趙明瀚，王 鐵

（沈陽(yáng)理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159）

液體晃蕩研究最先出現(xiàn)在航天領(lǐng)域，隨后在各種充液系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。擋板對(duì)于充液系統(tǒng)來說是必不可少的，油箱中的擋板能夠防止在崎嶇路面，由于液體顛簸而吸入空氣。對(duì)于大型載液車輛來說，能夠抑制內(nèi)部液體晃蕩，避免側(cè)翻。目前研究液體晃蕩的普遍三種方法為理論研究、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)研究。其中數(shù)值模擬由于準(zhǔn)確性高、方便、實(shí)時(shí)等特性被廣泛應(yīng)用。文章將采用數(shù)值模擬的方法對(duì)于不同縱向擋板的梯形液艙的晃蕩情況進(jìn)行模擬，對(duì)比不同數(shù)量擋板對(duì)于液體晃蕩抑制的效能。

1 模型介紹

圖1為擋板模型尺寸圖，圖1(a)為單擋板模型，下半部分為液體，黑色為擋板，下部寬度為0.8 m，上部寬度為1.2 m，梯形部分長(zhǎng)為0.2 m，高為0.24 m擋板，寬度為0.05 m，布置在水箱下部中間位置，液體部分的高度為0.4 m。圖1(b)將單擋板模型改為雙擋板模型，圖1(c)將單擋板模型改為三擋板模型，擋板位于底部等距分布。

其中1，2，3，4為四個(gè)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其具體坐標(biāo)如表1所示。

2 數(shù)值模擬

2.1 VOF方法

流體體積函數(shù)（Volume-Of-Fluid,VOF）方法是通過體積比的函數(shù)的方式來確定自由液面變化的，在F=1的網(wǎng)格單元中為純?cè)O(shè)定流體，在F=0的網(wǎng)格單元中無(wú)設(shè)定流體，一般設(shè)定為空氣。0＜F＜1的網(wǎng)格單元也叫作交界面網(wǎng)格單元。在流場(chǎng)中任意一點(diǎn)（,），其定義函數(shù)F（,,）為

F的狀態(tài)的傳輸方程為

2.2 PISO算法

壓力-速度耦合（Pressure-Implicit with Splitting of Operators, PISO）算法是計(jì)算瞬態(tài)不可壓縮液體流動(dòng)的一種算法。PISO算法速度場(chǎng)由速度修正方程修正后，并沒有直接回到如下動(dòng)量方程進(jìn)行迭代循環(huán)，而是直接進(jìn)行更新矩陣，求解壓力泊松方程，動(dòng)量方程只是初始迭代使用過一次，此后便不再使用，因此，計(jì)算量少，計(jì)算速度優(yōu)于其他算法，如圖2所示。

2.3 計(jì)算模型

首先使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的集成計(jì)算機(jī)工程和制造代碼（The Integrated Computer Engineering and Manufacturing code for Computational Fluid Dynamics, ICEMCFD）對(duì)于模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再用計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics,CFD）分析軟件對(duì)于該模型進(jìn)行數(shù)值模擬，采用瞬態(tài)求解器，考慮到在行駛過程中會(huì)收到橫向與垂向的激勵(lì)，所以在橫向上的激勵(lì)選擇=sin2π的正弦激勵(lì)，在垂向添加重力加速度=-9.81 m/s，晃蕩的幅值=0.5 m，外界激勵(lì)頻率選擇=1.5 Hz，使用多相流模型，粘性模型選擇使用可實(shí)現(xiàn)的k-ε模型，速度壓力耦合使用PISO方案，選擇非迭代時(shí)間推進(jìn)，設(shè)置好后對(duì)于模型進(jìn)行求解。

2.4 自由液面波形對(duì)比

圖3為0.6 s時(shí)單擋板、雙擋板以及三擋板梯形水箱的自由液面，圖4為1.2 s時(shí)的自由液面，可以看出單擋板梯形水箱的自由液面變化幅度大于雙擋板梯形水箱，大于三擋板梯形水箱，即增加擋板數(shù)量有助于抑制水箱內(nèi)部液體晃蕩。

2.5 箱體邊緣壓力對(duì)比

對(duì)于各個(gè)壓力檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè)，得到壓力歷時(shí)曲線對(duì)比圖，其中實(shí)線曲線為單擋板梯形水箱的壓力歷時(shí)曲線，點(diǎn)劃線曲線為雙擋板梯形水箱的壓力歷時(shí)曲線，短點(diǎn)線曲線為三擋板梯形水箱的壓力歷時(shí)曲線，如圖5—圖8所示。從各個(gè)點(diǎn)的壓力歷時(shí)曲線對(duì)比圖中可以看出，單擋板梯形水箱的壓力波動(dòng)大于雙擋板梯形水箱的壓力波動(dòng)，雙擋板梯形水箱的壓力波動(dòng)大于三擋板梯形水箱的壓力波動(dòng)。由于3與4點(diǎn)在液位線附近，在晃蕩時(shí)受到的翻卷拍擊作用較大，曲線呈現(xiàn)雙峰特性。由于4點(diǎn)位于液位線以上，故其初始?jí)毫榱?，隨著晃蕩的進(jìn)行壓力逐漸升高。

通過表2—表4的數(shù)據(jù)可以計(jì)算得知，在1點(diǎn)單擋板的壓力差為430.468 Pa，雙擋板為325.924 Pa，三擋板為296.132 Pa。在2點(diǎn)單擋板的壓力差為403.071 Pa，雙擋板為395.035 Pa，三擋板為326.867 Pa。在3點(diǎn)單擋板的壓力差為706.606 Pa，雙擋板為634.608 Pa，三擋板為517.208 Pa。在4點(diǎn)單擋板的壓力差為224.652 Pa，雙擋板為46.309 Pa，三擋板為27.411 Pa。比較三種數(shù)量擋板的各個(gè)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力差發(fā)現(xiàn)，隨著擋板數(shù)量的增加壓力差減小，即增加擋板數(shù)量有助于提高箱體防晃效能。

3 結(jié)語(yǔ)

文章對(duì)于單擋板、雙擋板與三擋板梯形水箱的自由液面以及其測(cè)壓點(diǎn)的壓力歷時(shí)曲線進(jìn)行了對(duì)比，隨著擋板數(shù)量的增加，自由液面的波動(dòng)下降，測(cè)壓點(diǎn)壓力也隨著下降，各個(gè)點(diǎn)的壓力差減小，得出結(jié)論，增加梯形水箱縱向擋板的數(shù)量能夠提高梯形水箱的防晃效能。