王曉東，惠　虎，宮建國

(華東理工大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，上?！?00237)

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設(shè)計計算

低溫液體運輸半掛車制動過程液體沖擊的研究

王曉東，惠虎，宮建國

(華東理工大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，上海200237)

摘要：低溫液體運輸半掛車在制動過程中，慣性力對容器壁面的沖擊會影響低溫液體的安全運輸。采用Fluent的VOF模型，模擬半掛車制動到停車過程的力學(xué)響應(yīng)，得到了沖擊力及封頭壓力隨著時間的關(guān)系,并分析了影響沖擊力的因素，包括加速度和盛裝量。研究結(jié)果表明,在制動開始時，液體對前封頭的沖擊力達到峰值，隨后達到穩(wěn)定值；隨著加速度的增加，沖擊力線性增加；當盛裝量達到75%時，沖擊力達到最大。

關(guān)鍵詞：制動；慣性力；VOF模型；液體沖擊

0引言

隨著低溫工業(yè)的快速發(fā)展，低溫液體容器已經(jīng)成為壓力容器行業(yè)增速最快、發(fā)展最有前景的產(chǎn)業(yè)之一。根據(jù)文獻中的數(shù)據(jù)，在世界范圍內(nèi)移動式真空絕熱容器在役數(shù)量已超過了3萬臺[1]。移動式壓力容器主要分為氣瓶和罐車兩大類，其中罐車又分為鐵路罐車、汽車罐車、低溫氣體運輸車以及罐式集裝箱等4種。但是在我國使用低溫運輸車是行業(yè)的主流[2]。移動式壓力容器在運輸過程中，不僅承受著內(nèi)壓和外壓，還要承受因路況產(chǎn)生的顛簸以及罐車加速、制動導(dǎo)致的液體晃動等載荷，對于運輸車的行駛平穩(wěn)性造成影響[3-5]。而且為了進行保溫，低溫運輸車多采用高真空絕熱的方式，內(nèi)外筒體的連接采用八點支撐的結(jié)構(gòu)形式，其中支撐使用的材料為非金屬材料環(huán)氧玻璃鋼。液體晃動產(chǎn)生的沖擊載荷不均勻，也會使得罐車內(nèi)容器受力不均，對移動式壓力容器具有較為嚴重的危害。

目前，移動式壓力容器的強度分析多采用等效慣性力的方法。無論是TSG R0005—2011《移動式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[6]，還是中國船級社的《天然氣燃料動力船舶規(guī)范》，慣性力按以下4種情況進行等效計算，即：(1)罐車縱向：最大充裝質(zhì)量乘以2倍重力加速度；(2)罐車橫向：最大充裝質(zhì)量乘以1倍重力加速度；(3)垂直向上：最大充裝質(zhì)量乘以1倍重力加速度(此時不考慮重力載荷)；(4)垂直向下：最大充裝質(zhì)量乘以2倍重力加速度。但是這只是對于慣性力的簡化計算，對于罐車在各種運輸工況下的內(nèi)部液體作用于容器具體的受力狀況不能準確的給出，所以研究液體晃動對于移動式壓力容器的強度分析與設(shè)計具有重要的工程意義。

本文以某低溫設(shè)備公司設(shè)計的低溫運輸半掛車為研究對象，針對運輸過程中罐車緊急制動直至停車的運輸工況，得到了作用于壁面的壓力隨著時間的變化關(guān)系，并且研究了不同加速度、不同盛裝量對于液體晃動產(chǎn)生的沖擊力的大小以及作用時間的影響。通過流體分析的計算方法，可以為以后此類壓力容器的強度分析提供技術(shù)參考。

1低溫運輸半掛車制動過程沖擊力的力學(xué)分析

液體晃動是一種復(fù)雜的流體現(xiàn)象，自由液面時刻都在發(fā)生變化。對于低溫壓力容器沖擊力進行試驗研究，成本較大而且過程復(fù)雜，一般多采用有限元分析的方法對其進行力學(xué)分析[7-8]。同時，許多學(xué)者對于該問題提出了計算模型。對于兩相流和晃動問題適用性比較廣泛的是VOF模型，陳志偉等[9-10]利用VOF模型模擬出臥式容器液體晃動頻率，與理論值吻合較好，并且研究了在側(cè)翻工況下集裝箱罐車受液體沖擊的影響。

1.1　數(shù)值模型的簡化

本文研究的低溫運輸半掛車罐體的幾何尺寸如圖1所示。低溫運輸半掛車內(nèi)徑2000 mm，長度4860 mm，容積14.2 m3，前后封頭采用標準橢圓形封頭。利用ANSYS Workbench建立分析模型，流體區(qū)域為整個罐體的空間。由于低溫半掛車的結(jié)構(gòu)基本關(guān)于縱向截面對稱，為了減少計算量，本文取1/2的流域建立模型。以X軸的正方向為運動方向，整個流域的網(wǎng)格劃分采用四面體單元，網(wǎng)格的劃分數(shù)量為322603個，如圖2所示。半掛車的液體沖擊模擬通過導(dǎo)入Fluent模塊進行計算。

圖1　罐體的幾何尺寸

(a)

(b)

1.2　邊界條件的施加

本文采用的計算模型是Fluent中用于計算多相流的VOF模型，根據(jù)罐車的設(shè)計條件和使用情況，邊界條件如下：(1)液相介質(zhì)為液氬，其密度為1393 kg/m3,氣相介質(zhì)為氬氣，液氬的初始盛裝量為92%；(2)設(shè)置罐體壁面和防沖板為剛體；(3)氣相空間的壓力為0.4 MPa；(4)縱向截面采用對稱邊界；(5)在減速過程中液體晃動模型采用標準k-ε湍流模型；(6)通過udf(user defined function，用戶自定義函數(shù))設(shè)置半掛車為運輸方向減速行駛，加速度大小為2倍重力加速度，1 s后停車，提取2.5 s內(nèi)的數(shù)據(jù)。

根據(jù)靜壓力的理論公式P=ρgh，當半掛車勻速行駛時，內(nèi)筒體壓力分布為P=1393×9.8×1.72=23480.4 Pa。由圖3可以看出，底部最大的靜壓力為2.36×104Pa，結(jié)果與理論計算結(jié)果基本相同，表明模型較為合理。

圖3　罐車制動前罐體初始壁面壓強分布

1.3　制動模擬結(jié)果分析

氣液兩相的液面及前后封頭受力的結(jié)果如圖4,5所示。

(a)t=0.2 s時氣液兩相分布(b)t=0.2 s時罐體壓力分布

(c)　t=2.5 s時氣液兩相分布　　　　　　　　　　　　　　　　(d)　t=2.5 s時罐體壓力分布

可以看出，在低溫液體運輸半掛車開始制動的過程中，前封頭受到液體沖擊力開始迅速增加，在t=0.2 s時達到最大；隨后沖擊變小，在較短的時間內(nèi)達到一個相對穩(wěn)定的沖擊力；當半掛車的速度降為0時，沖擊力迅速減小，并出現(xiàn)小幅波動，一定時間后晃動停止后降為零。而后封頭從開始制動時產(chǎn)生的沖擊力相對于前封頭較小，并且隨著速度降為零后，沖擊力逐漸在很小的沖擊力下波動。而對于壓力分布，可以看出當沖擊力達到最大時，壁面的壓力最大為1.39×105Pa，是靜止時最大壓力的5倍多。

圖5　制動過程前封頭受力情況

2影響制動沖擊力的因素

在低溫液體半掛車加速制動過程中，有很多因素會影響到罐體內(nèi)液體沖擊力的大小，如加速度、罐體盛裝液體量等。同時，上述結(jié)果已表明：半掛車制動過程中，液體對前封頭的作用最大。本文為了研究每個因素的影響規(guī)律，先以無防波板下的加速度與盛裝量兩種因素對半掛車前封頭的液體沖擊力影響進行了研究。

2.1　不同制動加速度的影響

本文通過改變函數(shù)的參數(shù)來改變掛車的加速度，選取了1g,1.5g和2g三種加速度，得到結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯觯?g加速度下，液體的最大沖擊力達到617752 N，沖擊力達到峰值后逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)。隨著加速度的增大，前封頭短時間內(nèi)受到的液體最大沖擊力隨之增大，并且呈線性規(guī)律增加，同時達到?jīng)_擊力的穩(wěn)定值也隨之增加。

(a)不同加速度前封頭沖擊力隨時間的變化(b)最大沖擊力隨速度的變化

圖6不同加速度對前封頭沖擊力的影響

2.2　不同盛裝量的影響

對于盛裝量的要求，JB/T 4783—2007《低溫液體汽車罐車》和JB/T 4784—2007《低溫液體罐式集裝箱》有以下要求：裝運易燃介質(zhì)的低溫罐車，任何情況下可能達到的充滿率應(yīng)不大于95%；裝運不易燃介質(zhì)的低溫罐車，任何情況下可能達到的充滿率應(yīng)不大于98%[11-12]。本文采用制動加速度為2g，研究盛裝量在50%,65%,75%,85%和92%時半掛車的前封頭受力變化情況。

計算結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯觯S著盛裝量的增加，達到最大液體沖擊力的時間提前。對于某一盛裝量，當達到某一時刻時，最終穩(wěn)定在某一數(shù)值，并且穩(wěn)定值隨盛裝量的增加而增大。同時可以看出，當盛裝量在75%之前，盛裝量越大，最大沖擊力越大；當盛裝量超過75%后，盛裝量越大，最大沖擊力逐漸降低。這是因為：盛裝量較小時，流體晃動導(dǎo)致的沖擊力較小；同時，盛裝量很大時，液體晃動作用造成的沖擊力會隨氣相空間的減小而減弱。因此，存在某一盛裝量下液體沖擊力最大，在本例中，沖擊力最大時對應(yīng)的盛裝量為75%。

(a)　不同盛裝量前封頭沖擊力隨時間的變化

(b)　最大沖擊力隨盛裝量的變化

3結(jié)論

本文基于Fluent的VOF模型，分析了低溫運輸半掛車在制動過程中內(nèi)液體因慣性力作用對罐體封頭的沖擊作用。得到以下結(jié)論：

(1)低溫半掛車制動過程中，其在短時間內(nèi)前封頭受力達到最大，最大達到靜載時的5倍(加速度為2倍重力加速度)；隨后沖擊力達到穩(wěn)定值；當車停止后，罐體前封頭所受到的沖擊力降至某一較低值。

(2)隨著加速度的增加，液體對前封頭的沖擊力增加，并且沖擊力呈線性增加。

(3)隨著盛裝量的增加，液體對前封頭的沖擊力在盛裝量低于75%之前增加，并且呈現(xiàn)線性規(guī)律增加；在盛裝量高于75%之后沖擊力開始減小，并且隨著盛裝量的增加，最大沖擊力的作用時間隨之提前。因此，實際運輸過程中，合理控制盛裝量對于安全運輸較為重要。

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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

作者簡介：王曉東(1989-)，男，主要從事壓力容器和管道結(jié)構(gòu)完整性和安全性研究工作，

通信地址:200237上海市梅隴路130號華東理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，E-mail:wkingwxd666@163.com。

收稿日期：2015-09-03修稿日期：2015-11-24

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃課題資助(2011BAK06B02)

doi:10.3969/j.issn.1001-4837.2015.12.003

中圖分類號：TH49;O347.1

文獻標志碼：A

文章編號：1001-4837(2015)12-0013-05