FLUENT车载条件下储液罐晃动模拟

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1 前言

随着公路运输行业的高速发展，储液罐车在危险化学品、燃油、消防用水及液态食品等领域的运输中扮演着不可或缺的角色。与普通载货车辆不同，储液罐车在行驶过程中承载大量自由液面液体，其内部液体在车辆启动、制动、转向及路面激励的作用下，不可避免地发生复杂的晃动现象。这种液体晃动不仅是一个典型的流固耦合动力学问题，还会对整车行驶安全性、结构可靠性及操控稳定性产生深远影响。

在行驶安全性方面，由于液体具有自由表面，车辆转弯或紧急避让时，罐内液体将迅速向一侧积聚，引起整车质心瞬时偏移，显著降低侧翻临界阈值。研究表明，液体晃动产生的瞬态力矩在特定工况下远大于静态载荷，是导致液罐车发生侧翻事故的主要诱因之一。同时，在制动工况中，液体前后涌动会引发“水锤效应”，对罐体封头、隔板及连接结构施加剧烈的冲击载荷，易诱发结构疲劳甚至破坏，从而影响车辆的长期运营安全。

📌 关键耦合效应从车辆动力学角度看，液体晃动与整车运动之间存在显著的强耦合关系。晃动引起的载荷动态转移不仅会改变各轴荷分配、影响制动效能与转向响应，还可能在连续弯道或紧急变道过程中造成控制相位滞后，进一步增加驾驶员的操控难度。此外，当充装率处于30%至70%区间时，液体的固有频率可能与车辆悬架系统或路面激励频率接近，引发共振现象，进而加剧晃动幅度与结构载荷。

针对上述问题，国内外相关法规标准已对储液罐车的安全设计提出了明确要求。例如，欧洲《国际危险货物公路运输欧洲协议》（ADR）以及我国GB 18564系列标准，均对罐体结构强度、防波板设置及动态工况下的安全性作出了规定。然而，传统的静态设计方法难以真实反映液体晃动与整车运动之间的动态耦合特性，亟需借助多体动力学与计算流体力学联合仿真手段，在设计阶段实现液体晃动行为的有效预测与控制。

今天，我们将介绍一个车载条件下储液罐晃动的模拟案例。

2 建模与网格划分

建立如下所示的三维储罐简化模型，为减少计算量，仅取一半对称结构进行建模，并规定水平方向为x方向。利用ICEM划分六面体结构化网格，网格节点数为67,760，最小正交质量为0.7。

3 边界条件与求解设置

本案例的核心在于通过用户自定义函数（UDF）施加x方向的动量源项，以模拟车载条件下的加速度变化。假设储罐在x方向承受如下正弦加速度激励，而y方向直接设置重力加速度（可在软件界面中完成）。

式中，幅值 AEX = 0.3 m/s²，圆频率 ωEX = 3.541 rad/s。

x方向的激励通过以下UDF实现。

#include "udf.h"real AEX=0.3;real OEX=3.541;DEFINE_SOURCE(fx,c,t,dS,eqn){real source;real time;time=RP_Get_Real("flow-time");source=C_R(c,t)*AEX*sin(OEX*time);return source;}

⚠️ 注意此外，必须采用VOF模型以准确捕捉液面的晃动过程。本案例设定储罐内介质为常温空气与液态水，主相为空气，次相为水。需要注意的是，本研究仅关注储罐所受载荷，因此忽略所有温度效应，并假设水不发生蒸发，即不存在传热传质现象。如需研究车载晃动条件下的传热传质问题（例如液氢储罐），则须进一步考虑更多复杂物理过程。

本案例分析了液位相对高度为0.5（相对高度定义为液位与储罐直径之比）时的情况，采用Patch方法初始化液位。

📐 力监测设置计算中创建了两个面积分，用于统计储罐内部在x方向和y方向所受的分力。这两个分力可作为罐体支架设计的重要输入条件。若要进一步获取罐体壁面及内部结构的设计载荷，则需开展流固耦合分析，将某一时刻的壁面压力分布作为储罐有限元分析的力学边界条件。

瞬态求解的时间步长设置为0.01 s，每个时间步内迭代30次。

4 计算结果分析

下图展示了储罐在x方向和y方向所受力分的动态变化曲线。可以看出，液面晃动导致两方向分力出现周期性波动。x方向分力在正弦加速度激励作用下呈现正负交替的周期特征；而y方向分力则表现为波幅逐步增大并最终趋于平稳的周期振荡。值得注意的是，y方向分力的变化周期明显小于x方向周期。本案例分析的50%液位工况属于典型的非线性剧烈晃动状态，频谱中可能出现倍频成分，即在一个水平晃动周期内伴随多次垂直波动。

参考文献

Numerical simulation on the thermal dynamic behavior of liquid hydrogen in a storage tank for trailers

来源：仿真与工程

FLUENT双向流固耦合讨论案例

双向流固耦合（Two-Way FSI）是流固耦合分析的完整形式，其核心特征为流场与固体场相互作用、双向传递载荷，固体变形会反向影响流场计算，满足强耦合条件。在控制方程层面，流体域通过壁面剪切应力与压力将载荷传递至固体域，固体域求解应力、应变与位移后，会将变形位移反馈至流体域，实时更新流体域网格与边界条件，流体控制方程与固体控制方程通过耦合器协调，交替迭代求解，实现两者的动态匹配。该方法适用于固体变形显著、对流场扰动不可忽略的场景，如柔性结构振动、大变形构件动力学分析、瞬态流场下结构响应预测等。相较于单向耦合，双向FSI计算成本高、收敛难度大、求解效率略低，需持续迭代更新流固交界面，仿真周期相对较长。其本质是贴合实际物理现象的完整耦合，无需简化变形影响，可最大限度保证仿真结果的准确性，为复杂流固相互作用问题提供精准的数值解决方案。举个最直观的例子：风吹过柔性机翼，风（流体）会对机翼（固体）产生压力和推力，让机翼发生明显弯曲变形，而机翼的这种弯曲变形，会改变机翼表面的气流形态，进而影响风的流动方向和速度——这就是典型的双向流固耦合。简单说，就是“流体影响固体，固体也影响流体”，是一种“双向互动”的耦合关系之前，我们做过一个单向流固耦合的案例（详见FLUENT单向流固耦合分析案例和FLUENT单向流固耦合分析案例后记），研究的管道在流体冲击下发生了如下图的变形。并且我们说如果管道发生计算的变形量，则对流体的影响为入口压力降低。但实际上，入口压力降低后，管道的变形可能会减小，最终造成入口压力的降低量有所减小，最后达到一个平衡值，这个值就需要用双向耦合来分析。针对上面的案例，我们在开展双向耦合分析时才发现了一个坑。力学模块中，管道入口的力学边界是固定，流固界面为耦合面(FSI)；流体模块中，管道入口面（流体截面，而非真实面）的动网格边界即为静止（stationary），流固界面的动网格边界即为system coupling，这两个位置都很明确。问题在管道出口，由于力学模块中，管道出口端面的力学边界是无约束的（上图变形前后对比），这就造成流体模块中的流体出口无法设置对应的动网格边界类型。因此，对于这个双向耦合问题，用内流场来分析流体是不行的了，需要把管道出口以外的流场也要考虑进去（即外部流场应该涵盖下图的红色阴影），也就是在管道出口这边没有一个需要单独处理的面。这样整个计算量就大幅上升了，笔者的计算机无法胜任，因此本案例也就暂告一段落了。当然，如果管道的出口也是固定，那么这个问题就简单了，只需要内流场就行。来源：仿真与工程