與罐壁沖擊的次數(shù)增多，使得液體在較為狹小的空間內(nèi)更快的沖擊罐壁，從而使得水擊內(nèi)壁壓力劇烈增大。b=0.6時(shí)，水擊內(nèi)壁壓力大幅度降低，且b=0.6～0.8之間，圖5中曲線斜率較小，b=0.6時(shí)即可有效抑制液體晃動(dòng)，取得較好的防波效果。

3 結(jié)論

1） 罐車橫向運(yùn)動(dòng)過程中，水擊內(nèi)壁壓力先隨著充液比的增加而增大，當(dāng)充液比大于0.4后，液體晃動(dòng)水擊內(nèi)壁壓力隨著充液比的增加而減小，充液比為0.4時(shí)，液體晃動(dòng)水擊內(nèi)壁壓力達(dá)到最大。

2） 液體晃動(dòng)水擊內(nèi)壁壓力隨著液體密度的增加而增大，而隨著液體黏度的增加而減小，且液體黏度影響程度遠(yuǎn)小于密度影響程度。

3） 布置防波板后，能夠顯著降低水擊內(nèi)壁壓力最大值，當(dāng)防波板面積大于60%后，最大水擊內(nèi)壁壓力顯著降低，防波效果明顯。

參考文獻(xiàn)

1 劉奎，康寧.罐車制動(dòng)時(shí)液體晃動(dòng)的仿真分析[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，35 （7）：799-803.

2 孫麗娜，周國(guó)發(fā).罐式集裝箱液體晃動(dòng)過程數(shù)值模擬研究[J].振動(dòng)與沖擊，2012，31（22）：147-150.

3 Kang N，Liu K. Influence of baffle position on liquid sloshing during braking and turning of a tank truck[J]. Journal of Zhejiang University： Science A，2010，11（5）：317-324.

4 趙樹恩，趙靈鶴.汽車罐車橫向運(yùn)動(dòng)液體晃動(dòng)動(dòng)力學(xué)特性模擬[J].應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)，2014，35（11）：1259-1270.

作者簡(jiǎn)介

李振（1988-），男，碩士研究生，研究方向：液罐車轉(zhuǎn)向側(cè)向穩(wěn)定性