一種適用于運動液體貯箱的肋板式防晃裝置的制造方法
【專利摘要】本申請方案涉及一種適用于運動液體貯箱的肋板式防晃裝置，其特征在于，所述防晃裝置包括矩形貯箱，所述矩形貯箱內(nèi)設(shè)置有肋板式防晃組件，所述防晃組件包括“Z”字形肋板以及設(shè)置在肋板上的窗式結(jié)構(gòu)。該裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計巧妙、緊湊，加工及安裝方便、成本低，并且能夠顯著提高貯箱在各種充液比及運動環(huán)境下的防晃效果。
【專利說明】
一種適用于運動液體貯箱的肋板式防晃裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及一種適用于運動液體貯箱的肋板式防晃裝置，屬于工程控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]運動貯箱內(nèi)的液體晃動問題是一個典型的流體(即貯箱內(nèi)的液體)與固體(貯箱)耦合運動問題。即:貯箱受到外部沖擊作用(如加速、制動、風浪、碰撞等)后，通過其壁面將這一沖擊作用傳遞至其腔內(nèi)液體;但由于貯箱內(nèi)未完全充滿液體，因此空腔附近的液體將首先失穩(wěn)并帶動貯箱內(nèi)的所有液體都呈現(xiàn)大尺度、不規(guī)則的往復(fù)運動狀態(tài)。
[0003]液體晃動問題廣泛存在于航空航天、船舶與海洋工程、陸地交通運輸?shù)阮I(lǐng)域的燃料供給系統(tǒng)或載荷平衡系統(tǒng)中。例如，在飛行器起飛、降落或者是大機動飛行過程中，由于加速或制動作用，油箱中的燃油會產(chǎn)生大尺度晃動。這種液體晃動會帶來以下不利影響:
(I)對油箱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生往復(fù)式?jīng)_擊載荷，造成結(jié)構(gòu)疲勞破壞；(2)當油箱油料比較少時，燃油的大尺度不規(guī)則晃動可能會臨時中斷燃油供給，造成發(fā)動機停車、飛行器失去動力，給安全飛行帶來潛在威脅；(3)燃油系統(tǒng)中心的不規(guī)則變化，可能會改變飛行器的整體重心，從而影響飛行器的飛行穩(wěn)定性。類似的問題，還廣泛存在于航天飛行器的燃料貯箱、船舶燃油供給系統(tǒng)及壓水艙以及大型液體貨物運載系統(tǒng)(如大型油罐車、液化石油氣運輸船、浮式生產(chǎn)儲油輪、超大型油輪等)中。
[0004]貯箱內(nèi)的液體一旦晃動起來，將很難恢復(fù)至靜止狀態(tài)。在沒有外部干預(yù)的情況下，當且僅當其動能完全被液體內(nèi)部及液體與貯箱壁面之間的摩擦作用耗散成熱后，晃動液體才能靜止下來。這一過程非常漫長。這一問題在高速機動或航天飛行等失重或微重力環(huán)境下尤為突出。例如，微重力環(huán)境下衛(wèi)星貯箱中的液體燃料晃動后，通常需要數(shù)十至數(shù)百秒才能穩(wěn)定下來。
[0005]貯箱防晃技術(shù)的基本原理是，利用外部裝置，增大液體晃動的阻尼，從而加速晃動液體的穩(wěn)定進程。目前普遍采用的防晃技術(shù)包括，在貯箱壁面安裝一定形狀(如圓形、環(huán)形、矩形等)的防晃貼片，或者是將貯箱分割成多個獨立艙室。這些技術(shù)在一定程度上緩解了貯箱液體晃動對整個承載系統(tǒng)的潛在安全威脅，但是晃動的問題沒有從根本上解決。
【實用新型內(nèi)容】
[0006]針對上述運動貯箱內(nèi)的液體晃動問題，本申請?zhí)峁┝艘环N更有效的防晃裝置設(shè)計方案。該裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計巧妙、緊湊，加工及安裝方便、成本低，并且能夠顯著提高貯箱在各種充液比及運動環(huán)境下的防晃效果。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型的技術(shù)方案如下:適用于運動液體貯箱的肋板式防晃裝置，其特征在于，所述防晃裝置包括矩形貯箱，所述矩形貯箱內(nèi)設(shè)置有肋板式防晃組件，所述防晃組件包括“Z”字形肋板以及設(shè)置在肋板上的窗式結(jié)構(gòu)。
[0008]作為本實用新型的一種改進，在“Z”字形肋板上布置的一系列窗式結(jié)構(gòu)沿高度方向呈對稱布置。
[0009]作為本實用新型的一種改進，所述肋板高為h，“Z”字形波長為λ;在“Z”字形肋板上布置的一系列窗式結(jié)構(gòu)沿高度方向呈對稱布置，窗式結(jié)構(gòu)的開窗寬度、長度、角度及開窗間距分別記為a、b、P、c。
[0010]作為本實用新型的一種改進，矩形貯箱長L、寬B、高H，防晃組件特征參數(shù)h、A、a、b、β、c 的合理取值范圍如下:h=0.5H~0.8H，λ=Β/4~Β/2，a=0.2λ~0.4λ，b=0.Ia?2.0a，β=60° ?120°，c=0.2b~l.0b。由于不同工程領(lǐng)域中的液體貯箱尺寸范圍差別非常大(貯箱長度范圍約為L=0.5m?50m、寬度范圍約為B=0.5m?10m、高度范圍約為H=0.lm-lOm)，因此這里以貯箱尺寸為參照來描述肋板式防晃裝置的特征參數(shù)。當貯箱長度L數(shù)倍于其寬、高尺度時，可沿長度方向布置多個肋板式防晃裝置。此時，防晃裝置的布置間距可取d=l.0λ?5.0λ。
[0011]作為本實用新型的一種改進，所述防晃組件采用鋼、鋁、鋁合金或復(fù)合材料制造。經(jīng)濟耐用。
[0012]作為本實用新型的一種改進，所述防晃組件的數(shù)量至少為一個。
[0013]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型的優(yōu)點如下:I)該技術(shù)方案整體結(jié)構(gòu)設(shè)計巧妙，結(jié)構(gòu)緊湊，2)該技術(shù)方案將“Ζ”字形肋板201與豐富的窗式幾何體202相結(jié)合，可以在晃動液體系統(tǒng)中觸發(fā)更多維度、更大尺度范圍(旋渦尺度范圍從數(shù)倍λ細分至λ/4甚至微小尺度)的旋渦流動結(jié)構(gòu)，同時窗式結(jié)構(gòu)還有助于在肋板兩側(cè)的晃動液體之間快速實現(xiàn)質(zhì)量、動量和能量“削峰填谷”，正是這些技術(shù)優(yōu)勢，使得本設(shè)計方案可以使運動貯箱內(nèi)的液體快速穩(wěn)定下來。一般地，本申請方案的晃動液體穩(wěn)定速度可以比現(xiàn)有設(shè)計方案快一個量級；3)該技術(shù)方案成本交底，便于大規(guī)模的推廣應(yīng)用。
【附圖說明】
[0014]圖1為本實用新型整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2為窗式結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖3為本實用新型另外一種實施例結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖中:101、矩形貯箱，201、防晃組件，202、窗式結(jié)構(gòu)。
【具體實施方式】
[0018]為了加深對本實用新型的認識和理解，下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】進一步闡述本實用新型。
[0019]實施例1:參見圖1，一種適用于運動液體貯箱的肋板式防晃裝置，所述防晃裝置包括矩形貯箱101，所述矩形貯箱內(nèi)設(shè)置有肋板式防晃組件201，所述防晃組件201包括“Ζ”字形肋板以及設(shè)置在肋板上的窗式結(jié)構(gòu)202，在“Ζ”字形肋板上布置的一系列窗式結(jié)構(gòu)沿高度方向呈對稱布置，所述防晃組件采用鋼、鋁、鋁合金或復(fù)合材料制造，經(jīng)濟耐用。所述防晃組件的數(shù)量至少為一個。
[0020]實施例2:參見圖1，所述的肋板式防晃裝置設(shè)計方案如圖1所示，記矩形貯箱101的長、寬、高分別為L、B、H，貯箱內(nèi)部填充液體(如燃料、油料、水等)。肋板式防晃裝置201端面與貯箱內(nèi)壁平貼，裝置呈“Ζ”字形幾何形狀。記防晃裝置高為h，“Z”字形波長為λ，在“Ζ”字形肋板上設(shè)置了一系列窗式結(jié)構(gòu)202，且沿高度方向呈對稱布置，圖2給出了 “Ζ”字形肋板201上窗式結(jié)構(gòu)202的放大示意圖，其中開窗寬度、長度、角度及開窗間距分別記為a、b、i3、c。液體晃動問題通常發(fā)生在貯箱充液比不足100%時，充液比是指貯箱內(nèi)剩余液體體積與貯箱內(nèi)容積的比值。當充液比在50%左右時，液體晃動所導(dǎo)致的貯箱系統(tǒng)(即貯箱及其內(nèi)部液體)整體重心變化問題最為突出?；谶@一認識，防晃裝置201特征參數(shù)h、A、a、b、i3、c的合理取值范圍如下:h=0.5H~0.8H，λ=Β/4?B/2，a=0.2λ~0.4λ，b=0.la?2.0a，β=60° ?120。，c=0.2b~1.0b0
[0021]當貯箱長度尺度L較大時，可沿長度方向布置多個防晃裝置(為了便于作圖，防晃裝置表面的窗式結(jié)構(gòu)202未標出，但實際是存在的)，如圖3所示。其中，防晃裝置的間距d的合理范圍為d=1.0A?5.0λ。
[0022]本申請方案的工作原理如下，當貯箱內(nèi)部液體在外加激勵作用下晃動時，晃動液面的大尺度整體運動(運動尺度約為L量級)將首先被防晃肋板分隔成多個局部運動(運動尺度為d量級)；由于防晃肋板采用“Ζ”字形設(shè)計，因此在防晃肋板之間或防晃肋板與貯箱內(nèi)壁之間的液體晃動將進一步被分割成尺度為λ/2量級的運動，并在每一個“Z”型拐角處產(chǎn)生大量尺度小于λ/4量級的局部旋渦結(jié)構(gòu)。在防晃肋板兩側(cè)的液體運動形式是相反，S卩:一個運動周期內(nèi)在同一外加激勵作用下，一側(cè)液體流向肋板，該側(cè)肋板表面壓力增加;另一側(cè)液體背向肋板流動，該側(cè)肋板表面壓力將減小。因此，肋板表面設(shè)置大量窗式結(jié)構(gòu)將具有以下兩個作用:(I)窗體202將在“Ζ”型拐角內(nèi)產(chǎn)生更多尺度小于λ/4量級(或b/2量級)的局部旋渦結(jié)構(gòu)，且這些局部旋渦結(jié)構(gòu)通常與此前僅由于“Z”型掛角作用而產(chǎn)生的λ/3量級的局部旋渦結(jié)構(gòu)垂直，也即窗體202將促使“Ζ”型拐角內(nèi)的流動三維化、小尺度化；(2)相鄰兩側(cè)的液體將透過肋板上的窗口交換質(zhì)量、動量和能量，也即肋板上的窗口設(shè)計將對相鄰兩側(cè)的晃動液體具有“削峰填谷”的作用。由流體力學(xué)的基本原理可知:流體運動的主要能量都聚集在大尺度流動結(jié)構(gòu)中，即“含能結(jié)構(gòu)”；流體運動的耗散機制是，流體運動的動能總是由大尺度流動結(jié)構(gòu)向小尺度流動結(jié)構(gòu)傳遞、并最終在微小尺度上耗散成熱能的。當流體運動的所有動能都被耗散成熱時，整個流體系統(tǒng)就完全靜止下來了。上述肋板式防晃裝置的設(shè)計方案充分體現(xiàn)了這一流體運動的基本原理，其將貯箱內(nèi)液體晃動的整體運動分割成三個空間維度、多種尺度的局部旋渦結(jié)構(gòu)，使液體晃動的動能由大尺度整體運動迅速傳遞至中尺度、小尺度及微小尺度的流動結(jié)構(gòu)(即旋渦)，加速能量耗散過程，也就促使貯箱內(nèi)晃動的液體迅速穩(wěn)定下來。如前所述，本申請方案所述的肋板式防晃裝置可適用于航空航天、船舶與海洋工程、陸地交通等各運輸領(lǐng)域的液體貯箱。這些貯箱的尺度差別非常大，通?？梢愿哌_1-2個量級。例如，貯箱長度L的范圍約為L=0.5m~50m(如航天飛行器的燃料貯箱半徑約為0.5m量級，大型油輪裝載油料的貯箱長度可達50m量級)，寬度B的范圍約為B=0.5m~10m，高度H的范圍約為H=0.1m?10m。因此，上述介紹中我們以貯箱尺寸為參照來描述肋板式防晃裝置的特征參數(shù)。特別指出的是，圖1是以矩形液體貯箱為例設(shè)計的肋板式防晃裝置示意圖。我們不難將此方案推廣至其他形狀的液體貯箱中。
[0023]應(yīng)用實施例，:
[0024]本申請設(shè)計方案I的相關(guān)參數(shù)如下，貯箱長L、寬B、高H分別為0.5m、0.2m、0.1mJij板式防晃裝置特征參數(shù)為:h=0.08ηι，λ=0.lm，a=0.04m，b=0.02ηι，β=70。，c=0.005m，d=0.25m(沿長度方向安裝2個防晃裝置，其中第I個距離貯箱前端0.125m)。貯箱初始速度為0、初始加速度為lOm/s2，充液比75%。貯箱內(nèi)液體從開始晃動至穩(wěn)定(貯箱系統(tǒng)重心位移相對于貯箱長度L的幅值小于0.0Ol)所需時間為2.1s，至液體完全靜止的時間為9.5s;而采用傳統(tǒng)方法(如側(cè)壁安裝10片0.0 Im X0.0 Im尺寸的防晃片)所需的時間分別為8.1 s和46.7s。
[0025]本申請設(shè)計方案2的相關(guān)參數(shù)如下。貯箱長L、寬B、高H分別為0.5m、0.2m、0.1mJij板式防晃裝置特征參數(shù)為:h=0.08ηι，λ=0.lm，a=0.04m，b=0.02ηι，β=70。，c=0.005m，d=0.25m(沿長度方向安裝2個防晃裝置，其中第I個距離貯箱前端0.125m)。貯箱初始速度為0、初始加速度為lOm/s2，充液比50%。貯箱內(nèi)液體從開始晃動至穩(wěn)定(貯箱系統(tǒng)重心位移相對于貯箱長度L的幅值小于0.001)所需時間為3.6s，至液體完全靜止的時間為12.1s;而采用傳統(tǒng)方法(如側(cè)壁安裝10片0.0lmX0.0lm尺寸的防晃片)所需的時間分別為13.5s和83.6s。
[0026]本申請設(shè)計方案3的相關(guān)參數(shù)如下。貯箱長L、寬B、高H分別為1.5m、1.0m、1.0m，肋板式防晃裝置特征參數(shù)為:h=0.8ηι，λ=0.5m，a=0.lm,b=0.1ηι，β=60° ,c=0.02m,d=0m(只安裝I個防晃裝置)。貯箱初始速度為0、初始加速度為5m/s2，充液比50%。貯箱內(nèi)液體從開始晃動至穩(wěn)定(貯箱系統(tǒng)重心位移相對于貯箱長度L的幅值小于0.001)所需時間為5.1s，至液體完全靜止的時間為42.6s;而采用傳統(tǒng)方法(如側(cè)壁安裝15片0.1mX0.1m尺寸的防晃片)所需的時間分別為18.4s和120.5s。
[0027]本申請設(shè)計方案4的相關(guān)參數(shù)如下。貯箱長L、寬B、高H分別為20m、2.0m、1.0m，肋板式防晃裝置特征參數(shù)為:h=0.8m，λ=1.0m，a=0.4m，b=0.1m，β=120°，c=0.05m,d=4m(沿長度方向安裝5個防晃裝置，其中第I個距離貯箱前端2m) ο貯箱初始速度為O、初始加速度為5m/s2，充液比50%。貯箱內(nèi)液體從開始晃動至穩(wěn)定(貯箱系統(tǒng)重心位移相對于貯箱長度L的幅值小于0.001)所需時間為13.4s，至液體完全靜止的時間131.2s ;而采用傳統(tǒng)方法(如側(cè)壁安裝40片0.1mX0.1m尺寸的防晃片)所需的時間分別為46.2s和387.4s。
[0028]類似地，可補充其他參數(shù)方案。
[0029]需要說明的是上述實施例，并非用來限定本實用新型的保護范圍，在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上所作出的等同變換或替代均落入本實用新型權(quán)利要求所保護的范圍。
【主權(quán)項】
1.一種適用于運動液體貯箱的肋板式防晃裝置，其特征在于，所述防晃裝置包括矩形貯箱，所述矩形貯箱內(nèi)設(shè)置有肋板式防晃組件，所述防晃組件包括“Z”字形肋板以及設(shè)置在肋板上的窗式結(jié)構(gòu)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于運動液體貯箱的肋板式防晃裝置，其特征在于，在“Z”字形肋板上布置的一系列窗式結(jié)構(gòu)沿高度方向呈對稱布置。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的適用于運動液體貯箱的肋板式防晃裝置，其特征在于，所述肋板高為h，“Z”字形波長為λ;在“Z”字形肋板上布置的一系列窗式結(jié)構(gòu)沿高度方向呈對稱布置，窗式結(jié)構(gòu)的開窗寬度、長度、角度及開窗間距分別記為a、b、i3、c。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的適用于運動液體貯箱的肋板式防晃裝置，其特征在于，矩形貯箱長L、寬B、高H，防晃組件特征參數(shù)h、A、a、b、f3、c的合理取值范圍如下:h=0.5H~0.8H，X=B/4?B/2，a=0.2λ?0.4λ，b=0.1a?2.0a，β=60°?120°，c=0.2b?1.0b。5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的適用于運動液體貯箱的肋板式防晃裝置，其特征在于，所述防晃組件采用鋼、鋁、鋁合金或復(fù)合材料制造。6.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的適用于運動液體貯箱的肋板式防晃裝置，其特征在于，所述防晃組件的數(shù)量至少為一個。
【文檔編號】B65D90/52GK205470877SQ201620036034
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年1月15日
【發(fā)明人】張日葵
【申請人】南京北大工道創(chuàng)新有限公司, 北京大學(xué)南京創(chuàng)新研究院