圆柱箱体中液体晃动阻尼的数值研究

　　引言

　　充液箱体的晃动问题广泛存在于运输和航空航天领域。在充液箱体晃动特性的研究中,液体晃动的阻尼特性是重要的一方面。研究发现充液箱体中液体晃动阻尼通常与四个因素有关川,即箱体壁面粘性阻尼作用、自由液面处的粘性耗散、液体内部粘性耗散作用和毛细作用。由J:影响阻尼的因素复杂,充液箱体液体晃动的阻尼通常由实验得到[z];阻尼性能的理论分析计算结果同和数值计算结果阵5〕与实验结果还有一定的差距,这主要是因为现有的一些阻尼理论分析计算方法和数值计算方法假设较多,没有完全考虑影响阻尼的四个主要因素。为了更加准确地预测液体晃动的阻尼特性,考虑影响阻尼的四个因素,本文采用基J:有限体积法的voF方法[0],模拟了带三块半圆形挡板的部分充液圆柱箱体中液体的晃动,获得不同液位时液体晃动的阻尼比,得到了该型式挡板的阻尼性能。

　　1网格及数值计算方法

　　本文采用的数值计算方法是基于有限体积法的VOF方法,通过数值计算流体体积组分,采用具有二阶精度的分段线性[v]液面重构方法,获得自由液面的波动情况。采用标准无一:湍流模型模拟流体的流动。箱体壁面处粘性阻尼是影响液体晃动阻尼特性的因素之一,而且计算中采用了壁面函数,所以在箱体壁面附近加密了网格,保证在壁面边界层里至少有两层以上的网格,如图1所示;同时在自由液面波动可能影响的区域加密网格。采用有限体积法对非结构化网格下的控制方程进行空间离散,采用二阶全隐式格式进行时间离散。对控制方程中的源项和扩散项应用二阶中心差分格式,对控制方程中的对流项应用二阶迎风格式。计算中采用的时间步长由CFL数决定,通常取为晃动周期的千分之一或更小;每个时间步长上,应用PISO方法对离散方程求解,当计算收敛后,时间步向前推进,开始进行下一个时间步上的计算。

　　2边界条件和初始条件

　　本文计算的对象为带3块半圆形挡板的圆柱箱体,挡板的布置如图2所示。边界条件的设置如下:在圆柱箱体的进口给定压力值为大气压,液体的体积组分为0;箱体壁面边界条件采用无滑移边界条件。初始条件设置如下:根据已知条件给定初始液面高度;为了使液体晃动起来,给定液体一个沿夕轴正向的初始速度。

　　3计算结果

　　本文计算的对象为圆柱形箱体,箱体半径R=312mm,3块半圆形挡板的半径与箱体半径的比r/R=0.25,挡板离箱底的高度hl/R=1.68,共计算了十种液面高度h/R=1.48、L53、L58、1.63、1.68、1.73、1.78、1.83、1.88、1.98。通过数值计算可以获得晃动力随时间的变化曲线Fs(t),由此可计算对数衰减阻尼比: