CN105600211B

CN105600211B - 一种适用于运动液体贮箱的肋板式防晃装置

Info

Publication number: CN105600211B
Application number: CN201610024740.8A
Authority: CN
Inventors: 张日葵
Original assignee: Nanjing Innovation Research Institute Of Peking University; Nanjing Peking University Gooding Innovation Co Ltd
Current assignee: Nanjing Innovation Research Institute Of Peking University; Nanjing Peking University Gooding Innovation Co Ltd
Priority date: 2016-01-15
Filing date: 2016-01-15
Publication date: 2018-02-06
Anticipated expiration: 2036-01-15
Also published as: CN105600211A

Abstract

本申请方案涉及一种适用于运动液体贮箱的肋板式防晃装置，其特征在于，所述防晃装置包括矩形贮箱，所述矩形贮箱内设置有肋板式防晃组件，所述防晃组件包括“Z”字型肋板以及设置在肋板上的窗式结构。该装置整体结构设计巧妙、紧凑，加工及安装方便、成本低，并且能够显著提高贮箱在各种充液比及运动环境下的防晃效果。

Description

一种适用于运动液体贮箱的肋板式防晃装置

技术领域

本发明涉及一种适用于运动液体贮箱的肋板式防晃装置，属于工程控制技术领域。

背景技术

运动贮箱内的液体晃动问题是一个典型的流体（即贮箱内的液体）与固体（贮箱）耦合运动问题。即：贮箱受到外部冲击作用（如加速、制动、风浪、碰撞等）后，通过其壁面将这一冲击作用传递至其腔内液体；但由于贮箱内未完全充满液体，因此空腔附近的液体将首先失稳并带动贮箱内的所有液体都呈现大尺度、不规则的往复运动状态。

液体晃动问题广泛存在于航空航天、船舶与海洋工程、陆地交通运输等领域的燃料供给系统或载荷平衡系统中。例如，在飞行器起飞、降落或者是大机动飞行过程中，由于加速或制动作用，油箱中的燃油会产生大尺度晃动。这种液体晃动会带来以下不利影响：（1）对油箱结构产生往复式冲击载荷，造成结构疲劳破坏；（2）当油箱油料比较少时，燃油的大尺度不规则晃动可能会临时中断燃油供给，造成发动机停车、飞行器失去动力，给安全飞行带来潜在威胁；（3）燃油系统中心的不规则变化，可能会改变飞行器的整体重心，从而影响飞行器的飞行稳定性。类似的问题，还广泛存在于航天飞行器的燃料贮箱、船舶燃油供给系统及压水舱以及大型液体货物运载系统（如大型油罐车、液化石油气运输船、浮式生产储油轮、超大型油轮等）中。

贮箱内的液体一旦晃动起来，将很难恢复至静止状态。在没有外部干预的情况下，当且仅当其动能完全被液体内部及液体与贮箱壁面之间的摩擦作用耗散成热后，晃动液体才能静止下来。这一过程非常漫长。这一问题在高速机动或航天飞行等失重或微重力环境下尤为突出。例如，微重力环境下卫星贮箱中的液体燃料晃动后，通常需要数十至数百秒才能稳定下来。

贮箱防晃技术的基本原理是，利用外部装置，增大液体晃动的阻尼，从而加速晃动液体的稳定进程。目前普遍采用的防晃技术包括，在贮箱壁面安装一定形状（如圆形、环形、矩形等）的防晃贴片，或者是将贮箱分割成多个独立舱室。这些技术在一定程度上缓解了贮箱液体晃动对整个承载系统的潜在安全威胁，但是晃动的问题没有从根本上解决。

发明内容

针对上述运动贮箱内的液体晃动问题，本申请提供了一种更有效的防晃装置设计方案。该装置整体结构设计巧妙、紧凑，加工及安装方便、成本低，并且能够显著提高贮箱在各种充液比及运动环境下的防晃效果。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：适用于运动液体贮箱的肋板式防晃装置，其特征在于，所述防晃装置包括矩形贮箱，所述矩形贮箱内设置有肋板式防晃组件，所述防晃组件包括“Z”字型肋板以及设置在肋板上的窗式结构。

作为本发明的一种改进，在“Z”字型肋板上布置的一系列窗式结构沿高度方向呈对称布置。

作为本发明的一种改进，所述肋板高为h，“Z”字型波长为λ；在“Z”字型肋板上布置的一系列窗式结构沿高度方向呈对称布置，窗式结构的开窗宽度、长度、角度及开窗间距分别记为a、b、β、c。

作为本发明的一种改进，矩形贮箱长L、宽B、高H，防晃组件特征参数h、λ、a、b、β、c的合理取值范围如下：h=0.5H~0.8H，λ=B/4~B/2，a=0.2λ~0.4λ，b=0.1a~2.0a，β=60°~120°，c=0.2b~1.0b。由于不同工程领域中的液体贮箱尺寸范围差别非常大（贮箱长度范围约为L=0.5m~50m、宽度范围约为B=0.5m~10m、高度范围约为H=0.1m~10m），因此这里以贮箱尺寸为参照来描述肋板式防晃装置的特征参数。当贮箱长度L数倍于其宽、高尺度时，可沿长度方向布置多个肋板式防晃装置。此时，防晃装置的布置间距可取d=1.0λ~5.0λ。

作为本发明的一种改进，所述防晃组件采用钢、铝、铝合金或复合材料制造。经济耐用。

作为本发明的一种改进，所述防晃组件的数量至少为一个。

相对于现有技术，本发明的优点如下：1）该技术方案整体结构设计巧妙，结构紧凑，2）该技术方案将“Z”字型肋板201与丰富的窗式几何体202相结合，可以在晃动液体系统中触发更多维度、更大尺度范围（旋涡尺度范围从数倍λ细分至λ/4甚至微小尺度）的旋涡流动结构，同时窗式结构还有助于在肋板两侧的晃动液体之间快速实现质量、动量和能量“削峰填谷”，正是这些技术优势，使得本设计方案可以使运动贮箱内的液体快速稳定下来。一般地，本申请方案的晃动液体稳定速度可以比现有设计方案快一个量级；3）该技术方案成本交底，便于大规模的推广应用。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为窗式结构示意图；

图3为本发明另外一种实施例结构示意图；

图中：101、矩形贮箱，201、防晃组件，202、窗式结构。

具体实施方式

为了加深对本发明的认识和理解，下面结合附图和具体实施方式进一步阐述本发明。

实施例1：参见图1，一种适用于运动液体贮箱的肋板式防晃装置，所述防晃装置包括矩形贮箱101，所述矩形贮箱内设置有肋板式防晃组件201，所述防晃组件201包括“Z”字型肋板以及设置在肋板上的窗式结构202，在“Z”字型肋板上布置的一系列窗式结构沿高度方向呈对称布置，所述防晃组件采用钢、铝、铝合金或复合材料制造，经济耐用。所述防晃组件的数量至少为一个。

实施例2：参见图1，所述的肋板式防晃装置设计方案如图1所示，记矩形贮箱101的长、宽、高分别为L、B、H，贮箱内部填充液体（如燃料、油料、水等）。肋板式防晃装置201端面与贮箱内壁平贴，装置呈“Z”字型几何形状。记防晃装置高为h，“Z”字型波长为λ，在“Z”字型肋板上设置了一系列窗式结构202，且沿高度方向呈对称布置，图2给出了“Z”字型肋板201上窗式结构202的放大示意图，其中开窗宽度、长度、角度及开窗间距分别记为a、b、β、c。液体晃动问题通常发生在贮箱充液比不足100%时，充液比是指贮箱内剩余液体体积与贮箱内容积的比值。当充液比在50%左右时，液体晃动所导致的贮箱系统（即贮箱及其内部液体）整体重心变化问题最为突出。基于这一认识，防晃装置201特征参数h、λ、a、b、β、c的合理取值范围如下：h=0.5H~0.8H，λ=B/4~B/2，a=0.2λ~0.4λ，b=0.1a~2.0a，β=60°~120°，c=0.2b~1.0b。

当贮箱长度尺度L较大时，可沿长度方向布置多个防晃装置（为了便于作图，防晃装置表面的窗式结构202未标出，但实际是存在的），如图3所示。其中，防晃装置的间距d的合理范围为d=1.0λ~5.0λ。

本申请方案的工作原理如下，当贮箱内部液体在外加激励作用下晃动时，晃动液面的大尺度整体运动（运动尺度约为L量级）将首先被防晃肋板分隔成多个局部运动（运动尺度为d量级）；由于防晃肋板采用“Z”字型设计，因此在防晃肋板之间或防晃肋板与贮箱内壁之间的液体晃动将进一步被分割成尺度为λ/2量级的运动，并在每一个“Z”型拐角处产生大量尺度小于λ/4量级的局部旋涡结构。在防晃肋板两侧的液体运动形式是相反，即：一个运动周期内在同一外加激励作用下，一侧液体流向肋板，该侧肋板表面压力增加；另一侧液体背向肋板流动，该侧肋板表面压力将减小。因此，肋板表面设置大量窗式结构将具有以下两个作用：（1）窗体202将在“Z”型拐角内产生更多尺度小于λ/4量级（或b/2量级）的局部旋涡结构，且这些局部旋涡结构通常与此前仅由于“Z”型挂角作用而产生的λ/3量级的局部旋涡结构垂直，也即窗体202将促使“Z”型拐角内的流动三维化、小尺度化；（2）相邻两侧的液体将透过肋板上的窗口交换质量、动量和能量，也即肋板上的窗口设计将对相邻两侧的晃动液体具有“削峰填谷”的作用。由流体力学的基本原理可知：流体运动的主要能量都聚集在大尺度流动结构中，即“含能结构”；流体运动的耗散机制是，流体运动的动能总是由大尺度流动结构向小尺度流动结构传递、并最终在微小尺度上耗散成热能的。当流体运动的所有动能都被耗散成热时，整个流体系统就完全静止下来了。上述肋板式防晃装置的设计方案充分体现了这一流体运动的基本原理，其将贮箱内液体晃动的整体运动分割成三个空间维度、多种尺度的局部旋涡结构，使液体晃动的动能由大尺度整体运动迅速传递至中尺度、小尺度及微小尺度的流动结构（即旋涡），加速能量耗散过程，也就促使贮箱内晃动的液体迅速稳定下来。如前所述，本申请方案所述的肋板式防晃装置可适用于航空航天、船舶与海洋工程、陆地交通等各运输领域的液体贮箱。这些贮箱的尺度差别非常大，通常可以高达1-2个量级。例如，贮箱长度L的范围约为L=0.5m~50m（如航天飞行器的燃料贮箱半径约为0.5m量级，大型油轮装载油料的贮箱长度可达50m量级），宽度B的范围约为B=0.5m~10m，高度H的范围约为H=0.1m~10m。因此，上述介绍中我们以贮箱尺寸为参照来描述肋板式防晃装置的特征参数。特别指出的是，图1是以矩形液体贮箱为例设计的肋板式防晃装置示意图。我们不难将此方案推广至其他形状的液体贮箱中。

应用实施例,：

本申请设计方案1的相关参数如下，贮箱长L、宽B、高H分别为0.5m、0.2m、0.1m，肋板式防晃装置特征参数为：h=0.08m，λ=0.1m，a=0.04m，b=0.02m，β=70°，c=0.005m，d=0.25m（沿长度方向安装2个防晃装置，其中第1个距离贮箱前端0.125m）。贮箱初始速度为0、初始加速度为10m/s²，充液比75%。贮箱内液体从开始晃动至稳定（贮箱系统重心位移相对于贮箱长度L的幅值小于0.001）所需时间为2.1s，至液体完全静止的时间为9.5s；而采用传统方法（如侧壁安装10片0.01m×0.01m尺寸的防晃片）所需的时间分别为8.1s和46.7s。

本申请设计方案2的相关参数如下。贮箱长L、宽B、高H分别为0.5m、0.2m、0.1m，肋板式防晃装置特征参数为：h=0.08m，λ=0.1m，a=0.04m，b=0.02m，β=70°，c=0.005m，d=0.25m（沿长度方向安装2个防晃装置，其中第1个距离贮箱前端0.125m）。贮箱初始速度为0、初始加速度为10m/s²，充液比50%。贮箱内液体从开始晃动至稳定（贮箱系统重心位移相对于贮箱长度L的幅值小于0.001）所需时间为3.6s，至液体完全静止的时间为12.1s；而采用传统方法（如侧壁安装10片0.01m×0.01m尺寸的防晃片）所需的时间分别为13.5s和83.6s。

本申请设计方案3的相关参数如下。贮箱长L、宽B、高H分别为1.5m、1.0m、1.0m，肋板式防晃装置特征参数为：h=0.8m，λ=0.5m，a=0.1m，b=0.1m，β=60°，c=0.02m，d=0m（只安装1个防晃装置）。贮箱初始速度为0、初始加速度为5m/s²，充液比50%。贮箱内液体从开始晃动至稳定（贮箱系统重心位移相对于贮箱长度L的幅值小于0.001）所需时间为5.1s，至液体完全静止的时间为42.6s；而采用传统方法（如侧壁安装15片0.1m×0.1m尺寸的防晃片）所需的时间分别为18.4s和120.5s。

本申请设计方案4的相关参数如下。贮箱长L、宽B、高H分别为20m、2.0m、1.0m，肋板式防晃装置特征参数为：h=0.8m，λ=1.0m，a=0.4m，b=0.1m，β=120°，c=0.05m，d=4m（沿长度方向安装5个防晃装置，其中第1个距离贮箱前端2m）。贮箱初始速度为0、初始加速度为5m/s²，充液比50%。贮箱内液体从开始晃动至稳定（贮箱系统重心位移相对于贮箱长度L的幅值小于0.001）所需时间为13.4s，至液体完全静止的时间131.2s；而采用传统方法（如侧壁安装40片0.1m×0.1m尺寸的防晃片）所需的时间分别为46.2s和387.4s。

类似地，可补充其他参数方案。

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims

1.一种适用于运动液体贮箱的肋板式防晃装置，其特征在于，所述防晃装置包括矩形贮箱，所述矩形贮箱内设置有肋板式防晃组件，所述防晃组件包括“Z”字型肋板以及设置在肋板上的窗式结构，在“Z”字型肋板上布置的一系列窗式结构沿高度方向呈对称布置，所述肋板高为h，“Z”字型波长为λ；在“Z”字型肋板上布置的一系列窗式结构沿高度方向呈对称布置，窗式结构的开窗宽度、长度、角度及开窗间距分别记为a、b、β、c，矩形贮箱长L、宽B、高H，防晃组件特征参数h、λ、a、b、β、c的合理取值范围如下：h=0.5H~0.8H，λ=B/4~B/2，a=0.2λ~0.4λ，b=0.1a~2.0a，β=60°~120°，c=0.2b~1.0b。

2.根据权利要求1所述的适用于运动液体贮箱的肋板式防晃装置，其特征在于，所述防晃组件采用钢、铝、铝合金或复合材料制造。

3.根据权利要求2所述的适用于运动液体贮箱的肋板式防晃装置，其特征在于，所述防晃组件的数量至少为一个。