氣瓶內(nèi)防波板的選型研究

王國強(qiáng)，仇虎山

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

氣瓶內(nèi)防波板的選型研究

王國強(qiáng)，仇虎山

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

在車輛加速或制動過程中，氣瓶內(nèi)液化氣的晃動會對行車的安全性產(chǎn)生一定的影響。文章對兩種防波板在不同液面高度下進(jìn)行了模擬分析，通過對氣瓶端面的沖擊力和沖擊時間的對比分析，選擇合適的防波板，并得出影響沖擊力的因素。

氣瓶；防波板

CLC NO.:U467.3Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)06-133-03

前言

汽車在行駛過程中，當(dāng)狀態(tài)發(fā)生變化時（加減速、轉(zhuǎn)彎等），氣瓶內(nèi)的液化氣會對氣瓶壁面形成沖擊。沖擊力越小，對氣瓶本身的結(jié)構(gòu)以及連接件的要求也就越低，也能達(dá)到很好的經(jīng)濟(jì)效益。為了減輕沖擊力對氣瓶裝置的影響，在氣瓶內(nèi)加裝防波板是不錯的選擇。好的防波板的設(shè)計將會起到事半功倍的效果。

本文將對兩種結(jié)構(gòu)的防波板進(jìn)行分析，找出效果最好的一種，并分析提高防波板效率的因素。

1、模型簡介

氣瓶高0.6m，容量450L，側(cè)置。圖1為防波板Ⅰ，在最下端有直徑150mm的缺口；圖2為防波板Ⅱ，跟防波板Ⅰ相比，在正下方缺口兩側(cè) 70o位置新增同樣大小的缺口，且在中間位置有矩形和圓的復(fù)合缺口，圓半徑 75mm，中間矩形橫向?qū)?0mm。圖3和圖4指出了防波板的位置，位于氣瓶的中下部。

圖4 內(nèi)置防波板Ⅱ氣瓶

2、車輛運(yùn)行狀態(tài)及模擬方法

為了實現(xiàn)液化氣在氣瓶中的晃動，設(shè)定車輛以 60km/h的速度勻速直線行駛，然后剎車，使車輛在2.9s內(nèi)停下。此時，氣瓶中的液化氣將會由于剎車慣性產(chǎn)生晃動，并對氣瓶的端面產(chǎn)生沖擊作用。

為了盡快的實現(xiàn)模擬過程，模擬的方法為：在較短的時間內(nèi)使車輛保持靜止?fàn)顟B(tài)，使氣瓶內(nèi)的液化氣保持水平，然后令車輛在2.9s的時間內(nèi)反方向加速到60km/h。以反方向加速的方法模擬車輛減速的過程，在實現(xiàn)液化氣的晃動和對端面的沖擊上是等價的。

3、模型的設(shè)定

此次分析采用VOF方法進(jìn)行非定常分析。液面高度分別設(shè)為氣瓶高度的80﹪、50﹪和30﹪。氣瓶內(nèi)壓力為1.59MP，液化氣的物性在液態(tài)時為：粘性 121.34×10-6Pa·s ，密度426kg/m3；在氣態(tài)的物性為：粘性 4.2×10-6Pa·s，密度為1.5982kg/m3。氣瓶及防波板表面設(shè)置為無滑移邊界，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型。 圖5為液面高度80﹪的情況。

圖5 液面高度80﹪

分析過程分為三個階段，總共持續(xù)時間8s。在1s之前，使氣瓶運(yùn)動速度為0m/s，然后在后續(xù)的2.9s內(nèi)完成加速過程，達(dá)到60km/h，隨后保持該速度。圖6為分析時間歷程。

圖6 分析時間歷程

4、分析結(jié)果

從動態(tài)的分析結(jié)果可以看出，在0～1s的時間段，不同高度的液面保持平穩(wěn)，在加速段（模擬減速）的1～3.9s的時間段，液化氣由于慣性的作用開始晃動，并對氣瓶端面產(chǎn)生沖擊力。在不同液面高度及不同防波板的條件下，沖擊力和最大沖擊力所對應(yīng)的時間會不同。在3.9～8s時間段，車輛保持60km/h穩(wěn)定行駛，液面也開始從晃動向平復(fù)轉(zhuǎn)變。圖7為防波板Ⅰ在1.5s時刻、液面高度分別為30﹪、50﹪、80﹪時的狀態(tài)。圖8為防波板Ⅱ在1.5s時刻、液面高度分別為30﹪、50﹪、80﹪時的狀態(tài)。

圖7 防波板Ⅰ在1.5s時刻液面高度分別為30%、50%、80%的狀態(tài)

圖8 防波板Ⅱ在1.5s時刻液面高度分別為30%、50%、80%的狀態(tài)

在加速起始后，液化氣的晃動會反復(fù)沖擊氣瓶端面，氣瓶所受到的軸向力會出現(xiàn)不同程度的波動，如圖9所示。

圖9 液面高度50%時軸向力變化曲線

表1 兩種防波板軸向力對比（N）

表2 最大軸向力出現(xiàn)的時刻（s）

5、結(jié)論

1）從軸向力大小分析，防波板Ⅰ型性能好些；

2）防波板Ⅰ型相對于Ⅱ型對沖擊有一定的延緩作用；

3）當(dāng)液面高度達(dá)到 80%時，由于上部空間無防波板，上部液化氣直接沖擊氣瓶端面，故軸向力對于Ⅰ、Ⅱ型防波板相差不大；

4）在布置防波板時，應(yīng)照顧到整個截面區(qū)域，特別是在氣瓶滿載的情況下；

5）在上下部對稱布置防波板，使防波板呈現(xiàn)出一定的角度，減輕晃動對防波板的直接沖擊，使得在防波板垂直方向上可以分擔(dān)部分沖力力。

[1] 林建忠.流體力學(xué).北京清華大學(xué)出版社.2005.9.

[2] 李萬平.計算流體力學(xué).華中科技大學(xué)出版社.2004.10.

Research on Type Selection for the Anti-Wave Board in Gas Cylinder

Wang Guoqiang, Qiu Hushan
( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd, Shaanxi Xi'an 710200 )

In the process of vehicle acceleration or deceleration, the sloshing of liquefied gas in the gas cylinder will have a certain effect on the safety of the vehicle. In this paper, the two anti-wave board under different liquid level height have been simulated, By comparing the impact time and impact force on the cylinder end, choose appropriate anti-wave board , and as a result, the factors that influence the impact force.

gas cylinder; anti-wave board

U467.3

A

1671-7988 (2017)06-133-03

王國強(qiáng)，工程師，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，研究方向為汽車氣動與熱管理分析。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.06.048