CN107958099A - 一种浮板抑波结构抑制罐内液体受迫波动对整车行驶安全性影响的研究方法 - Google Patents
一种浮板抑波结构抑制罐内液体受迫波动对整车行驶安全性影响的研究方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种浮板抑波结构抑制罐内液体受迫波动对整车行驶安全性影响的研究方法，采用ANSYS FLUENT流体动力学分析软件和实体模拟试验相结合的方法进行试验研究，流体动力学分析软件的应用为实体模拟试验台的搭建和试验方案设定提供一定的参考依据；其特征在于方法步骤如下：(1)ANSYS FLUENT流体动力学分析软件；(2)浮板抑波结构实体模拟试验台。本发明的优点是：相较于固定式防波板，本发明创新的采用浮板抑波结构，抑制液罐汽车罐内液体受迫波动，将浮板抑波结构参数与罐内液体受迫波动的影响因素相关联，建立罐内液体浮板抑波结构流体动力学模型，是以往抑制罐内液体受迫波动所未涉及的，在研究方法上是一种拓展和创新。
Description
技术领域
本发明涉及一种液罐汽车领域，具体为一种浮板抑波结构抑制罐内液体受迫波动对整 车行驶安全性影响的研究方法。
背景技术
研究意义：相较于固体货物汽车，液罐汽车所载液态货物具有一定的流动性，使汽车 在转向和制动状态下行驶稳定性差，易发生交通事故，如液罐车侧翻和追尾等，其中液罐 车侧翻事故可能会引起罐体内液体的泄露，并且常常引起火灾、爆炸、环境污染、人员大面积中毒等灾难性后果，严重危害社会和人民财产安全。本发明的研究在于如下几个方面：(1)研究有利于全面了解液罐汽车浮板抑波机理对行驶安全性的影响，提高此类车辆行 驶安全性，降低交通事故和危险品泄漏危害的发生；(2)研究浮板抑波结构表面形态对 罐内液体受迫波动的抑制作用，可降低罐内液体流速和波能，提高抑波效果；(3)描述 浮板抑波流固耦合动力学特性的数值模型，可以推动整车主动安全技术的发展和车身稳定 系统的研发，进而提高车辆防侧翻、追尾的能力；(4)通过优化算法对浮板抑波结构参 数优化，可准确把握浮板结构参数对抑波效果的影响规律，确定抑波结构参数优化方法， 可有效提高抑波效果。
国内外研究现状及发展动态分析：随着经济的飞速发展，燃油和危险化学品运输量不 断急增，液罐汽车成为此类货物的主要运输工具。由于所载货物的特殊性，液罐汽车行驶 稳定性成为学者们关注的问题。相比于城市内或工厂内的运输，大型液罐车在城际间运输 上更容易出现安全问题。相较于固体货物汽车，液罐汽车所载液态货物具有一定的流动性， 使汽车在转向和制动状态下行驶稳定性差，易发生交通事故，如液罐车侧翻和追尾等，其 中液罐车侧翻事故可能会引起罐体内液体的泄露，并且常常引起火灾、爆炸、环境污染、 人员大面积中毒等灾难性后果，严重危害社会和人民财产。通过归纳液罐汽车交通事故特 征可知，单车翻车和两车追尾是主要事故类型。因此，研究液罐汽车单车翻车和两车追尾 事故的成因，有助于降低此类事故的发生概率。研究表明，罐内液体受迫波动导致液罐汽 车行驶安全性不足。
抑制罐内液体波动对储液罐稳定性的影响，国内外学者进行一系列探索性研究，取得 了大量研究称成果，防波板是国内外学者常见的抑制措施。防波板抑制液体受迫波动： Akyildiz Hakan利用实验研究了矩形罐体内液体晃动的压力分布，实验证实防波板可以有 效减弱液体冲击，并且提出通过实验研究流体冲击力需要考虑流体粘度；刘小民等基于流 固耦合方法对液罐车制动时流体晃动进行了数学模拟，研究了充液比和防波板的材料对液 体冲击罐壁的影响；岳宝增研究了柔性挡板圆柱形罐体内液体晃动耦合频率，得出耦合频 率随着挡板的刚度增加而增加的结论。如表1.1所示，列举几种固定式防波板放置方法， 研究成果表明，防波板对罐内液体冲击具有较强的抑制作用，研究用罐体多为圆形截面水 平放置罐体或圆柱形垂直放置罐体，而防波板的形状也比较单一，并未对板面进行特殊处 理。固定式防波板放置方法示意图，如图1-4所示，罐内液体冲击有两种不同的研究方向， 分别是水平(图1和图4)和垂直(图2和图3)放置，而液体冲击运动的主要分为线性和非线性运动，主要表现形式为罐内液体自由液面运动形态，这也是国内外学者设置防波板的依据。由此可见，固定式防波板是国内外学者们的主要抑制措施，而抑制罐内液体自由液面运动成为研究的重要方向和解决问题的关键，本发明将采用浮板抑波结构抑制罐内液体受迫波动对整车行驶安全性的影响。
表1.1固定式防波板放置方法
在抑制自由液面波动方面，各个研究领域研究学者取得了一些成果，如航空航天燃料 罐、航海油轮油舱、地面油罐、液罐汽车和沿岸防波堤等研究领域。特别是在沿岸防波堤 研究中，研究学者运用消浪机理设计防波堤，减小水浪对沿岸的冲击，如竹筏式、空箱式圆柱形空箱式等消浪结构，均达到较好的消浪效果。消浪结构的国内外研究成果概述，如表1.2所示，学者们从消浪机理出发，探索抑制液体自由液面运动和波能耗散的方法和措施，研究结果表明消浪结构可以有效地抑制液体受迫波动，成为本研究领域学者们的共识，也为研究抑制液罐汽车罐内液体受迫波动影响，提供了行之有效的研究思路。已有的消浪结构，仅针对防波堤和垂直放置罐体进行了探索性研究，但针对液罐汽车水平放置罐体内液体冲击，并没有相应的深入研究。因此，运用波能反射和波列间的干涉效能机理，研究 浮板抑波结构及其消浪机理成为本发明的关键组成部分。以往抑波结构研究中，国内外学 者们未考虑结构表面形态对液体波动的影响，本发明将摩擦学相关理论作为依据，探索浮 板抑波结构表面形态对罐内液体波动的影响。研究表明，模仿自然界中特有的生物现象， 可以有效解决工程上遇到的复杂问题。镶嵌式仿生耦合功能表面通过表面材料与基底非光滑结构的耦合所产生的位移实现对流体介质的顺应，通过稳定流过其表面的紊流，降低了流固交界面的流体速度，从而实现对流体介质的控制。因此，基于紊动消能机理，仿生学 功能表面应用于浮板抑波结构表面，也为研究浮板抑波结构表面形态对液体波动影响提供了新思路。本发明将浮板抑波结构及表面形态作为切入点，解决液体受迫波动影响液罐汽车行驶安全性的问题。
表1.2消浪结构放置方法
在国内外液罐汽车罐内液体冲击对整车行驶稳定性影响方面，已开展了一定的基础研 究工作。吉林大学对罐内液体冲击现象进行了深入研究，搭建了罐内液体冲击模拟试验台， 对液罐汽车转向和制动过程中罐内液体冲击现象进行了模拟，明确了罐内液体的主要影响 因素和液体冲击运动规律；建立了罐内液体冲击线性和非线性动力学模型，以数学模型的 方式模拟罐内液体冲击运动；建立了液罐汽车动力学响应模型，与罐内液体冲击线性模型 进行流固耦合，构建液罐汽车流固耦合动力学模型，研究了液体冲击对整车行驶稳定性的 影响；运用改进型遗传算法对液罐汽车罐体尺寸进行了优化，获得了具有良好侧向稳定性 的罐体尺寸。
综上所述，液罐汽车在转向和制动状态下整车行驶稳定性不足与罐内液体受迫波动作 用有关，而罐内液体受迫波动现象是由外部激励类型、罐体截面形状及尺寸、液体粘度和 充液比等影响因素决定，明确罐内液体受迫波动的主要影响因素和液体冲击运动规律，有 助于研究如何抑制液体受迫波动对整车行驶安全性的影响。以往的抑波结构设计未考虑制 动和转向行驶状态和各种截面形状罐体条件下罐内液体受迫波动规律，而抑波结构表面形 态对抑制液体波动影响鲜有研究，使抑波结构的有效性和适用性大大降低。由此可见，研 究抑波结构及机理是解决整车行驶安全性不足问题的核心，也是构建流固耦合系统模型的 首要问题。因此，本发明将浮板抑波结构及表面形态对整车行驶安全性的影响作为研究对 象，以充液系统动力学、流固耦合动力学、计算流体动力学、摩擦学、消浪结构及机理、 车辆系统动力学和优化算法为基础理论依据，通过数学模型、流体动力学仿真和实体模拟 试验相结合的方式，揭示浮板抑波结构及表面形态对罐内液体受迫波动的消浪机理，将浮
发明内容
本发明的目的在于提供一种浮板抑波结构抑制罐内液体受迫波动对整车行驶安全性 影响的研究方法。
本发明的技术方案如下：一种浮板抑波结构抑制罐内液体受迫波动对整车行驶安全性 影响的研究方法，采用ANSYS FLUENT流体动力学分析软件和实体模拟试验相结合的方法 进行试验研究，流体动力学分析软件的应用为实体模拟试验台的搭建和试验方案设定提供 一定的参考依据；其特征在于方法步骤如下：
(1)ANSYS FLUENT流体动力学分析软件；
a.前处理阶段；运用GAMBIT前处理软件，建立椭圆形、圆形和改进方形罐体3维模型，并进行网格划分、边界条件和区域设定。
b.求解器求解；运用FLUENT求解器求解，选择FLUENT求解器和计算模型，设置操作环境和边界条件，定义流体的物理性质，求解方法的设置及控制，最后进行迭代计算； 流体计算模型用Navier-Stokes方程，湍流模型采用标准两方程模型，求解数值方法为Reynolds时均方程加湍流模拟(RANS)，流体域顶部和两侧均采用无滑移的壁面条件，采 用Scable Wall Function壁面函数法对k-ε两方程模型在近壁区的流动进行修正。固体计 算采用Transient structural；
c.迭代计算；显示压力、速度等值线云和速度矢量图，分析浮板抑波结构和罐内液体波动影响因素之间的关系。
(2)浮板抑波结构实体模拟试验台；
a.测试装置及用途，安装测力传感器、加速度传感器、液位计和高速摄像机等测试装置，试验台可实现对储液罐体进行往复振荡激励；测力传感器安装至罐体承载小车前段，实时测量由液体受迫波动所产生的惯性力，通过软件读取相关数据；加速度传感器安装在承载小车上，实时测量承载小车加速度变化情况；液位计和高速摄像机等测试装置，实时观测罐内液体受迫波动时自由液面变化情况，并测得装有液位计的液面高度。
b.试验罐体选用；根据相似性理论，等比例缩小储液罐罐体尺寸，制造椭圆形、圆形和改进方形罐体，罐体采用透明材料制作，便于观测罐内液体自由液面变化。
c.试验方案设定；根据试验设计及其优化相关方法，设计不同充液比和外部激励强 度条件下的试验方案，科学合理安排试验组，避免不必要且差别较小的相似试验组，对三 种不同截面罐体内浮板抑波结构进行试验。
本发明研究以充液系统动力学、流固耦合动力学、计算流体力学、消浪结构及机理、 摩擦学、车辆系统动力学、优化算法和试验设计及其优化等相关理论为指导，通过实体模 型试验、计算机仿真和数学模型相结合的方法，构建液罐汽车浮板抑波结构流固耦合系统 模型，研究浮板抑波结构对液罐汽车液体受迫波动的抑制作用。关键技术如下：
1)根据充液系统动力学和流体动力学相关理论，利用Hamilton原理，建立罐内液体 浮板抑波结构流体动力学模型，确定罐内液体浮板抑波结构对罐体液体受迫波动影响因素 之间的关系。通过ANSYS FLUENT流体动力学分析软件，对浮板抑波结构进行流场分析。
2)根据计算流体力学和摩擦学相关理论，提取并确定浮板抑波表面形态结构，对浮 板抑波结构表面形态进行研究，研究表面形态结构参数与罐内液体流速和波能的相关性， 利用ANSYS Workbench软件对浮板抑波结构表面形态进行流固耦合计算，为了更好地满足 计算所需的精度，而且能够节约计算时间，模拟模型采用标准k-ε模型，标准k-ε模型的方 程如下：
湍流动能方程为
湍流耗散方程为
其中
式中：ηt为湍动黏性系数，Cη为k-ε湍流模型常数，k为湍流动能，ε为湍流耗散率，ρ为 流体密度，Pk为湍动能生成项。
3)运用流固耦合动力学和车辆系统动力学理论。液罐汽车动力学模型如图1所示，无 抑波结构整车响应动力学模型如图7所示，液罐汽车浮板抑波结构流固耦合系统模型如图8 所示。建立液罐汽车整车动力学响应模型，与浮板抑波流体动力学模型进行流固耦合，构建 液罐汽车浮板抑波结构流固耦合系统模型，明确浮板抑波结构对液罐汽车制动效能、侧向加 速度和横摆角速度等评价参量的影响关系。
本发明的优点是：(1)相较于固定式防波板，本发明创新的采用浮板抑波结构，抑制液罐汽车罐内液体受迫波动，将浮板抑波结构参数与罐内液体受迫波动的影响因素相关联，建立罐内液体浮板抑波结构流体动力学模型，是以往抑制罐内液体受迫波动所未涉及的，在研究方法上是一种拓展和创新。
(2)运用摩擦学相关理论，提取表面形态结构参数，研究浮板抑波结构表面形态结构 参数对罐内液体波动的控制机制，确定浮板抑波结构表面形态，是以往浮板抑波结构所未 研究的。
(3)运用流固耦合动力学和车辆系统动力学理论，构建液罐汽车浮板抑波结构流固耦 合系统模型，明确浮板抑波结构对液罐汽车制动效能、侧向加速度和横摆角速度等评价参 量的影响关系。
附图说明
图1为本发明固定式防波板放置方法的水平或垂直放置图。
图2为本发明固定式防波板放置方法的多层圆环形图。
图3为本发明固定式防波板放置方法的圆环形图。
图4为本发明固定式防波板放置方法的T形图。
图5为本发明的技术路线图。
图6为本发明的液罐汽车动力学模型图。
图7为本发明的液罐汽车动力学模型图二。
图8为本发明的液罐汽车动力学模型图三。
其中，图7和图8说明如下：1、坐标轴X轴方向为液罐汽车前进方向；2、图7中框 内为抑波结构，包括浮板和支撑杆件，二者铰接；3、抑波结构的材料密度小于罐内液体 密度；4、支撑杆件为套筒设计，与罐体固联，可垂直方向自由运动；5、罐体底部中间处 放置支撑杆件；6、注入液体后浮板将会浮起，起到抑制罐内液体自由液面运动的作用。
具体实施方式
本发明的研究内容：
(1)罐内液体浮板抑波结构及其消浪机理。确定浮板抑波结构，揭示浮板抑波结构对液罐汽车罐内液体受迫波动的消浪机理，明确浮板抑波结构参数与罐体截面形状及尺寸、外部激励类型、罐内液体粘度和充液比等影响因素关系。
(2)浮板抑波结构表面形态对罐内液体受迫波动的控制机制。确定浮板抑波结构表 面形态结构参数，阐明浮板抑波结构表面形态结构对流体介质的控制机制，明确其对罐内 液体受迫波动的抑制效果。
(3)浮板抑波结构参数对罐内液体受迫波动的消浪机理。明确浮板抑波结构尺寸参数 的优化方法，揭示浮板抑波结构形状及尺寸参数变化对罐内液体受迫波动的消浪机理，确 定最佳浮板抑波结构尺寸参数。
(4)浮板抑波结构流固耦合对整车行驶安全性的影响。基于浮板抑波结构及表面形 态和最佳结构尺寸参数，建立液罐汽车浮板抑波结构流固耦合系统模型，揭示浮板抑波结 构对液罐汽车行驶安全性的影响规律。
(5)验证浮板抑波结构及表面形态的抑制作用。搭建浮板抑波结构模拟试验台，从图 像采集和测试数据等角度，揭示浮板抑波结构对罐内液体波动的抑制作用，进一步验证浮 板抑波结构及表面形态对抑制罐内液体波动的有效性和适用性。
本发明的研究目标：探索浮板抑波结构对液罐汽车罐内液体受迫波动的消浪机理问 题，明确浮板抑波结构参数与储液罐罐体截面形状及尺寸参数、液体粘度和充液比等液体 受迫波动影响因素的关联性及关联度，阐明浮板抑波结构及表面形态对罐内液体受迫波动 的抑制作用，确定基于优化算法的储液罐浮板抑波结构参数优化方法，建立浮板抑波结构 流体动力学模型和整车动力学响应模型，基于上述两个模型构建液罐汽车浮板抑波结构流 固耦合系统模型，搭建浮板抑波结构模拟试验台，验证浮板抑波结构及表面形态对抑制罐 内液体波动的有效性和适用性，为研究浮板抑波结构对液罐汽车行驶安全性的影响提供理 论与试验依据。
本发明拟解决的科学问题：(1)揭示浮板抑波结构对液罐汽车罐内液体受迫波动的 消浪机理。(2)揭示浮板抑波结构及表面形态对罐内液体受迫波动的控制机制。(3)研究浮板抑波结构流固耦合系统对液罐汽车行驶安全性影响问题。
本发明的研究方法；
1)运用充液系统动力学、计算流体动力学理论，根据波能反射和波列间干涉效能机理， 明确浮板抑波结构参数与罐体截面形状及尺寸、外部激励类型、罐内液体粘度和充液比等 影响因素关系，建立浮板抑波结构流体动力学模型。
2)运用摩擦学相关理论和有限元分析法，提取表面形态结构参数，对浮板抑波结构表 面形态进行研究，明确浮板抑波结构表面形态对抑制罐内液体波动的影响规律，研究浮板 抑波结构表面形态结构参数与罐内液体流速和波能等评价参量的相关性，建立浮板抑波结 构表面形态结构有限元模型。
3)基于多目标优化理论及算法，针对液罐汽车在制动和转向状态下罐内液体受迫波动 规律，以降低液体流速和波能为目标，将浮板抑波流固耦合系统模型作为适应度函数，运 用优化算法对浮板抑波结构尺寸参数进行优化，获得最佳浮板抑波结构尺寸参数。
4)运用流固耦合动力学和车辆系统动力学理论，建立液罐汽车整车动力学响应模型， 与浮板抑波流体动力学模型进行流固耦合，构建基于最佳浮板抑波结构尺寸参数及表面形 态的液罐汽车浮板抑波结构流固耦合系统模型，明确浮板抑波结构对液罐汽车制动效能、 侧向加速度和横摆角速度等评价参量的影响关系。
5)基于相似性理论和试验设计及其优化方法，搭建浮板抑波结构模拟试验台，确定 试验指标和需要考察的因素，编制试验方案，验证浮板抑波结构及表面形态对抑制罐内液 体受迫波动的有效性和适用性。
本发明的技术路线：本发明研究将在充分查阅国内外学术资料的基础上，以充液系统 动力学、流固耦合动力学、消浪结构及机理、计算流体力学、摩擦学、车辆系统动力学、优化算法和试验设计及其优化等相关理论为指导，通过实体模拟试验、计算机仿真和数学模型相结合的方法，构建液罐汽车浮板抑波结构流固耦合系统模型，明确浮板抑波结构及表面形态对液罐汽车液体受迫波动的抑制作用，研究浮板抑波结构流固耦合特性对整车行驶安全性的影响。
研究过程中，创新的运用浮板抑波结构抑制罐内液体受迫波动，明确浮板抑波结构表 面形态对液体受迫波动的影响规律，研究其抑制液体受迫波动的有效性和适用性。本发明 研究遵循定性分析与定量分析相结合的原则，运用数学模型和流体动力学分析软件，揭示 浮板抑波结构的消浪机理，充分把握浮板抑波结构的抑制效果。最后，通过实体模拟试验 台验证浮板抑波结构的有效性和适用性。具体技术路线如下图5。
本发明的技术方案如下：一种浮板抑波结构抑制罐内液体受迫波动对整车行驶安全性 影响的研究方法，采用ANSYS FLUENT流体动力学分析软件和实体模拟试验相结合的方法 进行试验研究，流体动力学分析软件的应用为实体模拟试验台的搭建和试验方案设定提供 一定的参考依据；其特征在于方法步骤如下：
(1)ANSYS FLUENT流体动力学分析软件；
a.前处理阶段；运用GAMBIT前处理软件，建立椭圆形、圆形和改进方形罐体3维模型，并进行网格划分、边界条件和区域设定。
b.求解器求解：运用FLUENT求解器求解，选择FLUENT求解器和计算模型，设置操作环境和边界条件，定义流体的物理性质，求解方法的设置及控制，最后进行迭代计算。 流体计算模型用Navier-Stokes方程，湍流模型采用标准两方程模型，求解数值方法为Reynolds时均方程加湍流模拟(RANS)，流体域顶部和两侧均采用无滑移的壁面条件，采 用Scable Wall Function壁面函数法对k-ε两方程模型在近壁区的流动进行修正。固体计 算采用Transient structural。
c.迭代计算；显示压力、速度等值线云和速度矢量图，分析浮板抑波结构和罐内液体波动影响因素之间的关系。
(2)浮板抑波结构实体模拟试验台；
a.测试装置及用途。安装测力传感器、加速度传感器、液位计和高速摄像机等测试装置，试验台可实现对储液罐体进行往复振荡激励。测力传感器安装至罐体承载小车前段，实时测量由液体受迫波动所产生的惯性力，通过软件读取相关数据；加速度传感器安装在承载小车上，实时测量承载小车加速度变化情况；液位计和高速摄像机等测试装置，实时观测罐内液体受迫波动时自由液面变化情况，并测得装有液位计的液面高度。
b.试验罐体选用。根据相似性理论，等比例缩小储液罐罐体尺寸，制造椭圆形、圆形和改进方形罐体，罐体采用透明材料制作，便于观测罐内液体自由液面变化。
c.试验方案设定。根据试验设计及其优化相关方法，设计不同充液比和外部激励强 度条件下的试验方案，科学合理安排试验组，避免不必要且差别较小的相似试验组，对三 种不同截面罐体内浮板抑波结构进行试验。
本发明研究以充液系统动力学、流固耦合动力学、计算流体力学、消浪结构及机理、 摩擦学、车辆系统动力学、优化算法和试验设计及其优化等相关理论为指导，通过实体模 型试验、计算机仿真和数学模型相结合的方法，构建液罐汽车浮板抑波结构流固耦合系统 模型，研究浮板抑波结构对液罐汽车液体受迫波动的抑制作用。关键技术如下：
1)根据充液系统动力学和流体动力学相关理论，利用Hamilton原理，建立罐内液体 浮板抑波结构流体动力学模型，确定罐内液体浮板抑波结构对罐体液体受迫波动影响因素 之间的关系。通过ANSYS FLUENT流体动力学分析软件，对浮板抑波结构进行流场分析。
2)根据计算流体力学和摩擦学相关理论，提取并确定浮板抑波表面形态结构，对浮 板抑波结构表面形态进行研究，研究表面形态结构参数与罐内液体流速和波能的相关性， 利用ANSYS Workbench软件对浮板抑波结构表面形态进行流固耦合计算，为了更好地满足 计算所需的精度，而且能够节约计算时间，模拟模型采用标准k-ε模型，标准k-ε模型的方 程如下：
湍流动能方程为
湍流耗散方程为
其中
式中：ηt为湍动黏性系数，Cη为k-ε湍流模型常数，k为湍流动能，ε为湍流耗散率，ρ为流 体密度，Pk为湍动能生成项。
3)运用流固耦合动力学和车辆系统动力学理论。液罐汽车动力学模型如图1所示，无 抑波结构整车响应动力学模型如图6中的a所示，液罐汽车浮板抑波结构流固耦合系统模型 如图6中的b所示。建立液罐汽车整车动力学响应模型，与浮板抑波流体动力学模型进行流 固耦合，构建液罐汽车浮板抑波结构流固耦合系统模型，明确浮板抑波结构对液罐汽车制动 效能、侧向加速度和横摆角速度等评价参量的影响关系。浮板抑波结构如图7所示，液罐汽 车罐体截面在ZOY平面示意图，坐标轴X轴方向为液罐汽车前进方向；上图中红框是抑波结 构，包括浮板和支撑杆件，两者铰接；抑波结构的材料密度小于罐内液体密度；支撑杆件为 套筒设计，与罐体固联，可垂直方向自由运动。如图8所示，液罐汽车罐体截面在ZOX平面 示意图，罐体底部中点处放置支撑杆件，注入液体后浮板将会浮起，起到抑制罐内液体自由 液面运动的作用。
研究方案的可行性分析：发明申请人运用ANSYS FLUENT软件进行了探索性试验研究， 仅针对圆形截面罐体在充液比60％条件下，长方形浮板抑波结构进行流场分析，试验结果 表明：罐内液体自由液面波高明显降低；长方形浮板抑波结构附近流体流速有所降低。此 前期探索性试验有力地说明浮板抑波结构对罐内液体波动的抑制作用。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限 制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背 离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从 哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权 利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有 变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含 一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将 说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可 以理解的其他实施方式。
Claims (2)
1.一种浮板抑波结构抑制罐内液体受迫波动对整车行驶安全性影响的研究方法，采用ANSYS FLUENT流体动力学分析软件和实体模拟试验相结合的方法进行试验研究，流体动力学分析软件的应用为实体模拟试验台的搭建和试验方案设定提供一定的参考依据；其特征在于方法步骤如下：
(1)ANSYS FLUENT流体动力学分析软件；
a.前处理阶段；运用GAMBIT前处理软件，建立椭圆形、圆形和改进方形罐体3维模型，并进行网格划分、边界条件和区域设定；
b.求解器求解；运用FLUENT求解器求解，选择FLUENT求解器和计算模型，设置操作环境和边界条件，定义流体的物理性质，求解方法的设置及控制，最后进行迭代计算；流体计算模型用Navier-Stokes方程，湍流模型采用标准两方程模型，求解数值方法为Reynolds时均方程加湍流模拟，流体域顶部和两侧均采用无滑移的壁面条件，采用Scable WallFunction壁面函数法对k-ε两方程模型在近壁区的流动进行修正；固体计算采用Transientstructural；
c.迭代计算；显示压力、速度等值线云和速度矢量图，分析浮板抑波结构和罐内液体波动影响因素之间的关系；
(2)浮板抑波结构实体模拟试验台；
a.测试装置及用途，安装测力传感器、加速度传感器、液位计和高速摄像机测试装置，试验台可实现对储液罐体进行往复振荡激励；测力传感器安装至罐体承载小车前段，实时测量由液体受迫波动所产生的惯性力，通过软件读取相关数据；加速度传感器安装在承载小车上，实时测量承载小车加速度变化情况；液位计和高速摄像机等测试装置，实时观测罐内液体受迫波动时自由液面变化情况，并测得装有液位计的液面高度；
b.试验罐体选用；根据相似性理论，等比例缩小储液罐罐体尺寸，制造椭圆形、圆形和改进方形罐体，罐体采用透明材料制作，便于观测罐内液体自由液面变化；
c.试验方案设定；根据试验设计及其优化相关方法，设计不同充液比和外部激励强度条件下的试验方案，科学合理安排试验组，避免不必要且差别较小的相似试验组，对三种不同截面罐体内浮板抑波结构进行试验。
2.根据权利要求1所述的一种浮板抑波结构抑制罐内液体受迫波动对整车行驶安全性影响的研究方法，其特征在于：以充液系统动力学、流固耦合动力学、计算流体力学、消浪结构及机理、摩擦学、车辆系统动力学、优化算法和试验设计及其优化等相关理论为指导，通过实体模型试验、计算机仿真和数学模型相结合的方法，构建液罐汽车浮板抑波结构流固耦合系统模型，研究浮板抑波结构对液罐汽车液体受迫波动的抑制作用；技术如下：
1)根据充液系统动力学和流体动力学相关理论，利用Hamilton原理，建立罐内液体浮板抑波结构流体动力学模型，确定罐内液体浮板抑波结构对罐体液体受迫波动影响因素之间的关系；通过ANSYS FLUENT流体动力学分析软件，对浮板抑波结构进行流场分析；
2)根据计算流体力学和摩擦学相关理论，提取并确定浮板抑波表面形态结构，对浮板抑波结构表面形态进行研究，研究表面形态结构参数与罐内液体流速和波能的相关性，利用ANSYS Workbench软件对浮板抑波结构表面形态进行流固耦合计算，为了更好地满足计算所需的精度，而且能够节约计算时间，模拟模型采用标准k-ε模型，标准k-ε模型的方程如下：
湍流动能方程为
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式中：ηt为湍动黏性系数，Cη为k-ε湍流模型常数，k为湍流动能，ε为湍流耗散率，ρ为流体密度，Pk为湍动能生成项；
3)运用流固耦合动力学和车辆系统动力学理论；建立液罐汽车整车动力学响应模型，与浮板抑波流体动力学模型进行流固耦合，构建液罐汽车浮板抑波结构流固耦合系统模型，明确浮板抑波结构对液罐汽车制动效能、侧向加速度和横摆角速度等评价参量的影响关系。
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