基于Fluent仿真的ORVR加油管液封設(shè)計(jì)

汪 智，何 仁

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003)

汽車排放污染物的來源主要有3個(gè)方面:尾氣排放、曲軸箱排放和汽油蒸發(fā)排放。汽油蒸發(fā)排放約占整個(gè)汽車排放的20%，其中加油排放則是汽油蒸發(fā)排放的主要部分。美國從20世紀(jì)90年代開始開發(fā)車載加油蒸氣回收(ORVR)系統(tǒng)，作為加油站STATE-II回收技術(shù)的補(bǔ)充。研究結(jié)果表明，ORVR系統(tǒng)能夠回收90%以上的加油排放污染物［1］。2011年美國加利福利亞州開始實(shí)施零排放汽車(ZEV)計(jì)劃，而ORVR系統(tǒng)是ZEV計(jì)劃中重要的一部分。近年來，隨著國內(nèi)空氣質(zhì)量的惡化，國內(nèi)法規(guī)對汽車排放的要求也越來越嚴(yán)格，許多學(xué)者和企業(yè)也開始研究和關(guān)注國外先進(jìn)的排放控制技術(shù)，其中ORVR技術(shù)更是得到學(xué)界的重視。

ORVR系統(tǒng)與現(xiàn)有的燃油系統(tǒng)相比，需要對一些部件做出改進(jìn)。其中，汽車加油管是重要的一部分。ORVR系統(tǒng)要求在加油時(shí)，加油管內(nèi)必須密封，以阻止油箱內(nèi)的汽油蒸氣經(jīng)過加油管從加油口逃逸到大氣中。加油管密封主要有2種方法:機(jī)械密封和液封，目標(biāo)都是在加油過程中讓汽油在加油管內(nèi)部形成一段液體密封，使氣體不能通過。液封有2種形成方式:第一是安裝單向閥。安裝單向閥后，加油時(shí)在單向閥上方會有一定的汽油，當(dāng)汽油量達(dá)到一定值時(shí)，才會打開單向閥;第二是利用加油管自身在加油時(shí)產(chǎn)生液封。利用加油管的內(nèi)徑和結(jié)構(gòu)，在加油時(shí)使汽油在加油管內(nèi)部形成一段液封。這種液封不需要使用單向閥，不僅能降低成本，而且能避免因單向閥的損壞而造成的損失和危險(xiǎn)。

在利用加油管的結(jié)構(gòu)形成液封時(shí)，目前主要依靠多次試驗(yàn)的方法和設(shè)計(jì)工程師的經(jīng)驗(yàn)來確定加油管的結(jié)構(gòu)，因而會增加試驗(yàn)成本以及延長開發(fā)周期。福特公司早在1997年就對汽車燃油系統(tǒng)和加油管進(jìn)行了數(shù)值仿真，并將其引入設(shè)計(jì)過程中［2］。之后，Missouri-Rolla大學(xué)的研究人員利用Fluent軟件對加油管的加油過程進(jìn)行了仿真分析［3］。Fluent軟件是目前流體仿真中的主流商用軟件，可以對大部分CFD模型進(jìn)行仿真分析。在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用Fluent軟件對模型進(jìn)行仿真分析，能極大地降低設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生的試驗(yàn)驗(yàn)證成本，同時(shí)縮短開發(fā)周期。本文介紹了基于FLUENT軟件的ORVR系統(tǒng)的自液封加油管的設(shè)計(jì)過程。

1 計(jì)算模型

1.1 幾何模型

在加油管開發(fā)過程中，F(xiàn)luent流體仿真主要應(yīng)用在加油管結(jié)構(gòu)和形狀的設(shè)計(jì)過程中。ORVR系統(tǒng)中取消了傳統(tǒng)加油管中的排氣管，因此加油管結(jié)構(gòu)相對簡單。對于燃油箱可做簡化，只需要保證加油管和燃油箱連接口的位置不改變。ORVR系統(tǒng)燃油箱一般有2個(gè)排氣閥:一個(gè)是非ORVR燃油箱也具有的重力閥;一個(gè)是作為汽油蒸氣主要通道的油氣閥。本模型中燃油箱與碳罐連接的排氣口被簡化成一個(gè)圓柱形出口。在仿真分析中，所需要的只是燃油箱和加油管內(nèi)部流場的幾何模型(模型1)，如圖1所示。

圖1 模型1的燃油箱和加油管幾何模型

圖1是根據(jù)某車型加油口位置、油箱接口位置、汽車底盤其他邊界條件初步設(shè)計(jì)的加油管。因?yàn)槟壳皣鴥?nèi)加油站加油槍流速范圍為30～60 L/min，所以國內(nèi)非ORVR加油管內(nèi)徑一般為28～36 cm。帶有ORVR系統(tǒng)的汽車的加油速度是15.9～37.2 L/min，故本模型中ORVR加油管內(nèi)徑初步設(shè)計(jì)為28 mm。ORVR加油管不需要傳統(tǒng)加油管上的排氣管，燃油箱內(nèi)的汽油蒸氣全部排向碳罐。因此，與碳罐相連的排氣管口徑比非ORVR加油管稍大，本模型中設(shè)計(jì)為20 mm。加油槍口直徑為20 mm，插入加油管內(nèi)62 mm。加油管有2個(gè)彎道，第1彎道的空間角度是115°，加油管總長890 mm。

1.2 模型的網(wǎng)格劃分

使用ANSYS ICEM CFD網(wǎng)格劃分軟件對模型1進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。ICEM CFD能夠劃分質(zhì)量非常高的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。模型1的結(jié)構(gòu)并不是十分復(fù)雜，因此先劃分為3D六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，然后轉(zhuǎn)成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格導(dǎo)入 Fluent中［4］，網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 模型1的網(wǎng)格

網(wǎng)格信息:Min=0.485 8，max=1，mean=0.860 4。網(wǎng)格質(zhì)量的直方圖值(histogram of quality values)見表1。

表1 模型1的網(wǎng)格質(zhì)量分布情況

體積統(tǒng)計(jì)(Volume statistics)

Minimum volume(m3):7.841 570 e-11

Maximum volume(m3):3.690 565 e-06

Total volume(m3):3.663 499 e-02

表面積統(tǒng)計(jì)(Face area statistics)

Minimum face area(m2):1.635 104 e-07

Maximum face area(m2):2.761472e-04

由此可見，模型的網(wǎng)格質(zhì)量非常好，完全能夠滿足Fluent計(jì)算要求。

1.3 仿真模型設(shè)定

1.3.1 模型設(shè)置

一般加油前，燃油箱內(nèi)底部會有一定量的汽油液體，液體之上是汽油蒸氣。本模型中假設(shè)燃油箱內(nèi)加油前全部充滿汽油蒸氣，加油時(shí)加入的汽油是100%的液體，沒有空氣進(jìn)入燃油箱，燃油箱內(nèi)的汽油蒸氣從排氣口排向炭罐。加油過程一般僅1～2 min，因此可以假設(shè)整個(gè)模型在等溫環(huán)境下進(jìn)行，各部分之間沒有能量的交換［5］。

Fluent中多相流模型中的VOF模型適用于分層流、自由面流動、灌注、晃動、液體中大氣泡的流動等。在VOF模型中，氣液兩相共用壓力和速度等體積平均變量，因此本模型多相流模型使用VOF模型。Fluent湍流模型中的RNG k-ε模型適用于急轉(zhuǎn)彎、高湍流的情況?？紤]到加油速度相對于加油管內(nèi)徑較高，故本設(shè)計(jì)中湍流模型選擇RNG k-ε模型。模型中的流體介質(zhì)使用Fluent數(shù)據(jù)庫中默認(rèn)的材料，其屬性分別是:

Gasoil-liquid:ρ=830 kg/m3

μ=3.32×10-3kg/(m·s)

Gasoil-vapor:ρ=9.4 kg/m3

μ=7×10-6kg/(m·s)

對于模型邊界條件的設(shè)置，模型將加油槍出口設(shè)置為速度進(jìn)口(velocity-inlet)，汽油以一定的速度從加油槍噴入加油管，進(jìn)口汽油的體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為1;燃油箱和加油管的全部固體外壁面都設(shè)置為壁面(wall);排氣管出口設(shè)置為壓力出口，出口壓力設(shè)置為大氣壓，即表壓(gauge pressure)為0 kPa;進(jìn)口和出口的湍流參數(shù)都設(shè)置為湍流強(qiáng)度和水力直徑(hydraulic diameter)，湍流強(qiáng)度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值選擇5%［6］，水力直徑取各自的管道直徑。

1.3.2 求解器設(shè)置

Fluent壓力-速度耦合算法中的PISO算法可以在每個(gè)迭代步中增加動量修正和網(wǎng)格畸形修正過程，能夠獲得更準(zhǔn)確的壓強(qiáng)以便更快地收斂。PISO算法通常使用在非定常的計(jì)算模型中，因此本模型中壓強(qiáng)-速度耦合算法使用PISO格式算法。Fluent需要設(shè)置控制方程的離散化，必須選擇每個(gè)方程的離散格式。壓力差值PRESTO格式對于具有高渦流數(shù)、高Rayleigh數(shù)自然對流、高速旋轉(zhuǎn)流動、包含多孔介質(zhì)的流動和高度扭曲區(qū)域的流動非常合適，因此本設(shè)計(jì)壓力差值選擇PRESTO格式;動量方程和湍流方程使用精度較高的二階迎風(fēng)格式;體積分?jǐn)?shù)方程使用Geo-reconstruct［7-8］。

在Fluent仿真開始之前，必須為流場設(shè)定一個(gè)初始值。設(shè)定初始值的過程被稱為“初始化”。本設(shè)計(jì)中初始化程序如下:

Compute from:all zones;

Reference Frame:Relative to Cell Zone;

Gauge Pressure:0;

Others will change automatically

在仿真模型設(shè)置中假設(shè)加油開始之前燃油箱內(nèi)全部是汽油蒸氣，因此需要在初始化之后在patch里補(bǔ)充設(shè)置整個(gè)流體域內(nèi)的汽油蒸氣體積分?jǐn)?shù)為1。

Fluent在每一個(gè)迭代步結(jié)束時(shí)都會對變量殘差進(jìn)行計(jì)算，殘差的極限值代表計(jì)算的精度。但是在實(shí)際計(jì)算中，殘差不可能達(dá)到0，因此需要設(shè)置殘差極限值。本模型中continuity、x-velocity、y-velocity、z-velocity、k、epsilon 均設(shè)置為0.001，0.001的精度可以滿足一般的仿真計(jì)算要求。

Fluent非定常計(jì)算需要設(shè)置計(jì)算步長和每一個(gè)計(jì)算步長內(nèi)的迭代次數(shù)，合適的計(jì)算步長和迭代次數(shù)能使每一步計(jì)算結(jié)果快速收斂并且節(jié)省計(jì)算時(shí)間。根據(jù)網(wǎng)格大小、流體速度和若干次測試計(jì)算，確定Time Step Size為0.000 5 s，每一個(gè)時(shí)間步長內(nèi)最大迭代次數(shù)(max iterations)為30次，這樣模型能在每一個(gè)時(shí)間步內(nèi)很快完成計(jì)算。模型總的仿真計(jì)算所需時(shí)間根據(jù)燃油箱體積和不同的加油速度計(jì)算，總步長是計(jì)算時(shí)間除以計(jì)算步長。

其他設(shè)定使用Fluent軟件非定常計(jì)算推薦默認(rèn)值。

2 Fluent仿真分析

在開始加油仿真計(jì)算前，要確定仿真的加油速度。美國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定具有ORVR系統(tǒng)的汽車的標(biāo)準(zhǔn)加油速度是15.9～37.1 L/min［9］。在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，選擇從高速加油開始。如果高速加油能形成液封，再進(jìn)行低速仿真;如果高速加油不能形成液封，則說明模型不能滿足要求。根據(jù)文獻(xiàn)［10］，加油過程中只是在開始階段和最后階段燃油箱內(nèi)壓力會發(fā)生變化，加油過程中大部分時(shí)間是保持穩(wěn)定的。因此，如果高速和低速加油仿真都能在4～5 s內(nèi)使加油管內(nèi)形成液封，則說明模型為能夠形成液封的ORVR加油管。

在模型仿真邊界條件設(shè)定時(shí)，需要設(shè)定速度進(jìn)口的流體速度，其單位是m/s。因此需要換算單位。公式為

式(1)中:v是速度進(jìn)口的流體速度，單位是m/s;V是法規(guī)中的加油槍體積流量，單位是L/min;R是速度進(jìn)口的半徑。已知V1=37.1 L/min，V2=15.9 L/min，R=1 cm，得到 v1=1.97 m/s，v2=0.84 m/s。故高速加油仿真時(shí)速度進(jìn)口的流體速度取2 m/s，低速加油仿真時(shí)速度進(jìn)口的流體速度取0.8 m/s。

2.1 加油管模型的仿真計(jì)算

在加油仿真中，計(jì)算到10 s時(shí)加油管內(nèi)的汽油體積分?jǐn)?shù)云圖如圖3所示。

圖3 模型1在高速加油仿真10 s時(shí)的汽油體積分?jǐn)?shù)云圖

為了更好地觀察液體汽油的體積分?jǐn)?shù)，云圖中只顯示體積分?jǐn)?shù)大于90%的液體體積部分，小于90%的視為不能形成液封。由圖3可知:管內(nèi)并沒有形成液封，尚有很大部分的空間沒有液體汽油，因此可以認(rèn)為此模型不能形成液封。

模型1的加油管結(jié)構(gòu)不能產(chǎn)生液封，因此需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。為使加油管內(nèi)形成液封，需要使加油管內(nèi)汽油流線復(fù)雜以降低液體在管內(nèi)的流速或者減小加油管內(nèi)徑。根據(jù)汽車底盤邊界條件的限制，設(shè)計(jì)出2種不同結(jié)構(gòu):模型2和模型3。其中，模型2將模型1的內(nèi)徑減小至25 mm;模型3在模型1的第1彎道后又增加1個(gè)彎道，使加油管有3個(gè)彎道，第2彎道的空間角度是138°，如圖4所示。模型2和模型3的網(wǎng)格劃分參照本文1.2節(jié)中對模型1的網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格質(zhì)量和網(wǎng)格數(shù)量與模型1相差不大。

圖4 模型3的幾何模型

模型2和模型3使用本文1.3節(jié)中的仿真模型設(shè)定。當(dāng)速度進(jìn)口的流體速度設(shè)置為2 m/s時(shí)，模型2在10 s時(shí)的汽油體積分?jǐn)?shù)云圖如圖5所示。

圖5 模型2在高速加油仿真10 s時(shí)的汽油體積分?jǐn)?shù)云圖

仿真計(jì)算結(jié)果中，模型2在10 s時(shí)仍然沒有形成液封，可以判斷模型2不能形成液封。

當(dāng)進(jìn)口速度是2 m/s時(shí)，模型3在2.5 s時(shí)的仿真計(jì)算結(jié)果如圖6所示，計(jì)算云圖顯示管內(nèi)有液封形成，因此可以判斷模型3在2 m/s的加油速度條件下能夠形成液封。在進(jìn)行低速加油仿真計(jì)算時(shí)，即速度進(jìn)口的流體速度是低速0.8 m/s時(shí)，模型3在4.2 s時(shí)的仿真計(jì)算云圖如圖7所示。仿真計(jì)算結(jié)果顯示:模型3在4.2 s時(shí)沒有液封，且汽油量明顯較少?？梢耘袛嗄Ｐ?在低速時(shí)不能形成液封，因此模型3不滿足要求。

圖6 模型3在高速加油仿真2.5 s時(shí)的汽油體積分?jǐn)?shù)云圖

圖7 模型3在低速加油仿真4.2 s時(shí)的汽油體積分?jǐn)?shù)云圖

由于模型3在低速加油時(shí)不能形成液封，因此可以減小模型3的內(nèi)徑，得到模型4。模型4的結(jié)構(gòu)和模型3相同，只是內(nèi)徑減小為25 mm。模型4使用本文1.2節(jié)中的網(wǎng)格劃分方法和本文1.3節(jié)中的仿真設(shè)定。當(dāng)邊界條件中速度進(jìn)口的流體速度是2 m/s時(shí)，在1.46 s時(shí)的汽油體積分?jǐn)?shù)云圖如圖8所示。

圖8 模型4在高速加油仿真1.46 s時(shí)的汽油體積分?jǐn)?shù)云圖

從圖8的仿真計(jì)算可知:1.5 s時(shí)模型4在2 m/s時(shí)形成液封。

當(dāng)邊界條件中速度進(jìn)口的流體速度是0.8 m/s時(shí)，模型4在3.5 s和5 s時(shí)的體積分?jǐn)?shù)云圖分別如圖9和圖10所示。

圖9 模型4在低速加油仿真3.5 s時(shí)的汽油體積分?jǐn)?shù)云圖

圖10 模型4在低速加油仿真5 s時(shí)的體積分?jǐn)?shù)云圖

由圖9和圖10中的仿真分析結(jié)果可以看出:低速時(shí)，模型4在3.5 s時(shí)在第1彎道和第2彎道之間的直段內(nèi)產(chǎn)生一段的液封;在5 s時(shí)，該直段內(nèi)會產(chǎn)生明顯的液封。因此，可判斷模型4在高速和低速時(shí)均能及時(shí)形成液封，可以認(rèn)為是自液封加油管。

2.2 仿真結(jié)果分析

由以上分析可知:模型1和模型3的內(nèi)徑是28 mm，兩種結(jié)構(gòu)都不能形成液封;模型2內(nèi)徑為25 mm，但結(jié)構(gòu)簡單，只有2個(gè)彎道，在高速加油時(shí)不能形成液封，效果更差，因此可認(rèn)為彎道結(jié)構(gòu)對液封的影響較大;模型4內(nèi)徑是25 mm，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有3個(gè)彎道，在高速加油時(shí)和低速加油時(shí)均能在5 s內(nèi)形成液封，且液封段較長，液封效果明顯，能夠滿足ORVR加油管液封要求。

3 結(jié)束語

在本研究中，將Fluent軟件應(yīng)用到ORVR加油管自液封的設(shè)計(jì)中，能夠從仿真云圖中直觀地看到有無液封的形成。從仿真過程可以看出:要想形成液封，首先需要降低汽油在加油管中的流速，并增加加油管的彎道設(shè)計(jì);其次是需要減小加油管的內(nèi)徑，使汽油形成液封。這2個(gè)因素相互聯(lián)系。一般的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證浪費(fèi)大量時(shí)間且很難得到結(jié)果，而Fluent軟件的仿真分析能夠很好地解決這個(gè)問題。它可以隨時(shí)改變加油管內(nèi)徑和結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行計(jì)算以滿足ORVR系統(tǒng)的要求。此外，F(xiàn)luent軟件的仿真計(jì)算既能應(yīng)用在ORVR加油管設(shè)計(jì)中，又能應(yīng)用在普通加油管設(shè)計(jì)中。

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