基于FLUENT的燃油箱油氣分離器仿真研究

葉鑫，呂昊，楊光，朱亮

亞普汽車部件股份有限公司，江蘇揚州 225100

0 引言

高壓燃油箱在油電混動新能源汽車中應用廣泛，在高壓燃油箱泄壓時，燃油蒸汽會攜帶部分液態燃油進入排氣管路，如果大量液態燃油流入碳罐，會導致碳罐吸附能力飽和進而發生堵塞和失效，因此需要在燃油箱排氣管路中添加油氣分離器[1]。同時，油氣分離器的分離效率成為產品設計開發中亟須解決的問題。

本文應用計算流體力學(CFD)軟件FLUENT對燃油箱迷宮式油氣分離器進行泄壓工況氣液兩相流分析，得到油液分離效率，并與試驗結果進行對比，驗證了仿真分析的可靠性。因此在后續產品的開發設計過程中，可以應用該方法指導設計并進行產品優化，有效提高了研發效率，降低了開發成本。

1 數值模擬模型

1.1 流體控制方程及VOF模型方程

流體力學控制方程包括連續性方程、動量方程和能量方程，由于不考慮流動過程中的溫度變化，因此能量方程可忽略[2]。

連續性方程可表述為單位時間內流體中單位體積內流體質量的增量等于該時間內流入該體積的流體質量，可寫成：

(1)

流體力學動量方程又稱為Navier-Stokes方程，表述為單位體積內流體的動量變化率等于作用在該體積上的合力，可寫成：

(2)

VOF(volume of fluid modal)模型中，不同相之間的界面通過求解網格單元內的各相流體體積分數來實現，對于第n相，體積分數方程如下：

(3)

單元內混合流體密度和黏度計算公式如下：

(4)

(5)

式中：ρg為空氣密度；ρl為油液密度；μg為空氣黏度；μl為油液黏度。

1.2 油氣分離器網格模型

為了同時保證計算效率以及計算精度，本文采用多面體網格對幾何特征微小區域和流動狀態復雜區域進行網格加密，最終網格數量為105.1萬。網格模型如圖1所示。

圖1 網格模型

2 數值計算

應用CFD軟件FLUENT對油液分離器內部流場進行數值仿真計算。由于在計算過程中需要捕捉液體的自由液面，因此采用VOF模型來模擬多相流。VOF模型通過計算每個控制體內的各項體積分數，并通過PLIC幾何重構法來復現流場中的自由液面，使得重構后的液面更加光滑，接近真實。

2.1 算法設置

采用基于壓力式求解器和瞬態算法，時間步長為0.000 2 s，求解算法中壓力-速度耦合方式選擇SIMPLEC算法[4]。空間離散算法格式中，梯度離散選擇基于網格點的算法離散，壓力選擇PRESTO！算法離散，動量方程選擇二階迎風格式離散[5]，湍流動能和湍流耗散率均采用一階迎風格式進行離散[6]。

2.2 湍流模型

采用標準k-ε湍流模型，這是目前應用最廣泛的湍流模型，該模型兼顧了計算精度和計算效率，是在工程流場計算中的主要工具[7]。

2.3 邊界條件

(1)入口條件：采用壓力入口，入口處壓力使用用戶自定義壓力曲線，如圖2所示。 初始狀態時，入口處油液相所占體積分數為50%，在計算過程中監控入口處液相流入量；當液相流入總量達到100 mL時，將入口液相體積分數改為0。

圖2 入口壓力隨時間變化曲線

(2)出口條件：采用壓力出口，出口壓力為0，出口處回流液相占比為0。

(3)壁面條件：采用無滑移固定壁面。

3 計算結果

通過FLUENT數值模擬可得到高壓燃油箱泄壓時的液體自由液面動態畫面，同時可通過監控入口和出口處的油液體積差值，得出油氣分離器內的油液體積，從而判斷油液分離器的實際效果是否達到設計預期。通過對比仿真和試驗結果的自由液面的形態、油液殘留體積，可驗證仿真計算精度。

3.1 油液自由液面形態對標

圖3為仿真與試驗自由液面對比，由圖可看出，油液在0.2 s左右通過分離器內部第一道格柵；在0.5 s左右，油液越過第二道格柵，并有少量油液到達分離器最頂端；在0.6 s左右，有油液開始從出口處流出。在此過程中，每道格柵下部都有部分油液累積。通過對比可知，仿真和試驗的自由液面形態基本一致，仿真模型精度較高。

圖3 仿真與試驗自由液面對比

3.2 油液分離量對標

仿真和試驗最終油液分離示意如圖4所示，油液分離量隨時間變化曲線對比如圖5所示。

圖4 仿真和試驗最終油液分離示意

圖5 油液分離量隨時間變化曲線對比

由圖5可看出，0～0.5 s內進口處液體流量線性增長；在0.5～0.8 s內，進口油液總量達到100 mL后，此時調整進口處油液組分為0，進口處不再有油液流入；在0.8 s左右時，出口處開始有油液流出，油液分離器內液體體積開始減少，直到4 s之后液體體積逐漸達到穩定，出口處基本不再有液體流出。油液分離量的仿真分析結果與試驗基本一致，誤差在5%以內，仿真精度較高。

4 結束語

在燃油箱油氣分離器設計過程中，應用FLUENT軟件對油液分離量進行仿真，判斷油氣分離器的流道結構設計是否滿足要求。應用VOF模型模擬自由液面形態，使用k-ε湍流模型模擬渦流。通過仿真計算結果與試驗結果對比可知，模擬過程中的自由液面形態以及油液殘留量均與試驗結果吻合。在產品開發前期可應用該方法進行仿真分析，優化產品設計，縮短開發周期，降低開發成本。