[发明专利]车载金属油罐内部油料晃动数值模型的建立方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属油罐中油料晃动的分析领域，具体是一种车载金属油罐内部油料晃动数值模型的建立方法。

背景技术

车载金属油罐是运加油车的重要组成部分，需通过一定的方式固装于底盘车架上，分析其受力状态和计算结构强度非常困难，使用中常发生罐体开裂或者将罐体设计得很笨重，耗材增加，造成不必要的浪费等现象。其主要特点是：

(1)油罐安装在底盘上，车辆在行驶中罐体随底盘处于运动状态，油罐的受力情况不同于静态储油的卧式金属油罐，除承受气压、液压、罐体自重外，还要承受车辆紧急制动和道路颠簸引起的动载荷。

(2)受底盘载重量、牵引力及道路条件的制约，油罐额定容量较小，多数在20m³以下。油料在罐内存放时间不长，收发油料较频率。

(3)罐内油料在紧急制动或转弯时大幅晃动，对罐体结构强度及侧翻稳定性有较大影响。

油罐车在行驶当中，由于路面情况的变化，驾驶员的方向操纵，紧急情况的处理等，车辆行驶状态会发生改变，车辆行驶的不稳定与越野车载金属油罐内的液体油料产生相互作用，引起罐内液体晃动，对罐壁产生冲击，同时引起液体重心偏移，汽车质心变化，产生侧翻弯矩，造成轴荷分配不均，极易发生翻车事故。一旦晃动频率与底盘振动频率相交耦，还会产生共振，造成罐体破坏。因而越野金属油罐车在行驶中存在安全隐患，其侧翻时极易发生油品爆炸和泄露，产生巨大的危害和损失。国内外的大量报道都指出，充液油罐汽车翻车的概率比普通载货汽车大得多，例如：2009年10月28日，成绵高速一油罐车侧翻漏油，引起燃烧爆炸，造成数人遇难；2011年3日下午7点左右，一辆油罐车因交通事故发生侧翻造成200多人死亡。

当油罐车在行驶过程中紧急制动、突然加速、急转弯或者在凹凸不平的越野道路上颠簸时，车载金属油罐内部液体介质会发生晃动(Sloshing)，它产生的原因是外界对充液油罐施加的扰动，内部液体的晃动的形式也是多种多样的，如自上而下晃动、大幅晃动和混沌晃动等。车载金属油罐内部自由液面的位置在晃动过程中是时刻改变的，并且自由液面边界条件非常复杂，在晃动过程中可能产生碎波分离，这在实质上是复杂的非线性问题，对它的研究和求解非常困难。液体油料晃动的过程研究涉及动压力分布、作用力、力矩和自由液面固有频率等多个方面，这些参数直接影响到运加油车行驶的稳定性和车载金属油罐的性能，如可能导致油罐结构破坏，出现漏油现象。

对流体运动规律进行计算的学科即计算流体动力学(CFD)，它属于计算力学中的一个学科分支，CFD也是研究液体晃动的主要方法。CFD是根据液体流动的三大基本方程(质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程)，对液体流动情况进行数值模拟，其基本方法可以归纳为：用有限个离散点上的变量值的集合代替原来在时间域及空间域上连续的速度场和压力场等，根据这些量需要满足的基本物理关系，列出这些离散点上的代数方程组，然后对这些代数方程组进行求解以获得场变量的近似值。

经过四十多年的发展，CFD出现了多种数值解法，其分类方法有多种，按照对流体运动的坐标描述，可以分为欧拉法、拉格朗日法和任意拉格朗日-欧拉法；按照对控制方程的离散方式，可以分为有限差分法、有限元法、有限体积法和边界元法等；按照对流体自由面的计算方式，可以分为移动网格法、LEVEL-SET法、VOF(The Volume-Of-Fluid Method)法、和MAC(The Marker-And-Cell Method)法等。

①对流体运动进行描述时，根据我们采用的坐标网格是静止不动还是随流体运动，可以分为欧拉法、拉格朗日法和任意拉格朗日-欧拉法。

欧拉法又称为空间点法，其原理是设法在空间中的每一点上描述出流体运动随时间的变化情况，即流体的速度场、压力场、密度场等。采用欧拉法描述时，采用的是空间位置在流体运动过程中保持不变的网格。正是由于欧拉网格的位置、形状不会改变，当液体晃动时，对自由液面的追踪需要结合采用其他跟踪边界的方法，如VOF法和LEVEL-SET法等。

拉格朗日法又称为质点法，它是把流体域看做由许许多多的流体质点组成，只要知道每个流体质点在整个过程中的运动规律，那么，流动的规律也描述出来了。采用拉格朗日法描述时，可以无网格化，如果有空间网格，网格区域在流体区域，并且和流体一起运动。因此，初始时哪些网格节点所处位置是液体自由界面上，在运动过程中它们还是，可以比较精确地描述自由液面。采用拉格朗日法求解时，方程中不存在对流项，简化了数值求解过程，并且比较容易考虑表面张力效应。