纵向挡板数量对梯形液舱晃荡的影响

2022-10-02赵明瀚

汽车实用技术 2022年18期

赵明瀚，王铁

（沈阳理工大学汽车与交通学院，辽宁沈阳 110159）

液体晃荡研究最先出现在航天领域，随后在各种充液系统中广泛应用。挡板对于充液系统来说是必不可少的，油箱中的挡板能够防止在崎岖路面，由于液体颠簸而吸入空气。对于大型载液车辆来说，能够抑制内部液体晃荡，避免侧翻。目前研究液体晃荡的普遍三种方法为理论研究、数值模拟、实验研究。其中数值模拟由于准确性高、方便、实时等特性被广泛应用。文章将采用数值模拟的方法对于不同纵向挡板的梯形液舱的晃荡情况进行模拟，对比不同数量挡板对于液体晃荡抑制的效能。

1 模型介绍

图1为挡板模型尺寸图，图1(a)为单挡板模型，下半部分为液体，黑色为挡板，下部宽度为0.8 m，上部宽度为1.2 m，梯形部分长为0.2 m，高为0.24 m挡板，宽度为0.05 m，布置在水箱下部中间位置，液体部分的高度为0.4 m。图1(b)将单挡板模型改为双挡板模型，图1(c)将单挡板模型改为三挡板模型，挡板位于底部等距分布。

其中1，2，3，4为四个压力监测点，其具体坐标如表1所示。

2 数值模拟

2.1 VOF方法

流体体积函数（Volume-Of-Fluid,VOF）方法是通过体积比的函数的方式来确定自由液面变化的，在F=1的网格单元中为纯设定流体，在F=0的网格单元中无设定流体，一般设定为空气。0＜F＜1的网格单元也叫作交界面网格单元。在流场中任意一点（,），其定义函数F（,,）为

F的状态的传输方程为

2.2 PISO算法

压力-速度耦合（Pressure-Implicit with Splitting of Operators, PISO）算法是计算瞬态不可压缩液体流动的一种算法。PISO算法速度场由速度修正方程修正后，并没有直接回到如下动量方程进行迭代循环，而是直接进行更新矩阵，求解压力泊松方程，动量方程只是初始迭代使用过一次，此后便不再使用，因此，计算量少，计算速度优于其他算法，如图2所示。

2.3 计算模型

首先使用计算流体动力学的集成计算机工程和制造代码（The Integrated Computer Engineering and Manufacturing code for Computational Fluid Dynamics, ICEMCFD）对于模型进行网格划分，再用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）分析软件对于该模型进行数值模拟，采用瞬态求解器，考虑到在行驶过程中会收到横向与垂向的激励，所以在横向上的激励选择=sin2π的正弦激励，在垂向添加重力加速度=-9.81 m/s，晃荡的幅值=0.5 m，外界激励频率选择=1.5 Hz，使用多相流模型，粘性模型选择使用可实现的k-ε模型，速度压力耦合使用PISO方案，选择非迭代时间推进，设置好后对于模型进行求解。

2.4 自由液面波形对比

图3为0.6 s时单挡板、双挡板以及三挡板梯形水箱的自由液面，图4为1.2 s时的自由液面，可以看出单挡板梯形水箱的自由液面变化幅度大于双挡板梯形水箱，大于三挡板梯形水箱，即增加挡板数量有助于抑制水箱内部液体晃荡。

2.5 箱体边缘压力对比

对于各个压力检测点进行压力监测，得到压力历时曲线对比图，其中实线曲线为单挡板梯形水箱的压力历时曲线，点划线曲线为双挡板梯形水箱的压力历时曲线，短点线曲线为三挡板梯形水箱的压力历时曲线，如图5—图8所示。从各个点的压力历时曲线对比图中可以看出，单挡板梯形水箱的压力波动大于双挡板梯形水箱的压力波动，双挡板梯形水箱的压力波动大于三挡板梯形水箱的压力波动。由于3与4点在液位线附近，在晃荡时受到的翻卷拍击作用较大，曲线呈现双峰特性。由于4点位于液位线以上，故其初始压力为零，随着晃荡的进行压力逐渐升高。

通过表2—表4的数据可以计算得知，在1点单挡板的压力差为430.468 Pa，双挡板为325.924 Pa，三挡板为296.132 Pa。在2点单挡板的压力差为403.071 Pa，双挡板为395.035 Pa，三挡板为326.867 Pa。在3点单挡板的压力差为706.606 Pa，双挡板为634.608 Pa，三挡板为517.208 Pa。在4点单挡板的压力差为224.652 Pa，双挡板为46.309 Pa，三挡板为27.411 Pa。比较三种数量挡板的各个压力监测点的压力差发现，随着挡板数量的增加压力差减小，即增加挡板数量有助于提高箱体防晃效能。