ORVR系統(tǒng)加油管液封性能數值模擬

湯水清+陳家慶+劉美麗+侯燕

摘 要：車載加油油氣回收（Onboard Refueling Vapor Recovery，ORVR）是一種新近出現的加油油氣排放控制技術。為研究ORVR加油管的液封性能和機理，借助商業(yè)計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件Ansys Fluent及后處理軟件Tecplot，建立三維加油管數值模擬模型，分析加油管內部流場及汽油體積分布，討論了加油管直徑和加油速度對液封形成的影響，針對現有的加油管結構進行改進嘗試，并對其液封性能進行了驗證。結果表明，減小加油管直徑有利于液封形成，加油速度越大，形成液封所需的時間越短，所提出的新型結構能夠快速形成有效液封。為國內自主研發(fā)設計ORVR加油管奠定了一定的基礎。

關鍵詞：車載加油油氣回收；計算流體力學；加油管液封；氣液兩相流動

中圖分類號： U464.136+.5文獻標文獻標識碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.03.06

Abstract：To investigate the liquid seal performance and mechanism of the ORVR （On-board Refueling Vapor Recovery） filler pipe， with the help of commercial CFD（Computational Fluid Dynamics） software ANSYS FLUENT and post-processing software TECPLOT， a three-dimensional model of filler pipe was established. The flow field inside the filler pipe and gasoline volume distribution were analyzed， the impacts of the pipe diameter and filling velocity on liquid seal formation were discussed， an improved structure was proposed， and its performance of liquid seal was verified. The results demonstrate that reducing the diameter of the filler pipe is beneficial to forming a liquid seal. The greater the rate of fuel， the shorter the time required to form a liquid seal will be. The proposed improved structure is verified to be effective in the formation of a liquid seal. Generally speaking， this study laid a certain foundation for autonomous research and development of the ORVR filler pipe.

Keywords：on-board refueling vapor recovery ； computational fluid dynamics； filler pipe liquid seal； gas-liquid two phase flow

汽車蒸發(fā)排放產生的揮發(fā)性有機物（Volatile Organic Compounds，VOCs）不僅是大氣中VOCs的重要源頭之一，而且會造成巨大的能源損失[1-3]，僅加油過程的蒸發(fā)排放所造成的能源損失就占中國每年能源損失的0.26%[4]。隨著汽車排放標準和環(huán)境保護法規(guī)日趨嚴格，基于機動車加油油氣排放控制的ORVR系統(tǒng)逐漸受到人們的重視[5-8]。一般而言，ORVR系統(tǒng)借助加油過程中在加油管內所形成的液封結構，使揮發(fā)性油氣通過“加油管—燃油箱—活性碳罐—發(fā)動機”的路徑被回收利用，而非通過加油口無組織地排放到車身之外或被回抽到地下儲油罐。加油管內形成有效的液封結構是ORVR系統(tǒng)得以正常工作的前提和保障，對其進行分析研究和有效預測就顯得尤為重要。雖然汽車加油看似是一個很普通、很簡單的過程，但從流體力學的角度來看卻非常復雜，涉及到三維瞬態(tài)流動、相變、自由表面紊流和氣液兩相流動。也正因其復雜性，目前可供參考的研究工作較少，研究手段也不外乎分為解析分析、試驗測試和CFD數值模擬三大類。隨著計算機軟硬件技術的不斷發(fā)展，CFD數值模擬日益引起業(yè)界的關注。美國福特公司的Stoneman等最早于1997年利用CFD數值模擬手段研究了加油管內徑對汽油流動的影響，通過試驗數據驗證了CFD數值模擬的可靠性[9-10]。隨后美國Missouri-Rolla大學的Banerjee等于2001年針對汽車加油管中的流動進行了可視化觀測試驗和數值模擬研究，通過流動可視化手段，觀察得到了加油管中旋流、卷吸和混合等氣液兩相流動特征，并且強調了CFD在加油管分析和優(yōu)化設計方面的重要作用[11-13]。加拿大溫莎大學的Gary M. Rankin教授課題組于2002年針對燃油系統(tǒng)進行了數值模擬研究，證明了借助數值模擬手段可以更加深刻地理解加油過程的本質，其結果與試驗研究結果相吻合[14-15]。相比之下，國內在這方面的研究工作起步較晚，直到2008年才有少數研究人員針對加油過程中燃油箱系統(tǒng)的燃油流動問題進行了相關CFD數值模擬研究。張杰山等提出了防止加油槍提早跳槍和燃油反噴的相關改進設計[16-18]。北京石油化工學院陳家慶教授等于2011年對機動車加油過程中氣液兩相流動特性進行了CFD數值模擬，得出了油箱內液面的波動情況、氣相空間壓力變化等，但其采用的是二維模型，且未考慮加油管的空間扭曲布局，與工程實踐存在一定差距[19-20]。江蘇大學何仁教授等于2014年對加油過程進行了仿真計算，將Ansys Fluent軟件應用于ORVR系統(tǒng)自液封加油管設計，但其研究僅從仿真云圖對有無液封的形成進行了定性分析，未對汽油的流動及液封形成機理進行深入研究[21]。

本研究借助商業(yè)CFD數值模擬軟件Ansys Fluent，

針對不同內徑加油管在不同加油速度情況下的液封性能進行數值模擬，分析研究了加油管內徑和加油速度對液封性能的影響，同時提出了一種促進液封形成的新型結構，旨在為國內自主設計研發(fā)ORVR液封加油管提供一定的參考。

1 模型介紹

1.1 數學模型

1.1.1 多相流模型

加油管中的流動是氣液兩相湍流流動。Ansys Fluent軟件中提供的多相流模型包括流體體積模型（Volume of Fluid Model，VOF）、歐拉模型（Eulerian Model）和混合模型（Mixture Mode）。其中VOF模型是一種在固定歐拉網格下的表面跟蹤方法，通過求解單獨的動量方程和處理穿過流體區(qū)域每一流體的體積分數來模擬兩種或三種不相溶的流體，適用于分層流、自由面流動、灌注、晃動、液體中大氣泡的流動、水壩決堤時的水流以及對噴射衰竭（表面張力）的預測等場合，并且能夠明確地鑒定氣液兩相的界面，因此非常適用于計算汽車的加油過程[13， 22-23]。在VOF模型中，氣相和液相共用一套動量方程，計算時在全流場的每個計算單元內都記錄下各流體組分所占有的體積率。兩相互不相溶、不可壓縮流體的體積平均質量守恒方程和動量守恒方程分別為：

1.1.2 湍流模型

在CFD分析中最重要的環(huán)節(jié)之一就是湍流模型的選擇。在Ansys Fluent中提供的湍流模型有標準k-ε模型及其變型RNG k-ε模型、雷諾應力模型（Reynolds Stress Model，RSM）和大渦模擬（Large Eddy Simulation，LES）模型。k-ε模型是目前使用最廣泛的湍流模型，RNG k-ε模型中使用的常量是在各向同性的湍流中應用統(tǒng)計原則和重整化群理論（Renormalization-Group Theory，RNG）得到，RNG k-ε模型在ε方程中增加了一個條件以考慮湍流漩渦，能夠更好地預測漩渦的形成，提高了計算精度。RSM模型中需要單獨求解所有的雷諾應力張量項，對于本文研究的三維流動需要額外求解另外七個方程，使計算時間增加。Fluent中提供的多相流模型不支持LES湍流模型，故本文采用RNG k-ε模型，動能方程和能量耗散方程分別為[25]：

1.2 幾何模型

某代表性車型的非ORVR汽車燃油系統(tǒng)如圖1所示，主要由燃油箱、加油管、活性炭罐、通風管路等組成。加油時汽油從加油槍管口噴射流出，以一定的速度進入加油管，在加油管喉管處汽油與通風管處的汽油蒸氣混合，并伴隨有空氣的卷吸與汽油的相變，氣液兩相混合物在重力的作用下流入燃油箱中。鑒于ORVR系統(tǒng)要求加油管能夠在其內部某處完全充滿汽油以形成液體密封，從而使油氣只能被燃油帶入燃油箱內，因此本研究以其為原型，對加油管結構進行適當改變和簡化，得到如圖2所示的加油過程數值模擬研究用幾何模型[9]。圖中加油管入口根據國內市場上普遍使用的加油槍噴嘴直徑設計為D20 mm[26]，入口到第三拐角間的管道軸線位于一個平面內，第二拐角與第三拐角間的直段管保持水平，第三拐角到出口間的管道軸線與水平面成36°，各個拐角的角度依次設計為44°、80°、20°和60°，加油管的直徑D28 mm，汽油從加油管入口注入系統(tǒng)，并沿著加注管流向加油管第一個拐角處，在重力作用下順流而下，依次流過第二至第四拐角，最后注入燃油箱。

1.3 邊界條件及求解器設置

本文將邊界條件設置為速度入口（Velocity Inlet）和壓力出口（Pressure Outlet），對控制方程采用有限體積法進行離散，在Ansys Fluent中提供的離散方法有半隱式連接壓力方程算法（Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations，SIMPLE）、SIMPLEC（SIMPLE-Consistent）、壓力隱式分裂算法

（Pressure Implicit Split Operator，PISO）和COUPLED算法。因為PISO算法在傳統(tǒng)SIMPLE算法的每一時間步添加了多步校正的算法，其在每一時間步計算精度高于SIMPLE算法，能夠獲得更準確的速度和壓強值，并且可以加快收斂速度，因此，本研究采用PISO算法求解。此外，本研究利用PRESTO算法對壓力方程進行離散化，Second Order Upwind算法對動量方程進行差分，體積分數、湍動能和湍動能耗散率采用QUICK算法[19]。計算材料設置為空氣和汽油，其中，空氣的密度為1.225 kg/m3，粘度為1.789 4×10-5 （kg·m-1·s-1）；汽油的密度為720 kg/m3，粘度為5.4×10-4 （kg·m-1·s-1），暫不考慮汽油的揮發(fā)或氣液傳質現象。

2 數值求解

2.1 網格劃分與獨立性驗證

在數值模擬計算中，網格質量直接決定計算精度和效率，因此，首先要確定計算所用網格的網格數量與計算結果之間的無關聯(lián)性，即要進行網格無關聯(lián)性驗證。本文全部采用精度最高的六面體結構化網格，采用相同的網格劃分方式，改變壁面邊界層厚度、入口段軸向網格疏密程度和加油管軸向網格尺寸大小，尤其是拐角和喉管等流動變化劇烈區(qū)域的網格尺寸，劃分出四種不同數量的網格，其中網格數量為101萬個時的加油管網格模型如圖3所示。在相同參數條件下對四種網格數量下迭代3 s內管內總體靜壓和質量加權平均速度隨時間的變化情況進行計算比較，結果如圖4所示。從圖中可以看出，當網格數從101萬個增加至112萬個時，靜壓和速度的變化很小，說明112萬個網格數對計算結果的影響很小，因而認為101萬個網格數已經可以保證足夠的計算精度。

2.2 非ORVR車輛加油管內流動情況的分析

通過模擬非ORVR車輛加油過程中汽油的流動情況來驗證本模型的可靠性，相關參數設置為：加油管內徑28 mm，加油速度2 m/s（對應的流量為37.68 L/min），加油管入口周圍的油帽部分與大氣聯(lián)通，相對壓力為0。考慮到加油管和燃油箱中空氣和油氣的阻力，加油管出口的相對壓力為30 Pa[14]。圖5給出了利用Tecplot軟件截取的加油管入口到第三拐角間在加油過程中4個特定時刻汽油體積分數的云圖。由圖5可知，在t0.2 s時汽油從加油槍管口噴射流出，碰到加油管壁面后一部分碰撞反彈，一部分沿管壁下流，在t1 s時，管內汽油呈強湍流流動狀態(tài)，伴隨有碰撞、旋流等現象，在t3 s以后，管中汽油開始累積，整體流動趨于穩(wěn)定，但沒有全部充滿加油管的內徑。圖6給出了加油過程中前10 s內第二拐角與第三拐角間加油管徑向截面處的汽油與空氣混合物的密度、速度、靜壓及汽油體積分數隨時間的變化曲線。由圖6可知，由于汽油在第一拐角和第二拐角間經過垂直加速后突然改變方向，在第二拐角處產生強烈的能量耗散，速度迅速減小，在前3 s內管內的靜壓受強湍流流動影響而變化劇烈，在3 s后加油管內的流場趨于穩(wěn)定，非ORVR汽車加油管在加油過程中汽油充滿量在80%以下，不能形成有效液封。汽油在加油管中出現的噴濺、碰撞、旋流等現象符合流體動力學的規(guī)律，并且與機動車加油過程的特性基本吻合，因此可以認為本模型可靠。

3 結果與討論

汽車在加油過程中，因為加油管的結構被車身環(huán)境所限制，所以主要是在規(guī)范要求的加油流量范圍內，通過控制加油管的內徑來實現液封這一性能要求，當加油管橫截面的汽油體積分數大于95%時視為能夠形成液封。

3.1 加油管直徑的影響

圖7給出了五種不同內徑的加油管在入口加油速度均為2.5 m/s、加油時間為5 s時的汽油體積分布云圖。圖8給出了五種不同內徑加油管的監(jiān)測橫截面汽油體積分數隨時間的變化曲線。由圖可知，加油過程經過5 s后，內徑D20 mm的加油管中幾乎全部充滿汽油，由于管徑過小，在加油冒段處（圖7中A處）出現汽油回濺現象，可能導致加油槍提早跳槍，使加油過程停止；內徑D25 mm的加油管中第三拐角與第四拐角之間形成大段的液封區(qū)域，從橫截面汽油體積分數云圖可以看出，管內完全充滿汽油；內徑為28 mm、32 mm和36 mm的三種加油管中沒有出現完全充滿汽油的區(qū)域，并且隨著加油過程的進行，汽油的體積分數都在80%以下，不能形成有效液封。

3.2 加油速度的影響

根據GB 50156—2012《汽車加油加氣站設計與施工規(guī)范》，汽油加油槍汽油的流量不應大于50 L/min，流速不應大于4.5 m/s。在本研究中，加油入口直徑為20 mm，換算得到最大速度不超過2.65 m/s。

圖9給出了直徑為25 mm的加油管在加油速度分別為0.5 m/s、1 m/s、2 m/s、2.5 m/s條件下，經CFD數值模擬分析得到的加油過程中加油管第二拐角和第三拐角之間汽油體積分數隨時間的變化曲線。由圖9可知，四種工況下汽油體積分數隨時間的變化曲線相似，在3 s后趨于穩(wěn)定，管內的汽油體積占有率隨加油速度的增大而增大，加油速度為2 m/s和2.5 m/s時，在加油3 s后第二拐角與第三拐角之間的汽油體積分數均大于95%，能夠形成有效液封；但當加油速度為1 m/s和0.5 m/s時，管內汽油體積分數最高僅為85%和65%左右，不能形成有效液封。

3.3 促進液封形成的嘗試

為了改進現有車型加油管的設計，更有利于形成有效液封，特意嘗試在不改變加油管整體三維結構和直徑的前提下，在第二拐角和第三拐角之間的加油管中設計一個阻流環(huán)，使加油管局部的流通直徑由28 mm減少至25 mm，如圖10所示。利用上文中相同的網格劃分方法和求解設置，對改進后的物理模型進行仿真模擬。當入口邊界條件的速度為2 m/s時，在1 s時從入口到阻流環(huán)處的汽油體積分布云圖如圖11所示。由圖11可知，由于流道變窄，汽油在阻流環(huán)上游處強制性收聚匯集，形成液封。改變入口的加油速度，記錄阻流環(huán)處流道中的汽油體積分數隨加油時間的變化，如圖12所示。由圖12可知，改進后的模型在四種工況下汽油體積分數的變化曲線趨勢相同，在低速加油時（v=1 m/s），管內的汽油體積分數達到95%所需時間為2 s，其余三種速度下均只需1 s，最后都能形成有效液封。加油速度越大，加油管中的汽油體積流率越大，形成液封所需的時間越短。圖13給出了直徑為28 mm的常規(guī)加油管與新型加油管在加油速度為2.5 m/s的工況下前3 s加油過程中管中的汽油體積分數變化曲線。由圖13可知，新型加油管在常規(guī)加油管的基礎上大大提高了管中汽油的空間占有率（即體積分數），能夠快速形成有效液封。

4 結論

基于Ansys Fluent數值模擬，對比分析了不同加油流量和不同加油管直徑對加油管中液封形成的影響，探討了一種有利于形成有效液封的新型加油管結構，獲得主要結論如下。

（1）在加油管結構保持不變的情況下，減少加油管內徑和增大加油流量有利于液封形成。加油管內徑越小，越易于形成液封。但加油管內徑過小，將引起加油過程中燃油回濺，產生加油槍提早跳槍等負面影響。而當加油管內徑過大時，則使汽油無法充滿加油管，導致液封無法形成，較為合理的加油管內徑為25 mm左右。

（2）與常規(guī)加油管相比，本文提出的新型加油管結構不需要改變加油管的三維空間布局和直徑，并且能夠快速形成有效液封，為ORVR加油管設計提供了一種新思路。

（3）在汽車工業(yè)生產中，加油管設計主要基于純粹試驗研究和工程師個人經驗，由于影響參數眾多，這種方法會導致生產成本較高和生產周期較長。利用本文所建立的CFD數值模擬方法，可有效降低加油管研發(fā)成本并縮短研發(fā)周期，值得推廣應用。

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