王晓东，惠　虎，宫建国

(华东理工大学 机械与动力工程学院，上海　200237)



设计计算

低温液体运输半挂车制动过程液体冲击的研究

王晓东，惠虎，宫建国

(华东理工大学 机械与动力工程学院，上海200237)

摘要：低温液体运输半挂车在制动过程中，惯性力对容器壁面的冲击会影响低温液体的安全运输。采用Fluent的VOF模型，模拟半挂车制动到停车过程的力学响应，得到了冲击力及封头压力随着时间的关系,并分析了影响冲击力的因素，包括加速度和盛装量。研究结果表明,在制动开始时，液体对前封头的冲击力达到峰值，随后达到稳定值；随着加速度的增加，冲击力线性增加；当盛装量达到75%时，冲击力达到最大。

关键词：制动；惯性力；VOF模型；液体冲击

0引言

随着低温工业的快速发展，低温液体容器已经成为压力容器行业增速最快、发展最有前景的产业之一。根据文献中的数据，在世界范围内移动式真空绝热容器在役数量已超过了3万台[1]。移动式压力容器主要分为气瓶和罐车两大类，其中罐车又分为铁路罐车、汽车罐车、低温气体运输车以及罐式集装箱等4种。但是在我国使用低温运输车是行业的主流[2]。移动式压力容器在运输过程中，不仅承受着内压和外压，还要承受因路况产生的颠簸以及罐车加速、制动导致的液体晃动等载荷，对于运输车的行驶平稳性造成影响[3-5]。而且为了进行保温，低温运输车多采用高真空绝热的方式，内外筒体的连接采用八点支撑的结构形式，其中支撑使用的材料为非金属材料环氧玻璃钢。液体晃动产生的冲击载荷不均匀，也会使得罐车内容器受力不均，对移动式压力容器具有较为严重的危害。

目前，移动式压力容器的强度分析多采用等效惯性力的方法。无论是TSG R0005—2011《移动式压力容器安全技术监察规程》[6]，还是中国船级社的《天然气燃料动力船舶规范》，惯性力按以下4种情况进行等效计算，即：(1)罐车纵向：最大充装质量乘以2倍重力加速度；(2)罐车横向：最大充装质量乘以1倍重力加速度；(3)垂直向上：最大充装质量乘以1倍重力加速度(此时不考虑重力载荷)；(4)垂直向下：最大充装质量乘以2倍重力加速度。但是这只是对于惯性力的简化计算，对于罐车在各种运输工况下的内部液体作用于容器具体的受力状况不能准确的给出，所以研究液体晃动对于移动式压力容器的强度分析与设计具有重要的工程意义。

本文以某低温设备公司设计的低温运输半挂车为研究对象，针对运输过程中罐车紧急制动直至停车的运输工况，得到了作用于壁面的压力随着时间的变化关系，并且研究了不同加速度、不同盛装量对于液体晃动产生的冲击力的大小以及作用时间的影响。通过流体分析的计算方法，可以为以后此类压力容器的强度分析提供技术参考。

1低温运输半挂车制动过程冲击力的力学分析

液体晃动是一种复杂的流体现象，自由液面时刻都在发生变化。对于低温压力容器冲击力进行试验研究，成本较大而且过程复杂，一般多采用有限元分析的方法对其进行力学分析[7-8]。同时，许多学者对于该问题提出了计算模型。对于两相流和晃动问题适用性比较广泛的是VOF模型，陈志伟等[9-10]利用VOF模型模拟出卧式容器液体晃动频率，与理论值吻合较好，并且研究了在侧翻工况下集装箱罐车受液体冲击的影响。

1.1　数值模型的简化

本文研究的低温运输半挂车罐体的几何尺寸如图1所示。低温运输半挂车内径2000 mm，长度4860 mm，容积14.2 m3，前后封头采用标准椭圆形封头。利用ANSYS Workbench建立分析模型，流体区域为整个罐体的空间。由于低温半挂车的结构基本关于纵向截面对称，为了减少计算量，本文取1/2的流域建立模型。以X轴的正方向为运动方向，整个流域的网格划分采用四面体单元，网格的划分数量为322603个，如图2所示。半挂车的液体冲击模拟通过导入Fluent模块进行计算。

图1　罐体的几何尺寸

(a)

(b)

1.2　边界条件的施加

本文采用的计算模型是Fluent中用于计算多相流的VOF模型，根据罐车的设计条件和使用情况，边界条件如下：(1)液相介质为液氩，其密度为1393 kg/m3,气相介质为氩气，液氩的初始盛装量为92%；(2)设置罐体壁面和防冲板为刚体；(3)气相空间的压力为0.4 MPa；(4)纵向截面采用对称边界；(5)在减速过程中液体晃动模型采用标准k-ε湍流模型；(6)通过udf(user defined function，用户自定义函数)设置半挂车为运输方向减速行驶，加速度大小为2倍重力加速度，1 s后停车，提取2.5 s内的数据。

根据静压力的理论公式P=ρgh，当半挂车匀速行驶时，内筒体压力分布为P=1393×9.8×1.72=23480.4 Pa。由图3可以看出，底部最大的静压力为2.36×104Pa，结果与理论计算结果基本相同，表明模型较为合理。

图3　罐车制动前罐体初始壁面压强分布

1.3　制动模拟结果分析

气液两相的液面及前后封头受力的结果如图4,5所示。

(a)t=0.2 s时气液两相分布(b)t=0.2 s时罐体压力分布

(c)　t=2.5 s时气液两相分布　　　　　　　　　　　　　　　　(d)　t=2.5 s时罐体压力分布

可以看出，在低温液体运输半挂车开始制动的过程中，前封头受到液体冲击力开始迅速增加，在t=0.2 s时达到最大；随后冲击变小，在较短的时间内达到一个相对稳定的冲击力；当半挂车的速度降为0时，冲击力迅速减小，并出现小幅波动，一定时间后晃动停止后降为零。而后封头从开始制动时产生的冲击力相对于前封头较小，并且随着速度降为零后，冲击力逐渐在很小的冲击力下波动。而对于压力分布，可以看出当冲击力达到最大时，壁面的压力最大为1.39×105Pa，是静止时最大压力的5倍多。

图5　制动过程前封头受力情况

2影响制动冲击力的因素

在低温液体半挂车加速制动过程中，有很多因素会影响到罐体内液体冲击力的大小，如加速度、罐体盛装液体量等。同时，上述结果已表明：半挂车制动过程中，液体对前封头的作用最大。本文为了研究每个因素的影响规律，先以无防波板下的加速度与盛装量两种因素对半挂车前封头的液体冲击力影响进行了研究。

2.1　不同制动加速度的影响

本文通过改变函数的参数来改变挂车的加速度，选取了1g,1.5g和2g三种加速度，得到结果如图6所示。可以看出，在2g加速度下，液体的最大冲击力达到617752 N，冲击力达到峰值后逐渐达到稳定状态。随着加速度的增大，前封头短时间内受到的液体最大冲击力随之增大，并且呈线性规律增加，同时达到冲击力的稳定值也随之增加。

(a)不同加速度前封头冲击力随时间的变化(b)最大冲击力随速度的变化

图6不同加速度对前封头冲击力的影响

2.2　不同盛装量的影响

对于盛装量的要求，JB/T 4783—2007《低温液体汽车罐车》和JB/T 4784—2007《低温液体罐式集装箱》有以下要求：装运易燃介质的低温罐车，任何情况下可能达到的充满率应不大于95%；装运不易燃介质的低温罐车，任何情况下可能达到的充满率应不大于98%[11-12]。本文采用制动加速度为2g，研究盛装量在50%,65%,75%,85%和92%时半挂车的前封头受力变化情况。

计算结果如图7所示。可以看出，随着盛装量的增加，达到最大液体冲击力的时间提前。对于某一盛装量，当达到某一时刻时，最终稳定在某一数值，并且稳定值随盛装量的增加而增大。同时可以看出，当盛装量在75%之前，盛装量越大，最大冲击力越大；当盛装量超过75%后，盛装量越大，最大冲击力逐渐降低。这是因为：盛装量较小时，流体晃动导致的冲击力较小；同时，盛装量很大时，液体晃动作用造成的冲击力会随气相空间的减小而减弱。因此，存在某一盛装量下液体冲击力最大，在本例中，冲击力最大时对应的盛装量为75%。

(a)　不同盛装量前封头冲击力随时间的变化

(b)　最大冲击力随盛装量的变化

3结论

本文基于Fluent的VOF模型，分析了低温运输半挂车在制动过程中内液体因惯性力作用对罐体封头的冲击作用。得到以下结论：

(1)低温半挂车制动过程中，其在短时间内前封头受力达到最大，最大达到静载时的5倍(加速度为2倍重力加速度)；随后冲击力达到稳定值；当车停止后，罐体前封头所受到的冲击力降至某一较低值。

(2)随着加速度的增加，液体对前封头的冲击力增加，并且冲击力呈线性增加。

(3)随着盛装量的增加，液体对前封头的冲击力在盛装量低于75%之前增加，并且呈现线性规律增加；在盛装量高于75%之后冲击力开始减小，并且随着盛装量的增加，最大冲击力的作用时间随之提前。因此，实际运输过程中，合理控制盛装量对于安全运输较为重要。

参考文献：

[1]周伟明,陈朝晖,魏蔚.深冷真空绝热容器标准技术发展与展望[J].压力容器,2013,30(2):1-14.

[2]刘雪梅，钱才富.移动式容器中液体的晃动及其影响因素的研究[J].压力容器,2011,28(8):22-26.

[3]万里平,钱才富.液化气体罐车防波板的设计[J].化工机械,2012,39(1):48-51.

[4]乐增，江楠，杨卫国.防波板对罐车在制动时的安全稳定性的影响[J].压力容器，2012，29(4)：18-22.

[5]高毅.应变强化型低温移动式容器强度与疲劳寿命有限元分析[D].上海:华东理工大学,2013.

[6]TSG R0005—2011，移动式压力容器安全技术监察规程[S].

[7]乐增.应变强化罐车在行进过程中安全稳定性研究[D].广州：华南理工大学,2013.

[8]徐妙富,刘宝庆，蒋家羚，等.移动式低温LNG贮罐强度的有限元分析[J].低温工程,2010(1):11-16.

[9]陈志伟.移动式压力容器介质晃动数值模拟及防波装置研究[D].杭州:浙江大学,2006.

[10]乐增，江楠，陈武滨.防波板防波效果的数值模拟研究[J].化工设备与管道，2013，50(5)：18-23.

[11]JB/T 4783—2007，低温液体汽车罐车[S].

[12]刘奎,康宁.罐车转向时液体晃动的仿真分析[J].北京航空航天大学学报,2009,35(11):1403-1407.

Study on the Impact of Liquid in the Braking Process of a Cryogenic

Liquid Transportation Semi-trailer

WANG Xiao-dong,HUI Hu,GONG Jian-guo

(School of Mechanical and Power Engineering,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China)

Abstract:In the braking process of cryogenic liquid transportation semi-trailer,the vessel wall is subjected to the impact due to inertia force,which affects the safe transportation of cryogenic liquid.This paper is aimed to simulate the mechanical response of semi-trailer in the whole braking process based on the VOF model of Fluent,and to obtain the impact force and the wall pressure history curve.Meanwhile,factors affecting the impact force are studied,including the acceleration and filling volume.The results show that at the beginning of the braking process,the impact force of the head will reach a peak and then a stable value is obtained.Also,as the acceleration increases,the impact force increases linearly and the impact force has a maximum value with the filling volume of 75%.

Key words:brake;inertia;VOF model;impact of liquid

作者简介：王晓东(1989-)，男，主要从事压力容器和管道结构完整性和安全性研究工作，

通信地址:200237上海市梅陇路130号华东理工大学机械与动力工程学院，E-mail:wkingwxd666@163.com。

收稿日期：2015-09-03修稿日期：2015-11-24

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划课题资助(2011BAK06B02)

doi:10.3969/j.issn.1001-4837.2015.12.003

中图分类号：TH49;O347.1

文献标志码：A

文章编号：1001-4837(2015)12-0013-05