非滿載充液罐車轉彎過程瞬時液體沖擊影響分析①

黃 洋 鄧貴德 張興芳

(1. 太原理工大學化學化工學院；2. 中國特種設備檢測研究院)

非滿載充液罐車轉彎過程瞬時液體沖擊影響分析①

黃 洋1鄧貴德2張興芳1

(1. 太原理工大學化學化工學院；2. 中國特種設備檢測研究院)

采用流體計算軟件模擬非滿載充液罐車的轉彎過程，監測不同充裝率下瞬時液體質心坐標、沖擊載荷和側翻力矩，并與準靜態法(QS)估計值進行對比，分析瞬時液體沖擊對罐體載荷參數的影響。在此基礎上依據準靜態罐車側翻模型建立力矩平衡方程，分析瞬時液體沖擊對罐車側翻閾值的影響。計算結果表明：非滿載充液罐車在轉彎過程中，瞬時液體沖擊會產生附加力和附加力矩，罐內液體質心坐標、沖擊載荷和側翻力矩的QS法估計值小于最大瞬時值而近似等于瞬時平均值；瞬時液體沖擊所產生的附加力矩減小了充液罐車的側翻閾值，因而降低整車側傾穩定性。

罐車 非滿載 瞬時液體沖擊 準靜態 穩定性

95%以上的危化品涉及異地運輸問題，其中80%是通過公路運輸的[1]，充液罐車常作為運輸工具，雖然運輸危化品有諸多細致規定，但安全事故仍屢有發生。事故統計表明，商業貨車側翻致死的事故中31%是由充液罐車引起的，86%的充液罐車側翻事故會伴隨有毒物質的泄漏，進而引發火災或者爆炸，給生命財產安全造成巨大損失。充液罐車轉彎時，罐內液體在慣性力作用下產生晃動進而對罐車產生沖擊載荷，使罐車重心發生偏移，降低車輛側傾穩定性從而極易引發車輛側翻。因此，充液罐車轉彎過程中液體的晃動研究對保障罐車運輸安全極為重要。

我國對罐車內液體晃動問題做過諸多研究。劉雪梅對無防波板罐車內部液體晃動問題進行數值模擬計算，得出不同加速度、充裝率和充裝介質對晃動的影響規律[2]；陳志偉利用數值模擬方法研究罐內液體介質的晃動，求解出4種不同充裝率下的側翻力矩[3]；劉奎和康寧通過實驗與數值模擬相結合的方式，得出防波板面積大于橫截面的40%時，增加防波板面積能顯著改善罐體受力，驗證了《液化氣體汽車罐車安全監察規程》第10條第3款中關于防波擋板有效面積的規定，而設置縱向防波板同樣符合法規[4，5]；萬里平和錢才富比較了不同數量防波板對罐體受力的影響，得出防波板數量的增加對降低最大總沖擊力效果不明顯，但能使介質晃動變得更平緩，有利于罐車的平穩運行[6]；李松采用掃描式激光測振儀對不同充裝率下水平圓柱貯箱受橫向激勵作用時箱內液體的晃動頻率進行了測試[7]。

縱觀國內外研究現狀，絕大多數的以液罐車制動時的液體晃動為主，而對轉彎過程瞬時液體沖擊的定量評估鮮有涉及。筆者對圓形截面罐體模型進行建模，利用流體計算軟件Fluent模擬不同充裝率下充液罐車轉彎過程瞬時液體沖擊，同時依據罐車準靜態側翻模型建立力矩平衡方程。監測罐內瞬時液體質心坐標、沖擊載荷和側翻力矩，并將它代入力矩平衡方程求解側翻閾值。將考慮瞬時液體沖擊求解的瞬時值與利用準靜態法(QS)求解的估計值進行對比，重點分析瞬時液體沖擊對非滿載充液罐車轉彎過程側傾穩定性的影響。

1 理論計算方法

圓柱罐體忽略罐內附加構件和封頭，罐體簡化為一個圓柱體。QS法中罐內液體在縱向上為等截面，其質心位于1/2處，且與罐體截面無關。忽略車身側傾角，則罐內液體質心軌跡為[8]：

(1)

(2)

式中ax——車輛側向加速度；

g——重力加速度；

x——瞬時液體質心x軸坐標；

y——瞬時液體質心y軸坐標；

y0——初始時刻罐內液體質心y軸坐標；

φ——液面傾斜角。

QS法中罐內液體對罐體壁面的沖擊力僅考慮慣性力：

Fx=max

(3)

Fy=mg

(4)

式中Fx——罐內液體水平沖擊力；

Fy——罐內液體垂直沖擊力；

m——罐內液體充裝質量。

圖1為充液罐體準靜態模型，取圖中罐體底部P點作為側傾中心，則罐內液體側翻力矩為：

Mz=maxR

(5)

式中R——罐體圓形截面半徑；

Mz——罐內液體側翻力矩。

圖1 充液罐體準靜態模型

2 數值計算

2.1計算模型

筆者采用Volume of Fluid(VOF)多相流計算模型對罐車內部氣液兩相非定常流動進行模擬。控制方程組包括連續方程和動量方程：

(6)

(7)

其中，u為速度，p為壓強；由于采用VOF模型，所以對應的ρ和μ分別為容積分數的平均密度和分子的運動粘度；ui和uj分別表示速度x方向與y方向分量；在非穩態計算中t為時間。

ρ=αwρw+(1-αw)ρ?

(8)

μ=αwμw+(1-αw)μ?

(9)

其中，αw為液體的容積分數；ρw和ρ?分別為兩相流中液體和氣體密度；μw和μ?分別為液體和氣體動力粘性系數。

充液罐車轉彎過程中，罐內液體瞬時質心坐標、沖擊載荷和側翻力矩可通過 Fluent 軟件計算，在 Fluent 軟件中做如下設置[5]：非穩態計算，標準湍流k-ε模型，VOF 兩相流模型，速度與壓力耦合 PISO 算法，對流項離散格式采用一階迎風，壓力離散采用 Body Force Weighted 格式。

2.2計算模型驗證

為了驗證數值計算模型的有效性，依據文獻[7]中的實驗裝置建立數值模型，求出不同充裝率下的橫向晃動頻率的模擬值并與其實驗值進行對比，結果如圖2所示。

圖2 橫向晃動頻率實驗值與模擬值

由圖2可知，模擬值與實驗值吻合得較好，經計算，所有模擬值與實驗值誤差均在7.4%以內，因此認為筆者建立的數值計算模型可信。

3 計算結果分析及討論

3.1瞬時液體沖擊

筆者采用圓形截面罐體模型進行建模：罐體半徑R為1.016m，長度為12.5m，充裝介質為液態水，罐體充裝率為0.1～0.9，變化步長為0.1，側向加速度為0.1g。利用以上建模結果對罐內液體一個振蕩周期內的瞬時質心坐標、沖擊載荷和側翻力矩進行監測，并與求出的準靜態估計值進行對比。

圖3為各充裝率下瞬時液體質心的x坐標最大值、最小值、平均值與QS法估計值的關系。由圖可知，不同充裝率下瞬時液體質心x坐標最大值均大于QS法估計值，兩者差值會隨著充裝率的增大而逐漸減小，由此可知瞬時液體沖擊對質心水平位移的影響隨著充裝率的增大而逐漸減弱，從圖中還可看出各充裝率下質心x坐標的瞬時平均值近似等于QS法估計值。圖4為各充裝率下瞬時液體質心y坐標最大值、最小值、平均值與QS法估計值的關系，由圖可知，瞬時質心y坐標的最大值、最小值和平均值近似相等，由此可知瞬時液體沖擊對質心垂直偏移的影響非常微弱。

圖3 液體質心x坐標隨充裝率變化關系

圖4 液體質心y坐標隨充裝率變化關系

圖5為各充裝率下瞬時水平沖擊力最大值、最小值、平均值與QS法估計值的關系。從圖中可以看出各充裝率下水平沖擊力的最大瞬時值大于QS法估計值，與質心坐標瞬時平均值相同，水平沖擊力的瞬時平均值也近似等于QS法估計值。定義放大系數為各充裝率下最大瞬時值與對應QS法估計值的比值，各充裝率下水平沖擊力放大系數關系如圖6所示。隨著充裝率的增大瞬時水平沖擊力放大系數逐漸減小，說明隨著充裝率的增大瞬時液體橫向沖擊所產生的附加沖擊力相對于QS法估計值逐漸減小，直至逼近于0。由此可知瞬時液體沖擊對液體水平沖擊力的影響隨著充裝率的增大而逐漸減弱。

圖5 水平沖擊力隨充裝率變化關系

圖6 水平沖擊力放大系數隨充裝率變化關系

圖7為各充裝率下瞬時垂直沖擊力的最大值、最小值、平均值與QS法估計值的關系。與瞬時質心y坐標相同，瞬時液體垂直沖擊力的最大 值、最小值、平均值與QS法估計值近似相等，由此可知瞬時液體沖擊對垂直沖擊力的影響非常微弱。

圖7 垂直沖擊力隨充裝率變化關系

圖8為各充裝率下瞬時側翻力矩的最大值、最小值、平均值與QS法估計值的關系，液體側翻力矩的最大瞬時值大于QS法估計值，而瞬時平均值近似等于QS法估計值。圖9為各充裝率與側翻力矩放大系數的關系，側翻力矩放大系數隨著充裝率的增大而逐漸減小，說明隨著充裝率的增大瞬時液體沖擊所產生的附加力矩相對于QS法估計值逐漸減小，直至逼近于0，由此可知瞬時液體沖擊對液體側翻力矩的影響隨著充裝率的增大而逐漸減弱。

圖8 側翻力矩隨充裝率變化關系

圖9 側翻力矩放大系數隨充裝率變化關系

綜上所述，相比于QS法瞬時液體沖擊會產生附加力和附加力矩且會增大質心偏移，瞬時質心坐標、沖擊載荷和側翻力矩的瞬時平均值近似等于QS法估計值而瞬時液體沖擊對質心坐標、沖擊載荷和側翻力矩的影響隨著充裝率的增大而逐漸減弱。由此可知瞬時液體沖擊所產生的附加力矩加大了充液罐車運行的不穩定性，因此還需探討瞬時液體沖擊對充液罐車側傾穩定性的影響。

3.2瞬時液體沖擊對側傾穩定性的影響

車身和裝載貨物產生的側翻力矩和防止車身側翻回正力矩的平衡決定了車輛的側傾穩定性，罐車轉彎時當內側車輪與地面恰好無接觸時即為罐車側傾的臨界狀態[9]。圖10為準靜態充液罐車簡化模型。

圖10 準靜態充液罐車

忽略車身側傾角，P點為罐體中心O點在地面上的投影點，對P點取矩建立力矩平衡方程：

(Wshs+Wuhu)ax/g+Ml=WT

(10)

式中hs——充液罐車空載時簧上質量重心；

hu——充液罐車空載時簧下質量重心；

Ml——罐內液體側翻力矩；

T——半輪距；

W——罐車總重力(包括液體貨物)；

Ws——充液罐車空載時簧上重力；

Wu——充液罐車空載時簧下重力。

車體主要參數具體如下[9]：

簧上重力Ws120 900N

簧下重力Wu47 596N

簧上質量重心hs1.12m

簧下質量重心hu0.536m

罐體底部高度 1.1m

罐體長度 12.5m

半輪距T0.813m

罐體半徑R1.016m

罐內充裝介質為液態水，充裝率范圍為0～1，其變化步長為0.1。利用Fluent軟件進行數值模擬求出側翻力矩Ml并代入式(10)進行迭代計算直至ax收斂，同時利用準靜態法求出同等密度下的液態和固態介質的側翻力矩，并代入式(10)求出側翻閾值，其結果如圖11所示。

圖11 側翻閾值隨充裝率變化關系

由圖11可知，充裝率為0(罐車空載)和充裝率為1(罐車滿載)時并未產生瞬時液體沖擊，所以三者側翻閾值相等。充液罐車轉彎時QS法求解出的側翻閾值未考慮瞬時液體沖擊的影響，固態與液態介質隨著充裝率的增大，側翻閾值逐漸減小。這是因為隨著充裝率的增大，慣性力隨之增大，重心升高，造成罐車側翻閾值減小。在同等充裝率下，液態介質的側翻閾值小于固態介質，由此可知同等質量的剛性貨物車輛，充液罐車的側傾穩定性更低。這是因為充液罐車轉彎時液態介質重心偏移引起的，隨著充裝率的增大，固態介質與液態介質的側翻閾差值逐漸減小，可見充液罐車液態介質重心偏移隨著充裝率的增大而逐漸減小。對于非滿載充液罐車，考慮瞬時液體沖擊求解的側翻閾值均小于QS法估計值。當充裝率小于0.6時，考慮瞬時液體沖擊求解的罐車側翻閾值隨著充裝率的增大而逐漸減小，充裝率大于0.6時，充液罐車側翻閾值隨著充裝率的增大而逐漸增大，因此充裝率為0.5～0.6時為充液罐車最危險的工況。

定義瞬時液體沖擊影響因子為相對于QS法求解的側翻閾值，考慮瞬時液體沖擊側翻閾值減小量與QS法所求側翻閾值的比值，圖12為各充裝率下的瞬時液體沖擊影響因子。當充裝率小于0.5時，瞬時液體沖擊影響因子隨著充裝率的增加而逐漸增大，最大增至22.61%。當充裝率大于0.5時，瞬時液體沖擊影響因子隨著充裝率的增加而逐漸減小，直至逼近于0。這是因為隨著充裝率的增大，罐內自由空間減小而造成瞬時液體沖擊減弱。充裝率為0.5～0.6時，瞬時液體沖擊影響因子最大即瞬時液體沖擊所產生的附加力矩對充液罐車側翻閾影響最強，從上文分析中又知充裝率為0.5～0.6時充液罐車側翻閾值相對最小，由此可知瞬時液體沖擊極大地降低罐車的側傾穩定性。從圖11、12還可看出當充裝率大于0.8時，瞬時液體沖擊對罐車側翻閾的影響極大地減弱，因此充液罐車運行更加安全。

圖12 瞬時液體沖擊影響因子隨充裝率變化關系

4 結論

4.1非滿載充液罐車轉彎過程中瞬時液體沖擊會產生附加力和附加力矩且會增大質心偏移，瞬時質心坐標、沖擊載荷和側翻力矩的瞬時平均值近似等于QS法估計值而瞬時液體沖擊對質心坐標、沖擊載荷和側翻力矩的影響會隨著充裝率的增加而逐漸減弱。當充裝率較大時，瞬時液體沖擊作用較弱因而QS法可以較好地估計罐內液體沖擊的瞬時值。

4.2通過建立力矩平衡方程，求出在瞬時液體沖擊作用下的側翻閾值，同時利用QS法求出同等密度下液態和固態介質的側翻閾值。通過對比可以看出，QS法可以較為準確地描述罐車穩定性的變化趨勢，但是在瞬時液體沖擊作用下，實際側翻閾值低于QS估計值，下降幅度最大至22.61%。

4.3充裝率為0.5～0.6時，瞬時液體沖擊所產生的附加側翻力矩對充液罐車側翻閾值影響最強而充裝率大于0.8時，瞬時液體沖擊對罐車側翻閾值的影響極大地減弱，因此在非滿載充液罐車運行中，應當選取合適的充裝率或者添加相應防晃裝置以降低瞬時液體沖擊對罐車側傾穩定性的影響。

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AnalysisofInstantLiquidShockEffectofNon-Full-FilledTankinCourseofTurning

HUANG Yang1, DENG Gui-de2, ZHANG Xing-fang1

(1.CollegeofChemistryandChemicalEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology;
2.ChinaSpecialEquipmentInspectionandResearchInstitute)

Having fluid calculation software adopted to simulate the turning course of a partially-filled tank, monitoring instant center-of-mass coordinate of differently-filled fluids, shock load and the lateral force and roll torque were implemented, including having the monitored results compared with the estimated value from the quasi-static method and investigating the shock effect of transient liquids on tank’s load parameters. Having the quasi-static tank’s roll model based to create the moment balance equation and to analyze liquid’s instant shock effect on the tank’s rollover threshold show that, the liquid’s instant shock in non-full-filled tank in the course of turning can produce additional force and the; within the tank, the liquid’s center-of-mass coordinate, shock load and the lateral force and roll torque estimated by quasi-static method are smaller than maximum transient values and approximately equal to the transient average values; the additional moment from the liquid’s instant shock reduces the rollover threshold and the tank’s roll stability.

tank, non-full-filled, instant liquid shock, quasi-static, stability

國家公益性行業(質檢)科研專項項目(201010029)；國家重點研發計劃項目(2016YFC0801903)。

黃洋(1991-)，碩士研究生，從事化工過程機械方向的研究。

聯系人鄧貴德(1982-)，高級工程師，從事CAE仿真研究，dengguide@163.com。

TQ053.2

A

0254-6094(2017)05-0558-06

2016-11-17，

2017-09-05)