罐车横向运动时液体晃动的仿真分析

李振等

摘 要：通过对罐体进行全尺寸建模模拟，对比研究充液比、密度和黏度对液体晃动的影响。结果表明：罐车横向运动时，液体晃动水击内壁压力随着充液比的增加先增大后减小，充液比为0.4时达到最大；且水击内壁压力随着液体密度的增加而增大，随着液体黏度的增加而减小。当防波板面积大于60%时，最大水击内壁压力顯著降低，防波效果明显。

关键词：罐车；液体晃动；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

罐车部分载荷做横向运动时，罐内液体晃动对罐体产生冲击载荷，使罐车重心偏移，易造成车辆侧滑、侧倾从而引发交通事故。

1刘奎和康宁[1]通过实验与数值模拟相结合的方法，得出防波板面积大于横截面的40%时，增加防波板面积能显著改善罐体受力的结论；孙丽娜等人[2]对罐车紧急制动时的安全性问题进行了研究，得出罐车液体充装率、密度和黏度对罐体水击压强影响。文献[3]采用VOF方法研究了不同充液比、不同防波板面积及不同罐体半径情况下，罐车制动时罐体内液体晃动动力特性。

本文针对罐车转向运动时液体的横向晃动问题，运用VOF方法对罐体内液体的晃动动力学特性进行数值模拟，研究不同充液比、密度、黏度和不同防波板面积对罐体水击压强的影响，以期为提高罐车侧向稳定性提供设计参考。

1 液体晃动水击过程模拟与结果分析

1.1 罐体模型与边界条件确定

本文以某罐车罐体为研究对象，进行全尺寸建模，罐体长度6000mm，端面为圆，半径R=1000mm，罐体壁厚度均为4mm。在进行数值模拟分析时，不考虑罐体变形，设定其内部介质为水和空气。采用Fluent VOF欧拉两相流模型，初始时刻保持静止，上方为空气，下方为水，t=0时，罐体受到横向激励，加速度ɑ=0.8g，持续时间为4s。

1.2 过程参数和液体性能参数对晃动影响

1.2.1 充液比对罐壁液体晃动水击压强影响

充液比是影响罐内液体晃动的重要参数之一。在本文中定义充液比k=h/2R，h为液体深度。通过改变罐内液体的充液比，研究罐车转向过程中罐内液体充液比对液体晃动的影响。充液比分别取0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，共九种工况。

充液比对液体晃动水击内壁压力影响的模拟结果如图1所示。研究结果表明，横向运动过程中液体晃动水击内壁压力先随充液比增加而增大，充液比大于0.4后，液体晃动水击内壁压力随充液比增加而减小，充液比为0.4时，液体晃动水击内壁压力达到最大。

1.2.2 罐内介质特性对罐壁压强影响

液体的主要性能参数是密度和黏度。本文通过改变液体的密度和黏度，研究罐内介质特性对罐壁水击压力的影响。

液体密度分别取500kg/m3，750kg/m3，1000kg/m3，1250kg/m3，1500kg/m3五种情况。数值模拟结果如图2所示，液体晃动水击内壁压力在t=2.3s时达到最大值，且水击内壁压力随着液体密度的增大而增大。

液体黏度分别取0.0001kg/（ms），0.001kg /（ms），0.01kg /（ms），0.1kg/（ms），1kg /（ms）五种情况。数值模拟结果如图3所示，液体晃动水击内壁压力在t=2.6s时达到最大值，且水击内壁压力随着液体黏度的增大而减小。但液体黏度对水击内壁压力的影响远小于密度。

2 不同防波板面积对罐壁冲击压力的影响

文献[4]研究表明布置一块较大面积的防波板即可达到较好的防波效果，但没有具体分析防波板面积对罐壁冲击压力的影响。

《液化气体运输车》中规定，“每个防波板的有效面积应大于罐体横断面积的40%，防波板的安装位置，应使上部弓形面积小于罐体横断面积的20%”，參考以上对横向防波板的尺寸规定，设置纵向防波板高度，示意图如图4所示，S1为纵截面上部空间面积，S2为纵向防波板面积，S3为纵截面下部空间面积。令a=S1/（S1+S2+S3）；b=S2/（S1+S2+S3），应保证a≤0.2；b≥0.4。

在计算不同面积防波板的影响时，为研究方便，令a为定值，b为变量，本文统一取a=0.2，b的取值范围0～0.8。侧向加速度ɑ=0.8g，充液比k=0.5，模拟结果如图5所示。

随着防波板面积的增加，液体晃动水击内壁压力先增大后减小，当b=0.5时，水击内壁压力达到最大值，这是因为液体晃动时受到防波板阻碍后回流，与罐壁冲击的次数增多，使得液体在较为狭小的空间内更快的冲击罐壁，从而使得水击内壁压力剧烈增大。b=0.6时，水击内壁压力大幅度降低，且b=0.6～0.8之间，图5中曲线斜率较小，b=0.6时即可有效抑制液体晃动，取得较好的防波效果。

3 结论

1） 罐车横向运动过程中，水击内壁压力先随着充液比的增加而增大，当充液比大于0.4后，液体晃动水击内壁压力随着充液比的增加而减小，充液比为0.4时，液体晃动水击内壁压力达到最大。

2） 液体晃动水击内壁压力随着液体密度的增加而增大，而随着液体黏度的增加而减小，且液体黏度影响程度远小于密度影响程度。

3） 布置防波板后，能够显著降低水击内壁压力最大值，当防波板面积大于60%后，最大水击内壁压力显著降低，防波效果明显。

参考文献

1 刘奎，康宁.罐车制动时液体晃动的仿真分析[J].北京航空航天大学学报，2009，35 （7）：799-803.

2 孙丽娜，周国发.罐式集装箱液体晃动过程数值模拟研究[J].振动与冲击，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 赵树恩，赵灵鹤.汽车罐车横向运动液体晃动动力学特性模拟[J].应用数学和力学，2014，35（11）：1259-1270.

作者简介

李振（1988-），男，硕士研究生，研究方向：液罐车转向侧向稳定性