罐车制动时液体晃动的仿真分析

　　罐车所运输的介质大多数是液体或液化气体,当罐车紧急制动时,在惯性作用下罐内液体也随着涌动,并对罐壁产生冲击载荷,使罐车重心偏移,引起轴荷分布不稳,易造成车辆制动距离增大从而引发交通事故,同时也大大缩短了轮胎以及其他一些汽车零部件的使用寿命.所以,对罐车液体晃动及防晃装置的研究, 有着重要的实际意义和工程应用价值.

　　国内外对液体晃动问题都做过大量一般性和基础性的研究,但对实际应用的研究主要是针对比较简单的贮箱结构进行的[1-2],而油罐车的罐体内部结构比较复杂,有大尺度的防波板或其他阻尼元件,现在这方面大部分研究应用在航天航空领域[3],真正对罐车内介质晃动的研究很少.

　　王惠明等人研究了在运输中的紧急制动情况下达到稳定状态后贮液容器器壁受内部液体惯性力的作用[4];陈志伟通过数值模拟方法对油罐中的介质晃动进行了研究,给出了两种不同减速度和两种不同充液比下液体对壁面的冲击作用以及加入防波板后冲击作用的变化[5];李松等人采用扫描式激光测振仪对不同充液比下水平圆柱贮箱受横向激励作用时箱内液体的晃动频率进行了测试[6].

　　本文应用商用CFD软件Fluent分别对无防波板和带防波板两种情况下罐车罐体内液体的晃动进行了数值模拟,研究了罐车制动时,不同充液比、不同减速度和不同防波板面积对罐体受力及整车轴荷分配的影响.

　　1　计算模型及计算方法

　　1.1　控制方程组

　　罐车内部为气液两相非定常湍流流动.本文采用VOF模型处理气液相互作用产生的两相流现象.控制方程组包括连续方程和动量方程.连续方程：

动量方程

　　式中,u为速度;p为压强.由于采用了Volume ofFluid (VOF)模型,ρ和μ分别为容积分数的平均密度和分子运动粘度.

　　式中,αw为液体的容积分数;ρw和ρa分别为液体和气的密度;μw和μa分别为液体和气体动力粘性系数.采用κ-ε模型对湍流流动现象进行模拟.

　　1.2　罐车模型及网格划分

　　本文以某型号液化石油气罐车为研究对象,罐体截面为圆形,前后封头均为平封头,罐体总长8. 6m,内半径1. 127m,将其均匀分隔成4个独立的单室,忽略隔板的厚度,每个单室长2. 15m,罐车模型示意图如图1所示,前轴位于前轮中心,后轴位于两后轮中心连线的中点.

　　由于在罐车制动过程中,四个单室内液体晃动情况完全一致,所以其受力也完全一致,计算中,为了减少网格数量,提高计算效率,只对一个单室进行计算,原点位于单室左侧端面的圆心,x轴指向汽车前进方向且平行于地面,y轴垂直地面向上,z轴平行于地面向右.对此计算模型采用结构六面体网格,网格数在 40 000左右,如图2所示.