基于流固耦合的液罐车液体冲击力分析.pdf

第29卷第4期江 苏 理 工 学 院 学 报JOURNAL OF JIANGSU UNIVERSITY OF TECHNOLOGYVol.29，No.4Aug.，20232023年8月晃动是一种由物体内部运动引起的自由表面现象1，非满载罐体中液体的晃动，会对罐体内壁产生较强的冲击力，因此，液罐车在转弯时的剧烈晃动易导致其侧翻2。国内外有不少专家针对这一问题进行了相关研究。王为等人3针对容器中的小幅晃动做了研究，认为此类运动属于自由表面线性运动；并基于此探讨了晃动阻尼与运动黏性系数、特征尺寸的关系；研究结果表明容器内阻尼并未对容器的整体晃动阻尼起突出作用。贾心红等人4分析了液体晃动对侧翻稳定性的影响,为半挂式液罐车侧翻稳定性的研究提供了一定的理论基础。吴文军等人5以球形贮箱内的液体晃动为例，进行了大量实验，并对比分析了实验结果与仿真结果。Papas-pyrou等人6构建了水平圆柱形罐体的数学模型，研究在纵向外部激励下，充液比为50%时罐内液体的晃动效应。Tetsuya等人7将圆柱形罐体中的液体等效为理想状态的液体，分析了弹性浮体对垂直激励的阻尼作用。Ren等人8研究了弹性覆盖层的固有振型和主应变分布。Han等人9基于半解析法，研究了部分填充水平圆柱形罐体的线性液体晃动的频率和振型。Zhong等人10运用多频激励下圆柱形罐体中液体晃动模型的非线性控制方程，得到可能引起共振的频率组合。Chiba 等人11分析了液体晃动对罐体所受冲击力的影响，得到了耦合系统的频率方程。Miao等人12利用激光衍射仪测量了碰撞瞬间激发的晃荡波参数，并在相同激发条件下得到了不同深度晃动波的衍射图谱。曹占雪等人13基于流体子域法，研究了2个不同半径的环形刚性隔板对流体晃动频率及模态的影响。王伟军等人14运用数值模拟，分析药箱防波板基于流固耦合的液罐车液体冲击力分析魏书萌，李 波，贝绍轶，周 丹，周鑫烨，顾甜莉（江苏理工学院 汽车与交通工程学院，江苏 常州 213001）摘要：利用 Fluent流体计算软件仿真设置液罐受到的加速度以及罐体内的充液比，分析液体冲击对罐内载荷变化的影响。通过分析不同挡板的形状，研究罐车转向时纵向挡板的防波效果，比较防波板处于3个位置时的倒V型纵向挡板和M型纵向挡板的防波效果，并研究减小的冲击力大小。研究发现：M型纵向挡板的防波效果比倒V型纵向挡板好；在液体晃动流过挡板最高点时，挡板的峰越多防波效果越好。关键词：液罐车；防波板；液体冲击力；Fluent仿真中图分类号：U469.61文献标识码：A文章编号：2095-7394（2023）04-0030-11收稿日期：2022-12-21基金项目：国家自然科学基金资助项目“考虑轮胎纵滑侧偏特性的电动轮汽车横向失稳演化机理与回稳控制研究”（521712367）；江苏省高校自然科学基金资助重大项目“电动汽车智能轮胎力学性能及参数估计算法研究”（21KJA580003）；江苏理工学院研究生实践创新项目“车用锂离子电池散热装置的分析与优化”（XSJCX21_47）作者简介：魏书萌，硕士研究生，主要研究方向为液罐车侧倾稳定性。通讯作者：李波，副教授，博士，主要研究方向为汽车系统动力学。第4期魏书萌，等：基于流固耦合的液罐车液体冲击力分析31数量、防波板布置形式、箱体充液比和药箱三向加速度等因素对液体晃动动力学特性的影响。结果表明：防波板能有效减缓液体对药箱侧壁的冲击，使液体晃动变平缓，从而提高侧倾稳定性。Pani-grahy等人15通过具体实验得到装有竖直挡板和水平挡板的罐体壁面压力值。结果表明：水平挡板与竖直挡板均可削弱晃荡能量。Goudarzi等人16探究了罐体形状对防晃效果的影响。研究结果表明：罐体形状细长时，水平挡板的防晃效果更加明显；罐体内水位低且罐体形状较宽时，竖直挡板防晃效果明显。Cho17提出将一种柔性多孔弹性挡板作为防晃动装置，以减小罐体内液体的晃动；并构建了分析模型，以证明多孔弹性挡板能有效防止液体晃动。郑英杰等人18分析了传统防波板，基于功能区分的设计思路，设计了一种组合式防波板结构，并基于有限元分析，从理论上证明了该防波板结构的合理性。Gao等人19分析了在外向激励下，多孔挡板的高度、长度、数量、位置和形状等对液体晃动的影响。张瀚月等人20利用Fluent软件中的欧拉模型，研究了晃动过程中罐内流体的流态变化，并在此基础上开展防晃研究。结果表明：设置防波板能减小罐体受到晃动力的影响，但防波板自身也会受到冲击载荷，且不同高度的防波板受到的冲击载荷不同。Gavrilyuk等人21构建了一个动力学模型，得到了装有防波板的圆柱形罐体中液体的阻尼比。1罐内液体冲击理论液罐车罐体的罐壁是刚性的，其横截面为圆形，罐体长（L）远大于罐体半径（R）。液罐车动力学系统包括三自由度刚体模型和液体晃动模型。三自由度刚体模型以罐车理想的质心侧偏角和横摆角速度作为状态变量，前轮转角作为输入参数。在任一时间步长中，液体晃动模型都会结合车辆实际运动状态参数得出液体的晃动力和力矩。车辆参考模型的输入参数为车辆方向盘、液体晃动力和力矩，输出参数为下一时刻车辆实际的状态参数。三自由度刚体模型和液体晃动模型能够进行交互。罐内液体简化示意图如图1所示。1 1.1 1液体冲击力学理论基础液体冲击力学理论基础1 1.1 1.1 1介质模型介质模型流体都具有一定的黏度，牛顿黏性定律表示如下：=dudy。（1）其中，为作用在单位接触面积流体上的内摩擦力；du/dy为垂直于接触面的法向梯度速度；为液体抵抗黏性变形的动力黏度。基于牛顿黏性定律，将液体分为牛顿流体和非牛顿流体。罐体内压力和温度变化不大，罐内液体的可压缩性和热膨胀性很小，因此，可将罐体内的流体看作不可压缩的牛顿流体。1 1.1 1.2 2液体冲击的动力学模型液体冲击的动力学模型罐体内的流体遵循质量守恒、动量守恒及能量守恒定律。瞬时液体冲击的连续性方程如下：ux+vy=0。（2）动量守恒方程可表示为：DvDt=fy-py+2ux2+2wz2DwDt=fz-pz+2ux2+2vy2。（3）式中，u和v表示任意位置的液体速度分量，p为流场中的压强分布，fy和fz分别表示沿y轴和z轴的单位体积力，为液体密度。1 1.2 2方程组求解条件方程组求解条件1 1.2 2.1 1 初始条件初始条件将整个罐体初始运动时满足的状态方程作为初始条件，用初始运动时流体的压力、速度来描述其初始状态，t=t0时，则有：图1罐内液体简化示意图32第29卷江 苏 理 工 学 院 学 报u()x,y,y,t0=u0()x,yp()x,y,y,t0=p0()x,y。（4）其中，u(a,y,0)=0,p0=1。1 1.2 2.2 2 罐体壁面上的边界条件罐体壁面上的边界条件液体具有黏性，在液体和罐体的接触面上，液体和罐体的切向速度与法向速度相等，液体和罐体壁面间无滑移，可表示为：V=Vb。（5）式中，V表示流体在罐体壁面上的速度，Vb表示罐体的移动速度。当流-固边界上法向速度相等时可表示为：Ft+uFx+vFy=0。（6）其中，F(x,y)=0。1 1.2 2.3 3自由液面上的边界条件自由液面上的边界条件罐内液体受到外界激励时，自由液面不断变化。因此，自由液面上的边界条件不仅要体现在速度方面，还要体现在受力方面。首先，忽略自由液面边界上的液体表面张力和液体与气体间的黏性作用，自由液面上的表面压力恒定，如下：p=p0=C。（7）当自由液面上的黏性切应力为0时，可采用非黏性流体的法向速度连续方程得到运动学方程：Flt+ulFlx+vlFly=0。（8）在已知初始条件和边界条件的情况下，可对确定条件后的偏微分方程进行求解。1 1.3 3数值计算方法数值计算方法Fluent软件计算时间影响因素包括迭代次数、网格数目和时间步长等。在创建模型、划分网格时，只需考虑罐中液体运动可能会流过的表面区域，而不需要将罐体外壳厚度、防波板等非运动区域纳入计算范围15。进行这样的简化处理，一方面，能有效减少使用的网格数；另一方面，能够获得更高质量的网格。网格通过简化处理，可以得到更准确的仿真结果，且计算时间更短、计算过程更简单。实践中，在罐体中装上挡板能很好地抑制晃动力。当前，常用的挡板有垂直挡板和柔性挡板。研究结果表明：挡板的类型、具体数量等，都会对挡板抑制液晃性能产生影响。文献1中设计了倒V型纵向挡板，并探究了其具体作用。本文基于倒V型挡板，对其进行了优化、调整，并提出了M型纵向挡板。2Fluent仿真及结果分析2 2.1 1几何模型几何模型、网格划分及网格划分及FluentFluent仿真设置仿真设置倒V型挡板的夹角为变量锐角、直角、钝角，M型板中间夹角为变量锐角、直角和钝角。将圆柱形罐体底面半径设置为0.9 m，罐体长设置为6 m，纵向挡板的厚度设置为0.5 cm。纵向挡板与罐体壁面接触处留有间隙，便于放油。最大网格尺寸为0.045 m，6个模型（装有夹角分别为锐角、直角、钝角的倒V型板和M型板）网格数量相差不大。将夹角为锐角的倒V型挡板命名为V1，为直角的倒V型挡板命名为V2，为钝角的倒V型挡板命名为V3；夹角为钝角的M型挡板命名为M1，为直角的M型挡板命名为M2，为锐角的M型挡板命名为M3。挡板横截面结构及网格划分如图2所示。本文运用 VOF 模型和 k-模型分析液罐车内气-液两相非定向湍流流动过程，并采用PISO算法计算压力速度耦合方程。罐内液体为水，其余为空气，水和空气的密度分别为 998.2 kgm-3和 1.225 kgm-3,动力黏度分别为 0.001 Pas 和0.000 017 89 Pas，仿真设置不同的充液比，设步长为 0.01 s，仿真持续时长为 6 s。通过 Fluent 对无量纲升力系数CD的监测，计算出罐体侧壁受到的冲击力，升力系数为：CD=F12ru2A。（9）令12ru2A=1，则冲击力F与升力系数大小相等，在Reference Value中设置气-液两相流的参考密度为2 kg m-3,速度u默认值为1 m/s，面积参考值A设置为1 m2。第4期魏书萌，等：基于流固耦合的液罐车液体冲击力分析33（a）倒V型挡板横截面结构（b）M型挡板横截面结构（c）倒V型挡板网格划分（d）M型挡板网格划分图2挡板横截面结构及网格划分2 2.2 2仿真结果及分析仿真结果及分析本文对罐体中不同位置的挡板所受到的液体冲击力进行仿真：将挡板最高点略低于50%充液比的自由液面命名为位置1；将挡板最高点位于50%充液比时的自由液面命名为位置2；将挡板最高点略高于50%充液比的自由液面命名为位置3。首先，通过液体晃动侧倾平台验证Fluent仿真数据的准确性。实验罐体与仿真罐体尺寸相同，图3为液体晃动侧倾平台，图4为液体晃动侧倾平台上的各个传感器及槽型光电开关。图3侧倾平台（a）角度传感器（c）压力传感器图4传感器及光电开关（b）加速度传感器（d）光电开关34第29卷江 苏 理 工 学 院 学 报当罐体内无防波板，且充液比为 50%时，在0.4 g侧向激励下，对比3 s内的实验数据与仿真数据；结果如图5所示，实验数据与仿真数据误差不大，最大误差率约为2.3%。图5仿真准确性验证2 2.2 2.1 1 挡板位于位置挡板位于位置1 1时的仿真实验时的仿真实验当挡板最高点略低于50%充液比的自由液面时，在0.4 g侧向激励下，仿真1 s时罐内液体液相分布云图如图6所示。M1-1M2-1M3-1V1-1V2-1V3-1图6罐内液体液相分布云图1各纵板式罐体在50%充液比下所受的冲击力仿真结果如图7所示。由图7可知，纵向挡板位于位置1时，在0.4 g侧向激励下，从冲击力峰值大小及仿真2 s后冲击力数值的大小来看，M型板的防波效果优于倒V型板，且M3型板的防波效果最佳。此时，M3型板冲击力的峰值为30 774.6 N，夹角同为锐角的倒V型板冲击力的峰值为31 941.1 N，M3型板的冲击力比倒V型的冲击力减小了约3.8%；M3型板冲击力达到稳定后，约为30 000 N。2 2.2 2.2 2 挡板位于位置挡板位于位置2 2时的仿真实验时的仿真实验当挡板最高点位于 50%充液比的自由液面第4期魏书萌，等：基于流固耦合的液罐车液体冲击力分析35时，在0.4 g侧向激励下，仿真1 s时罐内液体液相分布云图如图8所示。图750%充液比下挡板位于位置1时的液体冲击力各纵板式罐体在50%充液比下所受冲击力的仿真结果对比如图9所示。M1-2M2-2M3-2V1-2V2-2V3-2图8罐内液体液相分布云图2图950%充液比下挡板位于位置2时的液体冲击力36第29卷江 苏 理 工 学 院 学 报总体来看，仿真2 s后，多个纵向板的罐体受到的液体冲击力基本达到稳定值，由图 9 可知，M 型板的防波效果比倒 V 型的防波效果好。其中，M1 型板和 M2 型板效果最佳，冲击力最大值分别为 31 127.9 N 和 30 133.4 N；液 体 冲击力达到稳定后，M1 型板和 M2 型板冲击力分别为 29 778 N 和 29 478.8 N，液体冲击力减小幅度较大。2 2.2 2.3 3挡板位于位置挡板位于位置3 3时的仿真实验时的仿真实验当挡板最高点略高于50%充液比时的自由液面时，在0.4 g侧向激励下，仿真1 s时罐内液体液相分布云图如图10所示。M1-3M2-3M3-3各纵板式罐体在50%充液比下所受的冲击力仿真结果对比如图11所示。V1-3V2-3V3-3图10罐内液体液相分布云图3图11在50%充液比下挡板位于位置3时的液体冲击力由图11可以看出，在充液比为50%时，从减少的冲击力及仿真3 s后液体冲击力大小的数值来看，M型挡板防波效果比倒V型挡板的防波效果好。其中，M1型板冲击力基本达到稳定后，约为28 125 N；V1型板冲击力基本达到稳定后，约为31 108.2 N，V1型板比M1型板冲击力大10.6%。而第4期魏书萌，等：基于流固耦合的液罐车液体冲击力分析37M2 型板下的稳定液体冲击力比 V2 型板减小了8.8%，M3型板下的稳定液体冲击力比V3型板减小了2.8%。上述仿真实验表明，M型板的防波效果优于倒V型板。3多峰纵向板仿真实验从上述多个倒V型纵向挡板和M型纵向挡板的仿真结果发现：M型挡板的防波效果比倒V型挡板的防波效果好。罐体中的液体在给定的侧向激励下晃动，流过纵向挡板的最高点时，纵向挡板的峰越多，防波效果越好。本文分别仿真了三峰挡板和四峰挡板在50%充液比下罐体侧壁受到的液体冲击力，并将三峰挡板命名为D3，四峰挡板命名为D4。比较图 7、图 9 及图 11 后发现，纵向挡板在位置3时的防波效果最佳，因此多峰挡板的最高点应略高于50%充液比的自由液面。进行多峰纵向挡板的 Fluent 仿真设置与倒 V 型板和 M 型板的仿真设置相同，且网格的数量相差不大。3 3.1 1三峰挡板模型及仿真三峰挡板模型及仿真三峰挡板的横截面如图12所示。将三峰挡板仿真6 s后的结果与其它板型的仿真结果进行比较，如图13所示。由于充液比为30%时，液体晃动幅度较小，而纵向挡板在此位置时，液体在侧向激励下的晃动不能流过挡板最高点；充液比为90%时，此位置的挡板几乎没有作用，罐体侧壁受到的液体冲击力相差不大。因此，30%充液比和90%充液比不予考虑。由图13（a）可知，从罐体侧壁受到液体冲击力的峰值及仿真4 s后侧向力的变化来看，充液比为50%时，三峰挡板的防波效果比倒V型挡板及M型挡板的防波效果好；由图 13（b）可知，充液比为70%时，三峰挡板的防波效果最好。图12三峰挡板横截面（a）50%充液比下三峰挡板罐体的液体冲击力38第29卷江 苏 理 工 学 院 学 报（b）70%充液比下三峰挡板罐体的液体冲击力图13三峰挡板罐体的液体冲击力3 3.2 2四峰挡板模型及仿真实验四峰挡板模型及仿真实验四峰挡板的横截面如图14所示。将四峰挡板仿真6 s后，得到罐体侧壁受到的液体冲击力，与其它板型的液体冲击力进行比较，结果如图15所示。从图15中罐体侧壁受到液体冲击力的峰值和仿真4 s后的侧向力变化可以看出，四峰防波板的效果最好；且图15（a）中充液比为50%时尤为明显，仿真 3 s 后，D4 型板的稳定液体冲击力比V1型板的液体冲击力减小了17.4%，比M3型板减小8.7%。多峰挡板的仿真实验表明：罐体中的液体在给定的侧向激励下晃动，流过纵向挡板的最高点时，纵向挡板的峰越多，防波效果越好。4结论罐车横向稳定性研究涉及到罐体壁面与液体货物之间的流固耦合作用，车体与罐体的耦合作用以及轮胎、悬架的减振作用是一个非常复杂的非线性系统。本文基于流固耦合原理，研究了防波板的设计方案，得到以下结论：（1）仿真了挡板的3个位置挡板的最高点略低于50%充液比的自由液面、挡板的最高点位于50%充液比的自由液面以及挡板的最高点略高于50%充液比的自由液面。比较分析了倒V型纵向挡板（夹角分别为锐角、直角、钝角）和M型纵向挡板（夹角分别为钝角、直角、锐角）在0.4 g侧向激励、50%充液比下罐体侧壁受到的液体冲击力。结果表明：M型挡板的防波效果好于倒V型纵向挡板。（2）提出了观点并验证：罐体中的液体在给定的侧向激励下晃动，流过纵向挡板的最高点时，纵向挡板的峰越多，防波效果越好。图14四峰挡板横截面第4期魏书萌，等：基于流固耦合的液罐车液体冲击力分析39（a）50%充液比下四峰挡板罐体的液体冲击力（b）70%充液比下四峰挡板罐体的液体冲击力图15四峰挡板罐体的液体冲击力参考文献：1 丁月.基于流固耦合机理的液罐车横向稳定性研究D.常州：江苏理工学院，2021.2 郑雪莲.基于液体冲击等效机械模型的汽车罐车行驶稳定性研究D.长春：吉林大学，2014.3 王为，李俊峰，王天舒.航天器贮箱内液体晃动阻尼研究（一）：理论分析J.宇航学报，2005，26（6）：687-692.4 贾心红，张竹林，蒋德飞.半挂式液罐车罐内液体晃动及其对整车侧翻稳定性影响研究现状J.汽车实用技术，2022，47（1）：193-196.5 吴文军，李超，高超南.球形贮箱内液体晃动实验及动力学特性研究J.实验力学，2021，36（6）：849-859.6 PAPASPYROU S，VALOUGEORGIS D，KARAMANOS SA.Sloshing effects in half-full horizontal cylindrical vesselsunder longitudinal excitationJ.Journal of Applied Mechanics，2004，71（2）：255-265.7 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circular cylindrical tank with an an-nular baffle.Part 2.Nonlinear resonant wavesJ.Journal ofEngineering Mathematics，2007，57（1）：57-78.责任编辑蒋云柯Analysis of liquid impact force of liquid tanker based on fluid-solid couplingWEI Shumeng，LI Bo，BEI Shaoyi，ZHOU Dan，ZHOU Xinye，GU Tianli（SchoolofAutomotiveandTransportationEngineering，JiangsuUniversityofTechnology，Changzhou213001，China）Abstract：The fluid calculation software Fluent is used to set the acceleration of the liquid tank，and the fillingratio of the tank,and the time domain response of the liquid shock in the tank is analyzed.By analyzing differentbaffle shapes，this article mainly studies the anti-wave effect of longitudinal baffles that play a certain role in pre-venting rollover when tank cars turn.It compares the anti-wave effect of inverted V-shaped longitudinal bafflesand M-shaped longitudinal baffles when they are in three positions，considering both the reduced impact forceand the numerical value of the simulated liquid impact force in the latter half.It is found that the anti-wave effectof the M-shaped baffle is better than that of the inverted V-shaped longitudinal baffle.When the liquid shakesthrough the highest point of the baffle，the more peaks the baffle has，the better the anti-wave effect.Key words：tank vehicle；anti-wave board；liquid sloshing force；Fluent simulation