基于ANSYS Fluent的燃油箱油注分析

朱明澤 蘇衛(wèi)東

摘 要：汽車燃油箱注油過程中必須避免加油槍提前跳槍、燃油反噴等現(xiàn)象，在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)中需要通過制造樣件來驗(yàn)證燃油加注性能。隨著硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展，在目前汽車油箱的設(shè)計(jì)開發(fā)中越來越多地應(yīng)用CFD（Computational Fluid Dynamics） 分析的方法，本文描述了基于商業(yè)計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）軟件ANSYSFlu ent環(huán)境下燃油箱注油過程的模擬。采用Fluent中提供的VOF（Volume of Fraction） 氣液兩相流模型和RNG k-c湍流模型，在基于ANSYS ICEM CFD軟件確定網(wǎng)格劃分方案和進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件設(shè)置后，建立了合理可行的加油過程氣液兩相流動CFD數(shù)值分析模型。得到了燃油加注過程中，氣液兩相的分布、油箱內(nèi)部壓力、加油排氣的通風(fēng)流量等影響加注性能的參數(shù)，這說明采用CFD技術(shù)對注油過程進(jìn)行分析是一種輔助燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效方法，可縮短油箱設(shè)計(jì)周期、降低開發(fā)成本。

關(guān)鍵詞：注油；計(jì)算流體力學(xué)

1 引言

汽車燃油系統(tǒng)是汽車部件中重要的功能件和安全件之一。在開發(fā)中，燃油系統(tǒng)也是一個關(guān)鍵部件。燃油箱位置和空間受到車身結(jié)構(gòu)的限制，往往布置在車身底部，與加油口之間存在一定距離。需要通過注油管連接至加油口，這對燃油加注可能帶來困難。汽車在加油過程中，加油速度通常比較大，如果注油管設(shè)計(jì)不合理，燃油不能順暢流入油箱，就會出現(xiàn)“跳槍、飛濺”等現(xiàn)象；如果燃油箱設(shè)計(jì)不合理，燃油箱中的氣體不能及時(shí)排出，燃油箱內(nèi)部壓力會快速增大，導(dǎo)致“跳槍、反噴”等現(xiàn)象。在以往燃油箱設(shè)計(jì)中需要制造樣件運(yùn)用試驗(yàn)方法驗(yàn)證，關(guān)于加油管注油過程的仿真分析很少，一般是在出現(xiàn)問題后利用試驗(yàn)手段對加油管進(jìn)行優(yōu)化，這樣不僅會延長整車開發(fā)周期、增加開發(fā)成本，而且因?yàn)樵谠囼?yàn)中很難觀察到燃油在加油管中的流動狀況，使得設(shè)計(jì)人員難以確定產(chǎn)生問題的根本原因，不能根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確地修改、優(yōu)化設(shè)計(jì)。隨著CFD理論、硬件和CFD軟件的發(fā)展，現(xiàn)在越來越多地使用CFD方法來輔助汽車燃油箱的設(shè)計(jì)。通過在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中模擬燃油在加注時(shí)的流動分布，可以直觀地觀察到加油管、燃油箱內(nèi)的流場情況，并迅速確定出現(xiàn)問題的部位及原因，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

本文以某款燃油系統(tǒng)為例，介紹了利用ANSYS Fluent軟件進(jìn)行燃油加注過程模擬的方法。

2 注油過程三維數(shù)值分析

2.1 計(jì)算網(wǎng)格

本次分析建立了包括加油槍嘴、加油管、通氣管及燃油箱的加油總成模型，采用ANSYS ICEMCFD網(wǎng)格劃分工具生成網(wǎng)格。在劃分網(wǎng)格時(shí)，對加油頭部結(jié)構(gòu)做了簡化，同時(shí)對結(jié)構(gòu)變化大的部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，如圖1所示。

2.2數(shù)學(xué)模型

2.2.1流動控制方程

在燃油箱注油分析中，燃油箱中存在兩種相態(tài)的流體，一種是液態(tài)（燃油），一種是氣態(tài)（空氣），且兩種流體均不可壓縮，液面隨時(shí)間變化。因此確定該分析為多相流模擬，需要計(jì)算VOF模型的非定常問題。

VOF模型依賴于兩種或多種流體（或相）是互不滲透的這一事實(shí)。對于引入模型中的每一相，引入一個稱為單元相體積分?jǐn)?shù)的變量。在每一個控制容積中，所有相的體積分?jǐn)?shù)之和為1。只要在計(jì)算域內(nèi)每一點(diǎn)的各相的體積分?jǐn)?shù)已知，全部變量和物性的場都由各相共享并代表了體積平均值。因而，根據(jù)體積分?jǐn)?shù)的值，任意單元內(nèi)的變量和物性或者為一相的代表，或者為多相混合物的代表。即，如果單元中第q相流體體積分?jǐn)?shù)為n。，當(dāng)n。-0盹單元中沒有第q相流體；當(dāng)n。=l時(shí)：單元中充滿第q相流體當(dāng)O2.2.2湍流模型

常用湍流模型有直接數(shù)值模型（ DNS）、基于雷諾平均N-S方程組（RANS）的模型、大渦模型（ LES）、標(biāo)準(zhǔn)k.￡模型、RNGk.e模型和帶漩渦修正k-s模型等。本文采用工程上被廣泛使用的RNG kI￡模型[4]。

2.2.3邊界條件

本模擬計(jì)算中，模型邊界主要由注油管口部的速度進(jìn)口和壓力出口組成。速度進(jìn)口處，燃油體積分?jǐn)?shù)為l，且燃油以3 .9m/s（約45L/min）的速度加注到油管中，壓力出口處為恒定的一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，其他邊界均為無滑移壁。由于要獲得模擬中各時(shí)刻燃油體積分?jǐn)?shù)和速度的分布，故采用瞬態(tài)計(jì)算。另外，本次計(jì)算不考慮相間質(zhì)量和熱量的傳遞。

3 結(jié)果與分析

3.1燃油分布情況

如圖2所示，圖為加注過程中燃油在燃油箱內(nèi)的分布情況。燃油沿注油管流入燃油箱后向周圍分散。

3.2壓力分布

如圖3所示，圖為加注過程中燃油箱內(nèi)的壓力分布情況。在注油管頭部、回氣管中壓力比較大。

3.3速度分布

如圖4所示，圖為加注過程中燃油箱內(nèi)的速度分布情況。在注油管頭部、回氣管中氣體速度比較大，甚至可達(dá)到1Om/s以上。

經(jīng)過計(jì)算結(jié)果分析，可以得到燃油箱內(nèi)的燃油分布及流動情況、流體的速度和壓力等數(shù)值。在注油過程中氣體沿回氣管經(jīng)注油管口部排出。由于回氣管口徑較小、注油管頭部異形結(jié)構(gòu)等因素影響，氣體排出速度比較大，甚至可達(dá)到lOm/s以上。在燃油加注過程中，如果不能及時(shí)地排出氣體，或者因油液進(jìn)入堵塞回氣管，油箱內(nèi)壓力就會急劇升高，出現(xiàn)“跳槍、反噴”等現(xiàn)象，這在設(shè)計(jì)中需要特別注意，避免發(fā)生。

4 結(jié)語

（1）本文利用CFD技術(shù)，采用多相流模型實(shí)現(xiàn)了對注油過程中加油管內(nèi)的燃油流動情況的模擬。得到了加注過程中燃油分布、流體壓力、速度等數(shù)值，可判斷加油過程中是否有提前跳槍的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）在油箱設(shè)計(jì)中應(yīng)用CFD方法，可以縮短開發(fā)周期，節(jié)省開發(fā)費(fèi)用，分析結(jié)果對于產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

（3）在分析兩相流中采用VOF方法模擬交界面運(yùn)動的變化是CFD分析得一個重要方法，VOF方法在兩相和多相流的數(shù)值模擬中將會有更加廣泛的應(yīng)用。