垂直隔板抑制液体晃荡的试验研究

作者简介：刘子瑞，男，四川成都人，硕士研究生，研究方向：水力学及河流动力学。

通讯作者：唐恋，女，四川德阳人，助理研究员，博士，研究方向：水力学及海岸工程。

摘要：液体晃荡是一种带有自由表面的流体在容器中的受迫性运动，几乎任何外部的扰动都能引起充液容器内的液体晃荡。工程实践中常在容器中加入隔板来抑制液体晃荡。在固定水深为18 cm的矩形液舱中，分别设计9 cm、13.5 cm、18 cm 3种不同高度的隔板，研究底部固定浸入式和自由表面漂浮式2种固定方式对矩形容器在横荡共振运动激励下箱内液体晃荡的自由表面高程响应的影响。研究发现在3种高度的垂直隔板中，18 cm高度的隔板的减阻效果最好，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体晃荡;而高度为13.5cm的隔板2种安装方式抑制液体晃动的效果相差不大。

关键词：液体晃荡;垂直隔板;试验研究;自由液面高程;减晃

液体晃荡是一种典型的流固耦合问题，Abramson［1］应用势流假设及线性波理论对圆柱形和球形容器内的液体晃荡现象进行了理论分析，预测了由液体晃荡引起的动压对燃油箱结构的影响，在陆地、海洋及空中液体储运系统中均有重要的应用，例如陆上液体运输交通工具、高架水塔等。Faltinsen［2］针对矩形容器在水平小振幅简谐激励下受迫晃荡问题，通过线性势流理论得到解析解，并结合边界元法进行了验证。Hayama基于势流假设利用摄动法给出了矩形容器中液体晃荡的非线性晃荡响应解析解。方智勇等基于Levelset法对矩形液舱的液体晃荡进行数值模拟，得到液面起伏和压强的时间历时。Liu and Lin开发了一个基于有限差分法求解空间平均 NS 方程的三维气液两相流数值模型用于研究具有自由液面破碎现象的三维非线性液体晃荡。在该模型中利用大涡模拟方法模拟了紊流的作用，同时采用二阶精度的流体体积法追踪破碎或畸变的自由液面。

工程实践中往往通过安装隔板来达到减晃的作用。Lloyd等利用试验研究了各种类型隔板和数量对减小公路运输容器中液体晃荡的作用，指出穿孔隔板和其他类型的隔板相比能够更有效地减小液体晃荡冲击力。薛米安等通过试验研究探索不同开孔率隔板对液体晃荡波高和压强大小的衰减作用。Xue和Lin开展物理模型试验对4种不同隔板的减晃效应进行了分析，试验发现，自由面隔板和开孔隔板在减小晃荡效应中更有效，通过改变不同的外激励频率，得到了晃荡压强与外激励频率的响应曲线。

为进一步研究不同安装方式和不同高度的隔板对液体晃荡的抑制作用，本试验通过采用底部固定浸入式和自由表面漂浮式2种方式，并通过改变隔板的高度研究不同隔板对液体晃荡波高的抑制作用。

1液体晃荡试验装置

该试验研究在四川大学山区河流保护与治理全国重点实验室开展。在试验过程中，矩形液舱被固定在一个可以提供六自由度运动的晃动平台上。通过平台操作系统可设置不同的激励频率、激励幅值等参数，从而实现六自由度简谐运动和随机激励下的液体晃动。试验中使用的矩形液舱由透明有机玻璃制成，内部尺寸为L=600 mm长，B=150 mm宽，H=600 mm高，液舱模型舱壁的厚度为10 mm，为确保矩形液舱中的液体晃动是二维性，晃动液舱的尺寸设计为L/B=4。液舱中水深h=18 cm，根据最低阶固有频率公式ω0=g（π/L）tanh［（π/L）h］，则系统的最低阶固有频率为ω0=6.15 rad/s，矩形液舱被固定在平台中央，液舱模型假定为刚性结构。

本试验研究为了探究不同高度和不同安装方式的垂直隔板对液体晃荡的抑制效果，在液舱两侧分别安装2支浪高仪，其中一支距离侧边壁1 cm，一支距离侧边壁10 cm，用于测测自由表面随着晃荡过程的历时曲线。垂直隔板高度分别为9 cm、13.5 cm、18 cm（Hb/h=0.5、0.75、1），安装方式分别为底部固定浸入式和自由表面漂浮式，如图1所示。每次试验前均对晃动平台、波高仪等进行校准确定，以确保试验结果的准确性。

2试验结果分析

2.1不同高度的垂直隔板对液体晃荡的抑制效果

为了体现垂直隔板对液体晃荡的抑制作用，探讨垂直隔板的减晃作用机理，在保证其他参数不变的情况下，箱体固定在晃动平台上按照正弦曲线x=Asinwt的规律做简谐运动，其中外激励振幅A=20 mm，外激励频率ω=ω0=6.15 rad/s。同时水深设计为18 cm，观察液舱中安装为底部浸入式，所用隔板高度分别为9 cm、13.5 cm、18 cm，液体晃荡自由液面高程随时间的变化关系，所得结果如图2所示。

由图2可知，当垂直隔板完全浸入式固定在底部时能够影响到液体晃荡的剧烈程度，在经历短时间的瞬态过程后达到一个晃荡幅度相对较小的稳态。且随着隔板高度Hb值的变大，垂直隔板上方逐渐接近水面，自由液面波动幅度逐渐变小，晃荡初期的瞬态时间历程更短，幅度更小。当垂直隔板的高度等于箱体液体自由表面附近时晃荡幅度达到最小，也就是说安装在箱体中央的底部固定浸入式在高度等于自由表面时能够最大程度地抑制液体晃荡。

2.2不同安装方式的垂直隔板对液体晃荡的抑制效果

为了分析不同安装方式的垂直隔板对液体晃荡的抑制效果，在保持其他参数不变的情况下，通过改变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种安装方式对液体晃荡自由液面高程的影响。箱体固定在晃动平台上按照正弦曲线x=Asinwt的规律做简谐运动，其中外激励振幅A=20 mm，外激励频率ω=ω0=6.15 rad/s。同时水深设计为18 cm，所用隔板高度分别为9 cm、13.5 cm，观察液舱中分别安装为底部固定浸入式和自由表面漂浮式时液体晃荡自由液面高程随时间的变化关系，所得结果如图3、图4所示。

由图3的结果可知，在同为9 cm高度的垂直隔板作用下，可发现安装自由表面漂浮式隔板的自由液面高程时间历程图在经过短时间瞬态过程后会达到一个比安装底部固定浸入式隔板晃荡幅度更小的稳态。特别是晃荡开始初期即瞬态阶段，自由表面漂浮式隔板拥有更短时间长度的瞬态过程，从工程实践角度看，自由表面漂浮式比底部固定浸入式更能有效抑制液体晃荡，减晃效果更为良好。

由图4的结果可知，在高度为13.5 cm高度的垂直隔板作用下，发现安装自由表面漂浮式隔板的自由液面高程时间历程图在经过短时间瞬态过程后会达到一个接近安装底部固定浸入式隔板晃荡幅度的稳态高度，并且2种安装方式在瞬态和稳态结果差异并不大。

3结论

建立了液体晃荡试验研究平台及组建相应的测量系统，该平台的主要优点是能够精确地控制试验平台的运动规律且具有较好的重复性。同时，六自由度晃动平台能够准确地模拟不规则的运动，为进一步研究在海洋波浪中行驶的液体运输船舶的动态响应提供了基础。利用液体晃荡试验研究平台对2种不同高度的垂直隔板以及2种隔板不同安装位置在液体晃荡中的减晃效果进行了比较研究，通过改变内部隔板布置及尺寸等探讨了这些因素对液体晃荡减晃效果的影响。

试验发现，在同样安装方式下，18 cm隔板比9 cm、13.5 cm具有更好的减晃效果，能够明显地减少自由表面高程的晃动幅度。另外，当隔板高度为9 cm时，自由表面漂浮式比底部固定浸入式更能有效抑制液体晃荡，并且这种抑制效果为全过程历时阶段，自由表面漂浮式拥有更小自由液面幅度的稳态，以及历时更短的瞬态。当隔板高度为13.5 cm时，自由表面漂浮式和底部固定浸入式抑制液体晃荡的效果差异不大，在稳态阶段的自由液面幅度基本一致，瞬态阶段的时间历时基本相同。

参考文献：

［1］方智勇.基于Levelset法的液体晃荡与弹性结构耦合作用研究［D］.镇江：江苏科技大学，2006.

［2］薛米安，彭天成，朱爱蒙，等.垂直隔板开孔率对液体晃荡影响的试验［J］.河海大学学报（自然科学版），2022，50（2）：2330.

作者简介：刘子瑞，男，四川成都人，硕士研究生，研究方向：水力学及河流动力学。

通讯作者：唐恋，女，四川德阳人，助理研究员，博士，研究方向：水力学及海岸工程。