移动式压力容器罐体液体晃动的数值模拟

移动式压力容器罐体液体晃动的数值模拟

0罐式集装箱的液体加速度研究根据安装方法，压力容器分为固定压力容器和便携式压力容器。其中移动式压力容器按结构形状分为气瓶和槽车两大类,主要用来运输气体和液体化工产品。此类容器没有固定的使用地点和操作人员,使用环境经常变化,搬运过程中受到其他附加载荷作用,从发生事故的可能性及造成的后果来看,比固定式容器的危险性更大些,因此,在结构、使用和安全方面均有特殊的要求。罐式集装箱是典型的移动式压力容器,出现在20世纪30年代,70年代以后得到较大发展,到80年代末,全世界液化气体罐车的年产量达到13～15万辆。目前,世界上80%的化工、石油制品靠公路进行运输,其中罐式车辆占了相当的比例。随着经济全球化和石油化工行业的迅猛发展,世界各国对于液化石油气和其他液化气的需求越来越大。由于具有装载量大、运输成本低廉等特点,罐式集装箱应用也越来越广泛。罐式集装箱在运行时不仅要承受内压或外压载荷,还会受到惯性力的作用以及罐内介质晃动引起的冲击力。由于罐车运输的介质大多具有易燃、易爆或有毒的特性,一旦发生泄漏后果往往是灾难性的。因此,研究其运行过程液体的晃动及其规律对罐体的安全十分必要。液体晃动是指带有自由液面的液体在有限的空间内发生的运动,其特点是存在自由界面。它是一种非常复杂的流体运动现象,可能会经历各种各样的运动形态,如平面晃动、非平面晃动、旋转运动、准周期运动,有时呈现很强的非线性和随机性,甚至混沌运动、破碎等。液体晃动问题在航空航天、核工程、公路运输、水上运输以及数学物理等领域都受到极大的关注。液体晃动是一个复杂的数学物理问题,国内外的许多专家学者从理论推导、数值模拟、试验等方面对这个问题进行了不同程度的研究。目前,关于液体的大幅度晃动多采用数值模拟的方法,求解有自由边界的非定常粘性流体动力学问题。因自由液面的位置未知,描述自由液面边界条件的方程为非线性,故求解的难度较大。一般采用标记子与单元(MAC)、有限体积法(VOF)、有限元法(FEM)和边界元法(BEM)等方法,其中VOF方法已较为成熟。文中以1CC型罐式集装箱为对象,数值模拟沿运动方向在惯性力作用下罐体内介质的晃动,考察冲击力、压强、雷诺数等物理量的变化,并在数值模拟基础上,以加速度、充装率、介质密度和罐体容积等变量为参数,拟合液体晃动对罐体封头的最大冲击力计算公式。1液体摇晃值的模拟1.1罐体模型及网格划分文中研究的1CC型罐式集装箱罐体几何尺寸如图1所示,罐体内径2300mm,总长6000mm,容积23.68m3,椭圆形封头。假设罐体为刚性,即不考虑流固耦合作用。用GAMBIT建立流体模型,流体域为整个罐体内空间。共划分四面体单元91411个。以罐体运动方向为X轴正半轴,建立直角坐标系。流体域网格划分如图2所示,以罐体内壁为边界,用FLUENT中的VOF模块研究运动方向惯性力作用下罐体内介质的晃动。为使研究问题简化,并获取较好的晃动效果,设置初始及边界条件如下:(1)取介质为水,气体为空气;(2)罐内气相空间表压为零,重力向下;(3)介质水的密度为998.2kg/m3,水占整个罐体体积的50%;(4)0～2s内对流体沿容器轴向施加2g的加速度,模拟罐车启动或刹车过程,2s后加速度取为零,模拟平稳行驶或静止状态。共计算10s的晃动时间。1.2罐体前后封头所受作用力的变化为表述方便,将加速度指向的筒体端部(封头)称为前封头,背对的称为后封头,文中施加2g的加速度方向向右,因此前封头也就是右封头。晃动开始后,水在施加的惯性力作用下,涌向前封头;受到阻碍后又向后晃动,撞击后封头。在2s加速度作用时间内,晃动明显,水可以到达罐顶,流场中最大雷诺数可达42288,流场湍动剧烈。图3示出t=0.5s时的气液相空间分布,图4示出对应的流体域纵截面静压强分布,图5示出对应的前封头上的静压强分布。可以看出,此时,液体涌向前封头已近极限状态,前封头承受的液体作用也接近最大,最大压强值可以达到1.21×105Pa,是静止状态最大静压强(Pmax=1.13×104Pa)的10余倍,充分说明了液体晃动的剧烈程度和罐体承载的不均匀性。另外,还可以看出,在此时刻,封头上的压力分布是比较均匀的。2s后施加的加速度停止作用,外加的惯性力消失,但晃动仍然继续,不过幅度变小,至10s左右,晃动虽未停止,其幅度已很小,罐内的压强呈阶梯线性分布,最大值处于罐底,其值为1.27×104Pa,已接近初始值。在晃动过程中,罐体前后封头受到介质的冲击作用,其大小一般用冲击力来表征。冲击力指的是某表面所承受的总的液体作用力,为该表面的面积乘以作用其上的平均压强。图6示出前后封头所受冲击力随时间的变化,可以看出,前封头所受冲击力比后封头大得多,在0.5s左右,前封头所受冲击力最大,其值为Fmax=487kN。后封头所受最大冲击力出现在0.8s左右,其值为F′max=90.4kN。所以,介质在受运动方向加速度作用时,第一次冲击封头的力最大,反折后能量减小,产生的冲击力下降。另外,从图6还可以看出,前封头所受冲击力在极短时间内不断变化,这种快速变化的大幅值冲击载荷无疑对容器有很大的破坏作用。所以,对于罐式集装箱,为降低冲击载荷,一般应设置防波板。2罐体容积、加速度液体晃动过程比较复杂,受到很多因素的影响,如:加速度大小、介质种类、充装率、罐体容积等。以介质对前封头的最大冲击力为指标,分别讨论这些因素的影响。2.1前封头最大作用力在改变加速度大小时,以a×t0为定值(其中a为加速度,t0为加速度作用时间),共计算10s的晃动,得到的前封头最大冲击力如图7所示。可以看出,加速度越大,前封头所受冲击力越大,且最大值出现越早,或者说介质涌向前封头更快,冲击作用更强。此外,计算表明,最大冲击力与加速度成正比,大小约为惯性力(ma)的2倍。2.2充装率对最大冲击力的影响在罐式集装箱的运输中,出于经济效益考虑,往往在允许的情况下充装较多液体。有时则由于特殊需要,临时充装较少的液体。按照JB/T4781—2005《液化气体罐式集装箱》中规定,罐体应至少留有8%气相空间,即充装率k≤0.92。对最少充装量没有限制。文中取加速度2g,介质为水,研究充装率k变化时,前封头所受最大冲击力的变化,结果如图8所示。可以看出,随着充装率的增加,最大冲击力出现时间提前,介质涌向前封头的时间缩短。当k≤0.9时,最大冲击力随充装率的增加而增大;当k>0.9时,最大冲击力随充装率的增加而减小,但减小程度不明显;当k=0.9时,最大冲击力达到峰值。此外,计算结果表明,充装率对雷诺数影响很大,当k=0.5时,雷诺数最大,或者说此时液体的晃动最剧烈。2.3前封头所受最大冲击力分别取常见的几种液体(汽油、煤油、机油)作为研究对象,取加速度2g,充装率0.9,前封头所受最大冲击力如图9所示。可以看出,不管是哪种液体,最大冲击力出现的时间均相同,与液体种类无关。最大冲击力与介质密度成正比,与黏度关系不大,这是因为介质晃动是典型的湍流运动,黏度影响小,惯性力影响大。2.4罐式集装箱的表征罐式集装箱型号主要包括A型、B型、C型3个系列。文中上述分析的是1CC型罐式集装箱,现对1AA型(DN=2200mm,L=10100mm,V=36.9m3)和1BB型(DN=2200mm,L=9000mm,V=32.7m3)罐式集装箱进行对比分析。取加速度4g,水的充装率0.5,前封头所受最大冲击力见图10,可以看出,罐体容积越大,最大冲击力越大,并且最大值出现得越晚,最大冲击力与容积成正比。3最大冲击力有限元计算表明,最大冲击力Fmax与加速度a、介质密度ρ和罐体容积v成正比,与充装率的关系可以用二次函数表达。对足够的有限元计算结果进行拟合,可得液体晃动对罐式集装箱前封头产生的最大冲击力计算公式如下:Fmax=⎧⎩⎨⎪⎪(0.216+2.029k−0.696k2)ρva(k＜0.9)1.478ρva(0.9＜k≤0.92)Fmax={(0.216+2.029k-0.696k2)ρva(k＜0.9)1.478ρva(0.9＜k≤0.92)为验证上式的精度,任意选取四变量的几组值,将公式计算结果与有限元计算结果进行比较,见表1。由表1可知,最大冲击力的公式计算结果和有限元计算结果的误差在5%以内,满足工程设计的精度要求。此外,计算表明,该最大冲击力计算公式还适用于其他形状的罐体,如长方体罐式集装箱。4最大冲击力特征结合罐式集装箱,数值模拟了罐体内的液体晃动过程,得到以下结论:(1)介质晃动所产生的最大压强远大于初始最大静压强,流场湍