時 磊，夏晶晶，陸 建，朱惠子

(淮陰工學院 交通工程學院，江蘇 淮安 223001)

?；愤\輸車載重大、質(zhì)心高，在轉(zhuǎn)向過程中由于罐內(nèi)介質(zhì)會橫向晃動，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。諸多學者對運輸介質(zhì)橫向晃動問題進行了研究，陳益苞[1]對不同橫截面形狀的罐體進行仿真分析，對罐體結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，在一定程度上降低了液體晃動的幅度。張明遠[2]對在不同充液比、不同側(cè)向加速度下運輸介質(zhì)對罐壁產(chǎn)生的沖擊力進行了分析。何烈云[3]以罐體橫截面為研究對象，建立了罐車側(cè)翻的臨界準靜態(tài)力學模型。任園園[4]建立了液體晃動的等效機械模型，推導出非慣性參考標準下的鐘擺動力學方程。

諸多研究并沒有考慮防波板以及不同運輸介質(zhì)對液體晃動所造成的影響，本文對運輸介質(zhì)以及橫向防波板安裝位置進行了深入分析，通過Fluent仿真分析了其對?；奋囕v罐內(nèi)液體晃動所造成的影響，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

以某實際圓柱形罐體危化品車輛為研究對象,其罐體長11.4 m，半徑1.01 m，壁厚為0.01 m，罐車模型簡圖如圖1所示。

圖1 罐車模型簡圖

利用Solidworks對罐體進行三維模型建立，為了減少非必要因素對仿真造成影響，提高計算速度，忽略了封頭、人孔等組件。將繪制的模型導入Fluent中，抽取流體域后對流體模型進行網(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。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：

動量守恒方程：

其中，t代表示時間，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，采用一階迎風格式控制流體方程離散，設(shè)置時間步長為0.01S，共計算400步。

2 流體數(shù)值模型仿真

2.1 運輸介質(zhì)分析

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

表1 運輸介質(zhì)屬性

假設(shè)罐體(無防波板)充液比50%，?；奋囕v從0時刻開始轉(zhuǎn)向，設(shè)橫向加速度5.5 m/s2，方向為x軸負方向，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種不同的運輸介質(zhì)對罐壁造成壓力隨時間變化關(guān)系如圖3所示。

圖3 不同介質(zhì)側(cè)傾力對比圖

結(jié)合圖3，不同的?；菲錂M向運動規(guī)律基本相同，水的晃動比其他液態(tài)?；犯ち?。為了便于分析，選擇水為研究介質(zhì)，從Fluent中提取出幾個極限時刻的相位云圖，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)向力達到峰值，且峰值越大，晃動越激烈。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左右達到最小值，此時相位云圖顯示罐內(nèi)液體分布較為均勻，至此為一個晃動周期，如此反復運動至晃動停止。

圖4 極限時刻相位云圖

陳志偉等[7]指出介質(zhì)粘度對介質(zhì)晃動帶來的側(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，對圖5數(shù)據(jù)點進行擬合，其關(guān)系式為F=142ρ。由此可知，粘度對液體晃動影響較小，密度越大，所受側(cè)傾力也越大，液體晃動越劇烈。

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)向時不同充液比對危化品車輛帶來的影響，將液體晃動的側(cè)向力過圖1點P且平行Z軸的軸線L求矩[8]，記為M1。空車對軸線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所造成的側(cè)向轉(zhuǎn)矩。圖3可以看出水可以模擬?；坊蝿拥倪\動規(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?；蝿赢a(chǎn)生的側(cè)向力與側(cè)向轉(zhuǎn)矩隨時間變化曲線如圖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，液體晃動得較為劇烈，且側(cè)向力隨著充液比的增大而增大。結(jié)合圖7，當充液比在50%～60%，液體晃動造成的轉(zhuǎn)矩變化幅度較大，這是因為罐體內(nèi)有較大部分空隙，當側(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)有研究對抑制介質(zhì)橫向晃動的防波板較少，分析上部與底部安裝防波板對介質(zhì)晃動的抑制效果，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)向力與無防波板時所受側(cè)向力隨時間變化的曲線。如圖8、圖9所示。

圖8 不同充液比頂部安裝防波板對比曲線

圖9 不同充液比底部安裝防波板對比曲線

結(jié)合圖8、9可得出：當充液比在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，防波板對液體晃動起到一定抑制作用。當罐體安裝防波板時，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)向力達到峰值，這是由于橫向防波板阻礙了部分液體對一側(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液體晃動的抑制效果，作出了兩種罐體的罐壁所受側(cè)傾力對比曲線，如圖10所示，不同充液比下側(cè)向力對比曲線，得出當充液比為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，相比之下液體晃動較為平緩。當充液比在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，液體晃動較為平緩。

圖10 不同充液比兩種防波板安裝位置對比曲線

3 結(jié)論

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

(2)當防波板安裝在頂部時，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到其橫截面積50%以上其防晃效果最好。

(3)當防波板安裝在底部時，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到其橫截面積117%以下其防晃效果最好。