垂直隔板抑制液體晃蕩的試驗研究

作者簡介：劉子瑞，男，四川成都人，碩士研究生，研究方向：水力學及河流動力學。

通訊作者：唐戀，女，四川德陽人，助理研究員，博士，研究方向：水力學及海岸工程。

摘要：液體晃蕩是一種帶有自由表面的流體在容器中的受迫性運動，幾乎任何外部的擾動都能引起充液容器內的液體晃蕩。工程實踐中常在容器中加入隔板來抑制液體晃蕩。在固定水深為18 cm的矩形液艙中，分別設計9 cm、13.5 cm、18 cm 3種不同高度的隔板，研究底部固定浸入式和自由表面漂浮式2種固定方式對矩形容器在橫蕩共振運動激勵下箱內液體晃蕩的自由表面高程響應的影響。研究發(fā)現在3種高度的垂直隔板中，18 cm高度的隔板的減阻效果最好，另外9 cm高度的隔板采用自由表面漂浮式隔板比底部固定浸入式更能有效抑制液體晃蕩;而高度為13.5cm的隔板2種安裝方式抑制液體晃動的效果相差不大。

關鍵詞：液體晃蕩;垂直隔板;試驗研究;自由液面高程;減晃

液體晃蕩是一種典型的流固耦合問題，Abramson［1］應用勢流假設及線性波理論對圓柱形和球形容器內的液體晃蕩現象進行了理論分析，預測了由液體晃蕩引起的動壓對燃油箱結構的影響，在陸地、海洋及空中液體儲運系統(tǒng)中均有重要的應用，例如陸上液體運輸交通工具、高架水塔等。Faltinsen［2］針對矩形容器在水平小振幅簡諧激勵下受迫晃蕩問題，通過線性勢流理論得到解析解，并結合邊界元法進行了驗證。Hayama基于勢流假設利用攝動法給出了矩形容器中液體晃蕩的非線性晃蕩響應解析解。方智勇等基于Levelset法對矩形液艙的液體晃蕩進行數值模擬，得到液面起伏和壓強的時間歷時。Liu and Lin開發(fā)了一個基于有限差分法求解空間平均 NS 方程的三維氣液兩相流數值模型用于研究具有自由液面破碎現象的三維非線性液體晃蕩。在該模型中利用大渦模擬方法模擬了紊流的作用，同時采用二階精度的流體體積法追蹤破碎或畸變的自由液面。

工程實踐中往往通過安裝隔板來達到減晃的作用。Lloyd等利用試驗研究了各種類型隔板和數量對減小公路運輸容器中液體晃蕩的作用，指出穿孔隔板和其他類型的隔板相比能夠更有效地減小液體晃蕩沖擊力。薛米安等通過試驗研究探索不同開孔率隔板對液體晃蕩波高和壓強大小的衰減作用。Xue和Lin開展物理模型試驗對4種不同隔板的減晃效應進行了分析，試驗發(fā)現，自由面隔板和開孔隔板在減小晃蕩效應中更有效，通過改變不同的外激勵頻率，得到了晃蕩壓強與外激勵頻率的響應曲線。

為進一步研究不同安裝方式和不同高度的隔板對液體晃蕩的抑制作用，本試驗通過采用底部固定浸入式和自由表面漂浮式2種方式，并通過改變隔板的高度研究不同隔板對液體晃蕩波高的抑制作用。

1液體晃蕩試驗裝置

該試驗研究在四川大學山區(qū)河流保護與治理全國重點實驗室開展。在試驗過程中，矩形液艙被固定在一個可以提供六自由度運動的晃動平臺上。通過平臺操作系統(tǒng)可設置不同的激勵頻率、激勵幅值等參數，從而實現六自由度簡諧運動和隨機激勵下的液體晃動。試驗中使用的矩形液艙由透明有機玻璃制成，內部尺寸為L=600 mm長，B=150 mm寬，H=600 mm高，液艙模型艙壁的厚度為10 mm，為確保矩形液艙中的液體晃動是二維性，晃動液艙的尺寸設計為L/B=4。液艙中水深h=18 cm，根據最低階固有頻率公式ω0=g（π/L）tanh［（π/L）h］，則系統(tǒng)的最低階固有頻率為ω0=6.15 rad/s，矩形液艙被固定在平臺中央，液艙模型假定為剛性結構。

本試驗研究為了探究不同高度和不同安裝方式的垂直隔板對液體晃蕩的抑制效果，在液艙兩側分別安裝2支浪高儀，其中一支距離側邊壁1 cm，一支距離側邊壁10 cm，用于測測自由表面隨著晃蕩過程的歷時曲線。垂直隔板高度分別為9 cm、13.5 cm、18 cm（Hb/h=0.5、0.75、1），安裝方式分別為底部固定浸入式和自由表面漂浮式，如圖1所示。每次試驗前均對晃動平臺、波高儀等進行校準確定，以確保試驗結果的準確性。

2試驗結果分析

2.1不同高度的垂直隔板對液體晃蕩的抑制效果

為了體現垂直隔板對液體晃蕩的抑制作用，探討垂直隔板的減晃作用機理，在保證其他參數不變的情況下，箱體固定在晃動平臺上按照正弦曲線x=Asinwt的規(guī)律做簡諧運動，其中外激勵振幅A=20 mm，外激勵頻率ω=ω0=6.15 rad/s。同時水深設計為18 cm，觀察液艙中安裝為底部浸入式，所用隔板高度分別為9 cm、13.5 cm、18 cm，液體晃蕩自由液面高程隨時間的變化關系，所得結果如圖2所示。

由圖2可知，當垂直隔板完全浸入式固定在底部時能夠影響到液體晃蕩的劇烈程度，在經歷短時間的瞬態(tài)過程后達到一個晃蕩幅度相對較小的穩(wěn)態(tài)。且隨著隔板高度Hb值的變大，垂直隔板上方逐漸接近水面，自由液面波動幅度逐漸變小，晃蕩初期的瞬態(tài)時間歷程更短，幅度更小。當垂直隔板的高度等于箱體液體自由表面附近時晃蕩幅度達到最小，也就是說安裝在箱體中央的底部固定浸入式在高度等于自由表面時能夠最大程度地抑制液體晃蕩。

2.2不同安裝方式的垂直隔板對液體晃蕩的抑制效果

為了分析不同安裝方式的垂直隔板對液體晃蕩的抑制效果，在保持其他參數不變的情況下，通過改變垂直隔板的位置研究底部固定浸入式和自由表面漂浮式2種安裝方式對液體晃蕩自由液面高程的影響。箱體固定在晃動平臺上按照正弦曲線x=Asinwt的規(guī)律做簡諧運動，其中外激勵振幅A=20 mm，外激勵頻率ω=ω0=6.15 rad/s。同時水深設計為18 cm，所用隔板高度分別為9 cm、13.5 cm，觀察液艙中分別安裝為底部固定浸入式和自由表面漂浮式時液體晃蕩自由液面高程隨時間的變化關系，所得結果如圖3、圖4所示。

由圖3的結果可知，在同為9 cm高度的垂直隔板作用下，可發(fā)現安裝自由表面漂浮式隔板的自由液面高程時間歷程圖在經過短時間瞬態(tài)過程后會達到一個比安裝底部固定浸入式隔板晃蕩幅度更小的穩(wěn)態(tài)。特別是晃蕩開始初期即瞬態(tài)階段，自由表面漂浮式隔板擁有更短時間長度的瞬態(tài)過程，從工程實踐角度看，自由表面漂浮式比底部固定浸入式更能有效抑制液體晃蕩，減晃效果更為良好。

由圖4的結果可知，在高度為13.5 cm高度的垂直隔板作用下，發(fā)現安裝自由表面漂浮式隔板的自由液面高程時間歷程圖在經過短時間瞬態(tài)過程后會達到一個接近安裝底部固定浸入式隔板晃蕩幅度的穩(wěn)態(tài)高度，并且2種安裝方式在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)結果差異并不大。

3結論

建立了液體晃蕩試驗研究平臺及組建相應的測量系統(tǒng)，該平臺的主要優(yōu)點是能夠精確地控制試驗平臺的運動規(guī)律且具有較好的重復性。同時，六自由度晃動平臺能夠準確地模擬不規(guī)則的運動，為進一步研究在海洋波浪中行駛的液體運輸船舶的動態(tài)響應提供了基礎。利用液體晃蕩試驗研究平臺對2種不同高度的垂直隔板以及2種隔板不同安裝位置在液體晃蕩中的減晃效果進行了比較研究，通過改變內部隔板布置及尺寸等探討了這些因素對液體晃蕩減晃效果的影響。

試驗發(fā)現，在同樣安裝方式下，18 cm隔板比9 cm、13.5 cm具有更好的減晃效果，能夠明顯地減少自由表面高程的晃動幅度。另外，當隔板高度為9 cm時，自由表面漂浮式比底部固定浸入式更能有效抑制液體晃蕩，并且這種抑制效果為全過程歷時階段，自由表面漂浮式擁有更小自由液面幅度的穩(wěn)態(tài)，以及歷時更短的瞬態(tài)。當隔板高度為13.5 cm時，自由表面漂浮式和底部固定浸入式抑制液體晃蕩的效果差異不大，在穩(wěn)態(tài)階段的自由液面幅度基本一致，瞬態(tài)階段的時間歷時基本相同。

參考文獻：

［1］方智勇.基于Levelset法的液體晃蕩與彈性結構耦合作用研究［D］.鎮(zhèn)江：江蘇科技大學，2006.

［2］薛米安，彭天成，朱愛蒙，等.垂直隔板開孔率對液體晃蕩影響的試驗［J］.河海大學學報（自然科學版），2022，50（2）：2330.

作者簡介：劉子瑞，男，四川成都人，碩士研究生，研究方向：水力學及河流動力學。

通訊作者：唐戀，女，四川德陽人，助理研究員，博士，研究方向：水力學及海岸工程。