低溫液體運(yùn)輸半掛車(chē)制動(dòng)過(guò)程液體沖擊的研究

王曉東，惠　虎，宮建國(guó)

(華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海　200237)

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設(shè)計(jì)計(jì)算

低溫液體運(yùn)輸半掛車(chē)制動(dòng)過(guò)程液體沖擊的研究

王曉東，惠虎，宮建國(guó)

(華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200237)

摘要：低溫液體運(yùn)輸半掛車(chē)在制動(dòng)過(guò)程中，慣性力對(duì)容器壁面的沖擊會(huì)影響低溫液體的安全運(yùn)輸。采用Fluent的VOF模型，模擬半掛車(chē)制動(dòng)到停車(chē)過(guò)程的力學(xué)響應(yīng)，得到了沖擊力及封頭壓力隨著時(shí)間的關(guān)系,并分析了影響沖擊力的因素，包括加速度和盛裝量。研究結(jié)果表明,在制動(dòng)開(kāi)始時(shí)，液體對(duì)前封頭的沖擊力達(dá)到峰值，隨后達(dá)到穩(wěn)定值；隨著加速度的增加，沖擊力線性增加；當(dāng)盛裝量達(dá)到75%時(shí)，沖擊力達(dá)到最大。

關(guān)鍵詞：制動(dòng)；慣性力；VOF模型；液體沖擊

0引言

隨著低溫工業(yè)的快速發(fā)展，低溫液體容器已經(jīng)成為壓力容器行業(yè)增速最快、發(fā)展最有前景的產(chǎn)業(yè)之一。根據(jù)文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)，在世界范圍內(nèi)移動(dòng)式真空絕熱容器在役數(shù)量已超過(guò)了3萬(wàn)臺(tái)[1]。移動(dòng)式壓力容器主要分為氣瓶和罐車(chē)兩大類(lèi)，其中罐車(chē)又分為鐵路罐車(chē)、汽車(chē)罐車(chē)、低溫氣體運(yùn)輸車(chē)以及罐式集裝箱等4種。但是在我國(guó)使用低溫運(yùn)輸車(chē)是行業(yè)的主流[2]。移動(dòng)式壓力容器在運(yùn)輸過(guò)程中，不僅承受著內(nèi)壓和外壓，還要承受因路況產(chǎn)生的顛簸以及罐車(chē)加速、制動(dòng)導(dǎo)致的液體晃動(dòng)等載荷，對(duì)于運(yùn)輸車(chē)的行駛平穩(wěn)性造成影響[3-5]。而且為了進(jìn)行保溫，低溫運(yùn)輸車(chē)多采用高真空絕熱的方式，內(nèi)外筒體的連接采用八點(diǎn)支撐的結(jié)構(gòu)形式，其中支撐使用的材料為非金屬材料環(huán)氧玻璃鋼。液體晃動(dòng)產(chǎn)生的沖擊載荷不均勻，也會(huì)使得罐車(chē)內(nèi)容器受力不均，對(duì)移動(dòng)式壓力容器具有較為嚴(yán)重的危害。

目前，移動(dòng)式壓力容器的強(qiáng)度分析多采用等效慣性力的方法。無(wú)論是TSG R0005—2011《移動(dòng)式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[6]，還是中國(guó)船級(jí)社的《天然氣燃料動(dòng)力船舶規(guī)范》，慣性力按以下4種情況進(jìn)行等效計(jì)算，即：(1)罐車(chē)縱向：最大充裝質(zhì)量乘以2倍重力加速度；(2)罐車(chē)橫向：最大充裝質(zhì)量乘以1倍重力加速度；(3)垂直向上：最大充裝質(zhì)量乘以1倍重力加速度(此時(shí)不考慮重力載荷)；(4)垂直向下：最大充裝質(zhì)量乘以2倍重力加速度。但是這只是對(duì)于慣性力的簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)于罐車(chē)在各種運(yùn)輸工況下的內(nèi)部液體作用于容器具體的受力狀況不能準(zhǔn)確的給出，所以研究液體晃動(dòng)對(duì)于移動(dòng)式壓力容器的強(qiáng)度分析與設(shè)計(jì)具有重要的工程意義。

本文以某低溫設(shè)備公司設(shè)計(jì)的低溫運(yùn)輸半掛車(chē)為研究對(duì)象，針對(duì)運(yùn)輸過(guò)程中罐車(chē)緊急制動(dòng)直至停車(chē)的運(yùn)輸工況，得到了作用于壁面的壓力隨著時(shí)間的變化關(guān)系，并且研究了不同加速度、不同盛裝量對(duì)于液體晃動(dòng)產(chǎn)生的沖擊力的大小以及作用時(shí)間的影響。通過(guò)流體分析的計(jì)算方法，可以為以后此類(lèi)壓力容器的強(qiáng)度分析提供技術(shù)參考。

1低溫運(yùn)輸半掛車(chē)制動(dòng)過(guò)程沖擊力的力學(xué)分析

液體晃動(dòng)是一種復(fù)雜的流體現(xiàn)象，自由液面時(shí)刻都在發(fā)生變化。對(duì)于低溫壓力容器沖擊力進(jìn)行試驗(yàn)研究，成本較大而且過(guò)程復(fù)雜，一般多采用有限元分析的方法對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析[7-8]。同時(shí)，許多學(xué)者對(duì)于該問(wèn)題提出了計(jì)算模型。對(duì)于兩相流和晃動(dòng)問(wèn)題適用性比較廣泛的是VOF模型，陳志偉等[9-10]利用VOF模型模擬出臥式容器液體晃動(dòng)頻率，與理論值吻合較好，并且研究了在側(cè)翻工況下集裝箱罐車(chē)受液體沖擊的影響。

1.1　數(shù)值模型的簡(jiǎn)化

本文研究的低溫運(yùn)輸半掛車(chē)罐體的幾何尺寸如圖1所示。低溫運(yùn)輸半掛車(chē)內(nèi)徑2000 mm，長(zhǎng)度4860 mm，容積14.2 m3，前后封頭采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。利用ANSYS Workbench建立分析模型，流體區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)罐體的空間。由于低溫半掛車(chē)的結(jié)構(gòu)基本關(guān)于縱向截面對(duì)稱，為了減少計(jì)算量，本文取1/2的流域建立模型。以X軸的正方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)方向，整個(gè)流域的網(wǎng)格劃分采用四面體單元，網(wǎng)格的劃分?jǐn)?shù)量為322603個(gè)，如圖2所示。半掛車(chē)的液體沖擊模擬通過(guò)導(dǎo)入Fluent模塊進(jìn)行計(jì)算。

圖1　罐體的幾何尺寸

(a)

(b)

1.2　邊界條件的施加

本文采用的計(jì)算模型是Fluent中用于計(jì)算多相流的VOF模型，根據(jù)罐車(chē)的設(shè)計(jì)條件和使用情況，邊界條件如下：(1)液相介質(zhì)為液氬，其密度為1393 kg/m3,氣相介質(zhì)為氬氣，液氬的初始盛裝量為92%；(2)設(shè)置罐體壁面和防沖板為剛體；(3)氣相空間的壓力為0.4 MPa；(4)縱向截面采用對(duì)稱邊界；(5)在減速過(guò)程中液體晃動(dòng)模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型；(6)通過(guò)udf(user defined function，用戶自定義函數(shù))設(shè)置半掛車(chē)為運(yùn)輸方向減速行駛，加速度大小為2倍重力加速度，1 s后停車(chē)，提取2.5 s內(nèi)的數(shù)據(jù)。

根據(jù)靜壓力的理論公式P=ρgh，當(dāng)半掛車(chē)勻速行駛時(shí)，內(nèi)筒體壓力分布為P=1393×9.8×1.72=23480.4 Pa。由圖3可以看出，底部最大的靜壓力為2.36×104Pa，結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本相同，表明模型較為合理。

圖3　罐車(chē)制動(dòng)前罐體初始壁面壓強(qiáng)分布

1.3　制動(dòng)模擬結(jié)果分析

氣液兩相的液面及前后封頭受力的結(jié)果如圖4,5所示。

(a)t=0.2 s時(shí)氣液兩相分布(b)t=0.2 s時(shí)罐體壓力分布

(c)　t=2.5 s時(shí)氣液兩相分布　　　　　　　　　　　　　　　　(d)　t=2.5 s時(shí)罐體壓力分布

可以看出，在低溫液體運(yùn)輸半掛車(chē)開(kāi)始制動(dòng)的過(guò)程中，前封頭受到液體沖擊力開(kāi)始迅速增加，在t=0.2 s時(shí)達(dá)到最大；隨后沖擊變小，在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的沖擊力；當(dāng)半掛車(chē)的速度降為0時(shí)，沖擊力迅速減小，并出現(xiàn)小幅波動(dòng)，一定時(shí)間后晃動(dòng)停止后降為零。而后封頭從開(kāi)始制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊力相對(duì)于前封頭較小，并且隨著速度降為零后，沖擊力逐漸在很小的沖擊力下波動(dòng)。而對(duì)于壓力分布，可以看出當(dāng)沖擊力達(dá)到最大時(shí)，壁面的壓力最大為1.39×105Pa，是靜止時(shí)最大壓力的5倍多。

圖5　制動(dòng)過(guò)程前封頭受力情況

2影響制動(dòng)沖擊力的因素

在低溫液體半掛車(chē)加速制動(dòng)過(guò)程中，有很多因素會(huì)影響到罐體內(nèi)液體沖擊力的大小，如加速度、罐體盛裝液體量等。同時(shí)，上述結(jié)果已表明：半掛車(chē)制動(dòng)過(guò)程中，液體對(duì)前封頭的作用最大。本文為了研究每個(gè)因素的影響規(guī)律，先以無(wú)防波板下的加速度與盛裝量?jī)煞N因素對(duì)半掛車(chē)前封頭的液體沖擊力影響進(jìn)行了研究。

2.1　不同制動(dòng)加速度的影響

本文通過(guò)改變函數(shù)的參數(shù)來(lái)改變掛車(chē)的加速度，選取了1g,1.5g和2g三種加速度，得到結(jié)果如圖6所示。可以看出，在2g加速度下，液體的最大沖擊力達(dá)到617752 N，沖擊力達(dá)到峰值后逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。隨著加速度的增大，前封頭短時(shí)間內(nèi)受到的液體最大沖擊力隨之增大，并且呈線性規(guī)律增加，同時(shí)達(dá)到?jīng)_擊力的穩(wěn)定值也隨之增加。

(a)不同加速度前封頭沖擊力隨時(shí)間的變化(b)最大沖擊力隨速度的變化

圖6不同加速度對(duì)前封頭沖擊力的影響

2.2　不同盛裝量的影響

對(duì)于盛裝量的要求，JB/T 4783—2007《低溫液體汽車(chē)罐車(chē)》和JB/T 4784—2007《低溫液體罐式集裝箱》有以下要求：裝運(yùn)易燃介質(zhì)的低溫罐車(chē)，任何情況下可能達(dá)到的充滿率應(yīng)不大于95%；裝運(yùn)不易燃介質(zhì)的低溫罐車(chē)，任何情況下可能達(dá)到的充滿率應(yīng)不大于98%[11-12]。本文采用制動(dòng)加速度為2g，研究盛裝量在50%,65%,75%,85%和92%時(shí)半掛車(chē)的前封頭受力變化情況。

計(jì)算結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯觯S著盛裝量的增加，達(dá)到最大液體沖擊力的時(shí)間提前。對(duì)于某一盛裝量，當(dāng)達(dá)到某一時(shí)刻時(shí)，最終穩(wěn)定在某一數(shù)值，并且穩(wěn)定值隨盛裝量的增加而增大。同時(shí)可以看出，當(dāng)盛裝量在75%之前，盛裝量越大，最大沖擊力越大；當(dāng)盛裝量超過(guò)75%后，盛裝量越大，最大沖擊力逐漸降低。這是因?yàn)椋菏⒀b量較小時(shí)，流體晃動(dòng)導(dǎo)致的沖擊力較小；同時(shí)，盛裝量很大時(shí)，液體晃動(dòng)作用造成的沖擊力會(huì)隨氣相空間的減小而減弱。因此，存在某一盛裝量下液體沖擊力最大，在本例中，沖擊力最大時(shí)對(duì)應(yīng)的盛裝量為75%。

(a)　不同盛裝量前封頭沖擊力隨時(shí)間的變化

(b)　最大沖擊力隨盛裝量的變化

3結(jié)論

本文基于Fluent的VOF模型，分析了低溫運(yùn)輸半掛車(chē)在制動(dòng)過(guò)程中內(nèi)液體因慣性力作用對(duì)罐體封頭的沖擊作用。得到以下結(jié)論：

(1)低溫半掛車(chē)制動(dòng)過(guò)程中，其在短時(shí)間內(nèi)前封頭受力達(dá)到最大，最大達(dá)到靜載時(shí)的5倍(加速度為2倍重力加速度)；隨后沖擊力達(dá)到穩(wěn)定值；當(dāng)車(chē)停止后，罐體前封頭所受到的沖擊力降至某一較低值。

(2)隨著加速度的增加，液體對(duì)前封頭的沖擊力增加，并且沖擊力呈線性增加。

(3)隨著盛裝量的增加，液體對(duì)前封頭的沖擊力在盛裝量低于75%之前增加，并且呈現(xiàn)線性規(guī)律增加；在盛裝量高于75%之后沖擊力開(kāi)始減小，并且隨著盛裝量的增加，最大沖擊力的作用時(shí)間隨之提前。因此，實(shí)際運(yùn)輸過(guò)程中，合理控制盛裝量對(duì)于安全運(yùn)輸較為重要。

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Study on the Impact of Liquid in the Braking Process of a Cryogenic

Liquid Transportation Semi-trailer

WANG Xiao-dong,HUI Hu,GONG Jian-guo

(School of Mechanical and Power Engineering,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China)

Abstract:In the braking process of cryogenic liquid transportation semi-trailer,the vessel wall is subjected to the impact due to inertia force,which affects the safe transportation of cryogenic liquid.This paper is aimed to simulate the mechanical response of semi-trailer in the whole braking process based on the VOF model of Fluent,and to obtain the impact force and the wall pressure history curve.Meanwhile,factors affecting the impact force are studied,including the acceleration and filling volume.The results show that at the beginning of the braking process,the impact force of the head will reach a peak and then a stable value is obtained.Also,as the acceleration increases,the impact force increases linearly and the impact force has a maximum value with the filling volume of 75%.

Key words:brake;inertia;VOF model;impact of liquid

作者簡(jiǎn)介：王曉東(1989-)，男，主要從事壓力容器和管道結(jié)構(gòu)完整性和安全性研究工作，

通信地址:200237上海市梅隴路130號(hào)華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，E-mail:wkingwxd666@163.com。

收稿日期：2015-09-03修稿日期：2015-11-24

基金項(xiàng)目：“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題資助(2011BAK06B02)

doi:10.3969/j.issn.1001-4837.2015.12.003

中圖分類(lèi)號(hào)：TH49;O347.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-4837(2015)12-0013-05