CFD技術(shù)在油箱注油分析中的應(yīng)用

齊凱，鄭鑫，黃日愷，孔繁華，李飛

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

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CFD技術(shù)在油箱注油分析中的應(yīng)用

齊凱，鄭鑫，黃日愷，孔繁華，李飛

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

由于總布置原因，需重新布置油箱注油管道，現(xiàn)提供兩種布置方案，文章利用 STAR-CCM+軟件，采用多相流模型模擬汽車油箱注油過(guò)程，觀察注油過(guò)程中是否發(fā)生跳槍現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證模擬結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，沒有發(fā)生跳槍現(xiàn)象。

注油；STAR-CCM+；驗(yàn)證；跳槍現(xiàn)象

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.014

CLC NO.: U461.99 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)06-39-03

前言

本為由于整車布置原因，油箱加注管需要更改位置，設(shè)計(jì)部門提供兩種更改方案，考慮是否油箱注油過(guò)程中會(huì)發(fā)生“跳槍”現(xiàn)象，特此采用著名CFD軟件STAR-CCM+軟件模擬汽車油箱加注過(guò)程，驗(yàn)證方案的可行性。

1、理論基礎(chǔ)及數(shù)學(xué)模型

1.1理論基礎(chǔ)

燃油加注跳槍的原理，當(dāng)扳動(dòng)加油槍手柄，主閥在頂桿的推動(dòng)下被打開，壓力油通過(guò)主閥，并推開真空閥，從出油管向容器注油，并在負(fù)閥處產(chǎn)生負(fù)壓。由于該處經(jīng)通氣管及出油管管口小孔與大氣相通，空氣通過(guò)小孔進(jìn)行補(bǔ)充。在燃油加滿時(shí)，槍口小孔被燃油淹沒，空氣無(wú)法補(bǔ)入，形成負(fù)壓，使與此相通的橡膠側(cè)移，帶動(dòng)卡針脫開，自控桿下移，手柄機(jī)構(gòu)失去了平衡，主閥關(guān)閉，停止供油，完成自封過(guò)程。

1.2數(shù)學(xué)模型

在燃油加注的過(guò)程分析中，油箱中存在兩種流體，一種是燃油，一種是空氣。此分析為兩相流問題，需采用 VOF方法進(jìn)行非定常模擬[1]。

VOF方法的基本原理是通過(guò)研究網(wǎng)格單元中流體和網(wǎng)格體積比函數(shù)F來(lái)確定自由面，追蹤流體的變化。若F=1，則說(shuō)明該單元全部是指定相流體所占據(jù)；若 F=0，則該單元為無(wú)指定相流體單元；當(dāng)0

采用圖2所示的交錯(cuò)網(wǎng)格，陰影表示液體部分，時(shí)間采用一階差分格式，方程(2)差分形式為：

圖1　油箱系統(tǒng)及更改方案

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理，計(jì)量資料用表示，采用t檢驗(yàn)；計(jì)數(shù)資料用例(%)表示，采用χ2檢驗(yàn)。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2、模型計(jì)算及方案分析

2.1模型建立

由于油箱重新布置，現(xiàn)根據(jù)實(shí)際空間對(duì)注油管重新排布，為考慮燃油加注的過(guò)程中不會(huì)發(fā)生注油現(xiàn)象，現(xiàn)對(duì)原方案及兩個(gè)更改方案進(jìn)行對(duì)比分析及結(jié)果評(píng)價(jià)。油箱系統(tǒng)及更改方案，如圖2所示。

圖2　網(wǎng)格單元上的變量表示

根據(jù)油箱的三維CAD數(shù)學(xué)模型，提取內(nèi)表面，導(dǎo)入到Hypermesh中劃分面網(wǎng)格，形成一個(gè)封閉的空間，然后導(dǎo)入STAR-CCM+軟件中，劃分十二面體網(wǎng)格，此網(wǎng)格對(duì)模型的適應(yīng)性和計(jì)算精度都非常高。以原方案為例，油箱模型的體網(wǎng)格總網(wǎng)格為627307，邊界層為3層，油管處適當(dāng)加密，如圖3所示。

圖3　體網(wǎng)格剖面圖

圖4　邊界條件設(shè)定

邊界條件主要由加油管口的速度進(jìn)口邊界條件和出口處的壓力邊界條件，如圖4所示。進(jìn)口的燃油體積分?jǐn)?shù)為1，速度為3m/s，整個(gè)模型的相對(duì)壓力為零，采用VOF模型的瞬態(tài)計(jì)算，模擬注油的全過(guò)程。

3、結(jié)果分析

3.1燃油體積分?jǐn)?shù)分布

圖5　加注管口燃油體積分?jǐn)?shù)

原方案和更改方案1，方案 2的燃油加注對(duì)比，如圖5所示。從圖中可以看出，兩種方案的燃油流動(dòng)趨勢(shì)和原方案燃油流動(dòng)基本相同。2.5s后達(dá)到平穩(wěn)注油狀態(tài)。

3.2檢測(cè)面燃油流量

圖6　檢測(cè)面燃油流量

圖6為燃油加注過(guò)程中通過(guò)檢測(cè)面的燃油流量，檢測(cè)面的位置為加注槍口的截面。模擬的整個(gè)過(guò)程中，截面總流量接近 0，證明三種模型，在燃油加注過(guò)程中都沒有發(fā)生跳槍現(xiàn)象。但由于結(jié)構(gòu)不同，曲線略有差別。方案2和原方案的曲線比較接近。方案1略差。

經(jīng)過(guò)分析，決定用方案2來(lái)代替原方案。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證方案2，沒有發(fā)生跳槍現(xiàn)象。

4、結(jié)論

(1) 本文采用CFD技術(shù)，成功的模擬了汽車燃油加注的過(guò)程，預(yù)測(cè)了跳槍的風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 本文特點(diǎn)在于準(zhǔn)確模擬油箱注油過(guò)程，提供合理化建議，成功解決了一直困擾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師不能監(jiān)測(cè)注油過(guò)程的難題，大大提高了CFD技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

(3) 采用CFD技術(shù)，大大縮短了研發(fā)周期，節(jié)省了大量的開發(fā)經(jīng)費(fèi)，模擬結(jié)果有較高的參考價(jià)值。

(4) 采用VOF方法，清晰地模擬交界面的運(yùn)動(dòng)變化情況，VOF方法在多相流中有更廣泛的應(yīng)用。

(5) 本文的不足在于沒有采用參數(shù)化建模，拓?fù)浞治?，自?dòng)優(yōu)化，提供最優(yōu)設(shè)計(jì)方案給結(jié)構(gòu)工程師，在以后工作和學(xué)習(xí)中，將進(jìn)一步完善。

(6) 運(yùn)用流體技術(shù)為人類造福，是每個(gè)工程師的理想與愿望。

[1] STAR-CCM+幫助文檔. STAR-CCM+ help document.

[2] P. Ding, A.J. Buijk and W.A. van der Veen. Simulation of Fuel Tank Filling using a Multi-material Euler Solver with Multiple Adaptive Domains .SAE Paper:2005-01-1915.

[3] R. Banerjee, X. Bai, D. Pugh and K .M .Isaac. CFD Simulation of Critical Components in Fuel Filling Systems. SAE Paper：2002-01-0573.

[4] R. Banerjee , K. M. Isaac, L. Oliver and W. Breig. A Numerical Study of Automotive Gas Tank Filler Pipe Two Pase Flow. SAE Paper : 2001-01-0732.

Application Of CFD Technology To Fuel Tank Filling Analysis

Qi Kai, Zheng Xin, Huang Rikai, Kong Fanhua, Li Fei
（Brilliance Automotive Engineering Research Institute,Liaoning Shenyang 110141 )

Because the general arrangement, needed to rearrange the tank oiling pipeline, newly offered two kinds of layout scheme, this paper used the STAR-CCM+ software, by using multiphase flow model to simulate the automobile fuel tank filling process, observe the oiling process is occurring the phenomenon of jumping the gun, through experiment , the simulation results meet the design requirements, no the phenomenon of jumping the gun.

Filling; STAR-CCM+; Verify; The phenomenon of jumping the gun

齊凱，就職于華晨汽車研究院。

U461.99

A

1671-7988 （2016）06-39-03