縱向擋板數量對梯形液艙晃蕩的影響

趙明瀚，王 鐵

（沈陽理工大學 汽車與交通學院，遼寧 沈陽 110159）

液體晃蕩研究最先出現在航天領域，隨后在各種充液系統中廣泛應用。擋板對于充液系統來說是必不可少的，油箱中的擋板能夠防止在崎嶇路面，由于液體顛簸而吸入空氣。對于大型載液車輛來說，能夠抑制內部液體晃蕩，避免側翻。目前研究液體晃蕩的普遍三種方法為理論研究、數值模擬、實驗研究。其中數值模擬由于準確性高、方便、實時等特性被廣泛應用。文章將采用數值模擬的方法對于不同縱向擋板的梯形液艙的晃蕩情況進行模擬，對比不同數量擋板對于液體晃蕩抑制的效能。

1 模型介紹

圖1為擋板模型尺寸圖，圖1(a)為單擋板模型，下半部分為液體，黑色為擋板，下部寬度為0.8 m，上部寬度為1.2 m，梯形部分長為0.2 m，高為0.24 m擋板，寬度為0.05 m，布置在水箱下部中間位置，液體部分的高度為0.4 m。圖1(b)將單擋板模型改為雙擋板模型，圖1(c)將單擋板模型改為三擋板模型，擋板位于底部等距分布。

其中1，2，3，4為四個壓力監測點，其具體坐標如表1所示。

2 數值模擬

2.1 VOF方法

流體體積函數（Volume-Of-Fluid,VOF）方法是通過體積比的函數的方式來確定自由液面變化的，在F=1的網格單元中為純設定流體，在F=0的網格單元中無設定流體，一般設定為空氣。0＜F＜1的網格單元也叫作交界面網格單元。在流場中任意一點（,），其定義函數F（,,）為

F的狀態的傳輸方程為

2.2 PISO算法

壓力-速度耦合（Pressure-Implicit with Splitting of Operators, PISO）算法是計算瞬態不可壓縮液體流動的一種算法。PISO算法速度場由速度修正方程修正后，并沒有直接回到如下動量方程進行迭代循環，而是直接進行更新矩陣，求解壓力泊松方程，動量方程只是初始迭代使用過一次，此后便不再使用，因此，計算量少，計算速度優于其他算法，如圖2所示。

2.3 計算模型

首先使用計算流體動力學的集成計算機工程和制造代碼（The Integrated Computer Engineering and Manufacturing code for Computational Fluid Dynamics, ICEMCFD）對于模型進行網格劃分，再用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics,CFD）分析軟件對于該模型進行數值模擬，采用瞬態求解器，考慮到在行駛過程中會收到橫向與垂向的激勵，所以在橫向上的激勵選擇=sin2π的正弦激勵，在垂向添加重力加速度=-9.81 m/s，晃蕩的幅值=0.5 m，外界激勵頻率選擇=1.5 Hz，使用多相流模型，粘性模型選擇使用可實現的k-ε模型，速度壓力耦合使用PISO方案，選擇非迭代時間推進，設置好后對于模型進行求解。

2.4 自由液面波形對比

圖3為0.6 s時單擋板、雙擋板以及三擋板梯形水箱的自由液面，圖4為1.2 s時的自由液面，可以看出單擋板梯形水箱的自由液面變化幅度大于雙擋板梯形水箱，大于三擋板梯形水箱，即增加擋板數量有助于抑制水箱內部液體晃蕩。

2.5 箱體邊緣壓力對比

對于各個壓力檢測點進行壓力監測，得到壓力歷時曲線對比圖，其中實線曲線為單擋板梯形水箱的壓力歷時曲線，點劃線曲線為雙擋板梯形水箱的壓力歷時曲線，短點線曲線為三擋板梯形水箱的壓力歷時曲線，如圖5—圖8所示。從各個點的壓力歷時曲線對比圖中可以看出，單擋板梯形水箱的壓力波動大于雙擋板梯形水箱的壓力波動，雙擋板梯形水箱的壓力波動大于三擋板梯形水箱的壓力波動。由于3與4點在液位線附近，在晃蕩時受到的翻卷拍擊作用較大，曲線呈現雙峰特性。由于4點位于液位線以上，故其初始壓力為零，隨著晃蕩的進行壓力逐漸升高。

通過表2—表4的數據可以計算得知，在1點單擋板的壓力差為430.468 Pa，雙擋板為325.924 Pa，三擋板為296.132 Pa。在2點單擋板的壓力差為403.071 Pa，雙擋板為395.035 Pa，三擋板為326.867 Pa。在3點單擋板的壓力差為706.606 Pa，雙擋板為634.608 Pa，三擋板為517.208 Pa。在4點單擋板的壓力差為224.652 Pa，雙擋板為46.309 Pa，三擋板為27.411 Pa。比較三種數量擋板的各個壓力監測點的壓力差發現，隨著擋板數量的增加壓力差減小，即增加擋板數量有助于提高箱體防晃效能。

3 結語

文章對于單擋板、雙擋板與三擋板梯形水箱的自由液面以及其測壓點的壓力歷時曲線進行了對比，隨著擋板數量的增加，自由液面的波動下降，測壓點壓力也隨著下降，各個點的壓力差減小，得出結論，增加梯形水箱縱向擋板的數量能夠提高梯形水箱的防晃效能。