?；奋囕v罐內(nèi)液體晃動(dòng)特性分析

時(shí) 磊，夏晶晶，陸 建，朱惠子

(淮陰工學(xué)院 交通工程學(xué)院，江蘇 淮安 223001)

?；愤\(yùn)輸車載重大、質(zhì)心高，在轉(zhuǎn)向過程中由于罐內(nèi)介質(zhì)會(huì)橫向晃動(dòng)，其側(cè)傾力呈非線性變化，相較于同等載重車輛極易發(fā)生側(cè)翻。諸多學(xué)者對(duì)運(yùn)輸介質(zhì)橫向晃動(dòng)問題進(jìn)行了研究，陳益苞[1]對(duì)不同橫截面形狀的罐體進(jìn)行仿真分析，對(duì)罐體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在一定程度上降低了液體晃動(dòng)的幅度。張明遠(yuǎn)[2]對(duì)在不同充液比、不同側(cè)向加速度下運(yùn)輸介質(zhì)對(duì)罐壁產(chǎn)生的沖擊力進(jìn)行了分析。何烈云[3]以罐體橫截面為研究對(duì)象，建立了罐車側(cè)翻的臨界準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)模型。任園園[4]建立了液體晃動(dòng)的等效機(jī)械模型，推導(dǎo)出非慣性參考標(biāo)準(zhǔn)下的鐘擺動(dòng)力學(xué)方程。

諸多研究并沒有考慮防波板以及不同運(yùn)輸介質(zhì)對(duì)液體晃動(dòng)所造成的影響，本文對(duì)運(yùn)輸介質(zhì)以及橫向防波板安裝位置進(jìn)行了深入分析，通過Fluent仿真分析了其對(duì)?；奋囕v罐內(nèi)液體晃動(dòng)所造成的影響，為?；奋囕v的防側(cè)翻研究提供理論支撐。

1 流體數(shù)值模型建立

1.1 流體模型建立

以某實(shí)際圓柱形罐體?；奋囕v為研究對(duì)象,其罐體長(zhǎng)11.4 m，半徑1.01 m，壁厚為0.01 m，罐車模型簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 罐車模型簡(jiǎn)圖

利用Solidworks對(duì)罐體進(jìn)行三維模型建立，為了減少非必要因素對(duì)仿真造成影響，提高計(jì)算速度，忽略了封頭、人孔等組件。將繪制的模型導(dǎo)入Fluent中，抽取流體域后對(duì)流體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用六面體網(wǎng)格，最小尺寸為0.1 m，網(wǎng)格數(shù)為105 327個(gè)。流體域網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 流體域網(wǎng)格模型

1.2 理論基礎(chǔ)

流體流動(dòng)必須要遵循物理守恒定律[5]。一般的流體可通過以下的控制方程來表示。

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

其中，t代表示時(shí)間，ff是體積力矢量。ρf表示的是流體密度，v是流體速度矢量，τf是剪切力張量。

1.3 求解設(shè)置

在Fluent中設(shè)置氣液面與x-z面平行,湍流模型為k-ε模型，壓力速度耦合方法為PISO，采用一階迎風(fēng)格式控制流體方程離散，設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)為0.01S，共計(jì)算400步。

2 流體數(shù)值模型仿真

2.1 運(yùn)輸介質(zhì)分析

運(yùn)輸介質(zhì)由于其密度與粘度不同，其晃動(dòng)程度也不相同。選擇常見的介質(zhì)作為研究對(duì)象，其主要參數(shù)如表1所示：

表1 運(yùn)輸介質(zhì)屬性

假設(shè)罐體(無防波板)充液比50%，?；奋囕v從0時(shí)刻開始轉(zhuǎn)向，設(shè)橫向加速度5.5 m/s2，方向?yàn)閤軸負(fù)方向，則罐體所受側(cè)傾力沿x軸正向。為便于分析不同密度液體的沖擊特性[6]，作出5種不同的運(yùn)輸介質(zhì)對(duì)罐壁造成壓力隨時(shí)間變化關(guān)系如圖3所示。

圖3 不同介質(zhì)側(cè)傾力對(duì)比圖

結(jié)合圖3，不同的?；菲錂M向運(yùn)動(dòng)規(guī)律基本相同，水的晃動(dòng)比其他液態(tài)?；犯ち?。為了便于分析，選擇水為研究介質(zhì)，從Fluent中提取出幾個(gè)極限時(shí)刻的相位云圖，結(jié)合圖3，圖4所示，在罐車轉(zhuǎn)向的極短時(shí)間內(nèi)，由于離心力作用液體迅速涌向罐壁的一側(cè)，造成其側(cè)向力迅速增大，在0.5 s左右，從云圖看出罐內(nèi)液體迅速涌向一側(cè)，側(cè)向力達(dá)到峰值，且峰值越大，晃動(dòng)越激烈。受到另一側(cè)罐壁的阻擋之后，其側(cè)向力逐步減小，在1.5 s左右達(dá)到最小值，此時(shí)相位云圖顯示罐內(nèi)液體分布較為均勻，至此為一個(gè)晃動(dòng)周期，如此反復(fù)運(yùn)動(dòng)至晃動(dòng)停止。

圖4 極限時(shí)刻相位云圖

陳志偉等[7]指出介質(zhì)粘度對(duì)介質(zhì)晃動(dòng)帶來的側(cè)傾力影響較小。結(jié)合表1，介質(zhì)的密度影響了晃動(dòng)程度，為了深入研究其關(guān)系，繪制不同介質(zhì)所受最大側(cè)傾力與最小側(cè)傾力的差值隨密度變化的響應(yīng)曲線，如圖5所示。

可以看出密度ρ(kg/m3)與F(KN)呈正比關(guān)系，對(duì)圖5數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，其關(guān)系式為F=142ρ。由此可知，粘度對(duì)液體晃動(dòng)影響較小，密度越大，所受側(cè)傾力也越大，液體晃動(dòng)越劇烈。

圖5 密度與側(cè)傾力差值關(guān)系

2.2 充液比和防波板安裝位置分析

首先確定轉(zhuǎn)向時(shí)不同充液比對(duì)?；奋囕v帶來的影響，將液體晃動(dòng)的側(cè)向力過圖1點(diǎn)P且平行Z軸的軸線L求矩[8]，記為M1?？哲噷?duì)軸線L產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為M2。則?；奋囕v所受的轉(zhuǎn)矩M=M1+M2。當(dāng)M>0，M越大則行駛穩(wěn)定性較高。為了方便分析，本文僅研究液體晃動(dòng)所造成的側(cè)向轉(zhuǎn)矩。圖3可以看出水可以模擬?；坊蝿?dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以水為研究介質(zhì)，設(shè)置充液比為50%～90%，橫向加速度為5.5 m/s2?；蝿?dòng)產(chǎn)生的側(cè)向力與側(cè)向轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化曲線如圖6、7所示。

圖6 不同充液比罐壁所受側(cè)向力

結(jié)合圖6，充液比在50%～70%時(shí)，液體晃動(dòng)得較為劇烈，且側(cè)向力隨著充液比的增大而增大。結(jié)合圖7，當(dāng)充液比在50%～60%，液體晃動(dòng)造成的轉(zhuǎn)矩變化幅度較大，這是因?yàn)楣摅w內(nèi)有較大部分空隙，當(dāng)側(cè)向力較大，質(zhì)心偏移較大，所造成的轉(zhuǎn)矩也變化較大。對(duì)于本文研究的罐車要盡量避免充液比在50%～60%。

圖7 不同充液比側(cè)向力轉(zhuǎn)矩

現(xiàn)有研究對(duì)抑制介質(zhì)橫向晃動(dòng)的防波板較少，分析上部與底部安裝防波板對(duì)介質(zhì)晃動(dòng)的抑制效果，防波板高度為1.2 m。以水為研究介質(zhì)，為了方便分析且能保證防波板能與介質(zhì)接觸，設(shè)置充液比為50%、60%、70%、80%、90%，橫向加速度為5.5 m/s2。繪制了不同防波板安裝位置罐壁所受側(cè)向力與無防波板時(shí)所受側(cè)向力隨時(shí)間變化的曲線。如圖8、圖9所示。

圖8 不同充液比頂部安裝防波板對(duì)比曲線

圖9 不同充液比底部安裝防波板對(duì)比曲線

結(jié)合圖8、9可得出：當(dāng)充液比在50%～80%，無防波板和頂部防波板罐壁所受側(cè)傾力數(shù)值起伏較大，在80%以上起伏較小。而底部防波板側(cè)傾力數(shù)值在50%～90%起伏較小。與無防波板比較，有防波板罐壁所受側(cè)傾力數(shù)值起伏較小，防波板對(duì)液體晃動(dòng)起到一定抑制作用。當(dāng)罐體安裝防波板時(shí)，各充液比下側(cè)傾力數(shù)值起伏都較小，且在0.5 s左右側(cè)向力達(dá)到峰值，這是由于橫向防波板阻礙了部分液體對(duì)一側(cè)罐壁的直接撞擊，縮短了液體的回流自由行程。

為了比較兩種防波板安裝位置罐體對(duì)液體晃動(dòng)的抑制效果，作出了兩種罐體的罐壁所受側(cè)傾力對(duì)比曲線，如圖10所示，不同充液比下側(cè)向力對(duì)比曲線，得出當(dāng)充液比為50%～70%底部安裝防波板的罐壁所受側(cè)傾力差值較小，且最大側(cè)傾力均小于頂部安裝防波板的罐體，相比之下液體晃動(dòng)較為平緩。當(dāng)充液比在80%以上，雖然兩種罐體的罐壁所受最大側(cè)傾力基本相同，但是頂部安裝防波板罐壁所受側(cè)傾力變化幅度較小，相較于底部安裝防波板的罐體，液體晃動(dòng)較為平緩。

圖10 不同充液比兩種防波板安裝位置對(duì)比曲線

3 結(jié)論

(1)通過對(duì)比5種不同的運(yùn)輸介質(zhì)在相同充液比、相同加速度下的側(cè)向力曲線變化，分析得出運(yùn)輸介質(zhì)的密度越大，其晃動(dòng)幅度越大。對(duì)于無防波板罐體，充液比在50%～60%其晃動(dòng)幅度最大，應(yīng)盡量避免充液比在這個(gè)區(qū)間。充液比在80%以上晃動(dòng)幅度較小。

(2)當(dāng)防波板安裝在頂部時(shí)，通過設(shè)置不同充液比、相同側(cè)向加速度，防波板與液體接觸面積達(dá)到其橫截面積50%以上其防晃效果最好。

(3)當(dāng)防波板安裝在底部時(shí)，通過設(shè)置不同充液比、相同側(cè)向加速度，防波板與液體接觸面積達(dá)到其橫截面積117%以下其防晃效果最好。