機動車加油管注油過程的Workbench Fluent仿真

程秀，莫健華，明志新，劉祖強

（1.華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 432700；2.湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系，湖北 武漢 432700）

機動車加油管注油過程的Workbench Fluent仿真

程秀1,2，莫健華1，明志新2，劉祖強2

（1.華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 432700；2.湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系，湖北 武漢 432700）

隨著環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，機動車加油過程所產(chǎn)生的油氣排放污染控制越來越嚴(yán)格. 針對此問題，選擇一體化軟件Workbench 對簡化后的油管模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再使用VOF多相流模型和RNGk-ε模型對油管的注油過程進(jìn)行模擬計算. 設(shè)置好邊界條件以及求解條件，建立仿真模型，對不同內(nèi)徑加油管在不同加油速度下的注油過程進(jìn)行兩相流模擬計算，討論其對液封形成的影響. 結(jié)果表明，加油速度越大，加油管徑越小，自液封越容易形成，但是速度大、管徑小容易導(dǎo)致反噴.

加油排放；計算流體力學(xué)；數(shù)值模擬；油管液封

在加油過程中，汽油蒸發(fā)的排放占整個機動車油氣排放的20%，造成大量能源的損失和大氣的污染，因此必須重視[1-6]. 車載油氣回收系統(tǒng)（On-board Refueling Vapor Recovery，ORVR）在美國首先提出來，系統(tǒng)要求在加油管某處完全充滿汽油以形成自液封，使油氣不向大氣中排放而只能被液態(tài)汽油帶入油箱內(nèi)，以減少機動車加油過程中油氣的排放[2,7].

機動車注油過程瞬間萬變，有三維的瞬態(tài)流動、氣液相變流動，還有自由表面紊流等. 計算流體力學(xué)CFD的快速發(fā)展，使得仿真機動車加油過程變得簡單可行. 美國的Stoneman教授[8]和加拿大溫莎大學(xué)[9]都利用CFD對加油管的加油過程進(jìn)行了模擬仿真，取得了顯著的成果，但是受限于早期計算機的水平，模擬結(jié)果跟實際加油過程有一定的差距，而且相關(guān)研究結(jié)果多是二維模擬. 中國在2008年才有人開展這方面的工作，國內(nèi)做得較好的是江蘇大學(xué)的何仁教授課題組以及北京石油化工學(xué)院的陳家慶教授課題組. 他們采用CFD數(shù)值模擬對機動車加油過程中氣液兩相流動特性進(jìn)行了分析，但他們使用的網(wǎng)格劃分軟件和仿真計算軟件是獨立的，從而影響了計算精度[2,10]. 本研究借助網(wǎng)格劃分和仿真計算一體化的軟件Workbench Fluent，對不同內(nèi)徑加油管在不同加油速度情況下的液封性能進(jìn)行數(shù)值模擬，分析研究了加油管內(nèi)徑和加油速度對液封性能的影響.

1 模型介紹

1.1 加油管的幾何模型

某型號的汽車加油管的幾何模型如圖1所示，4個拐角的存在有利于液封的形成. CFD數(shù)值模擬使用的模型在保證主要結(jié)構(gòu)特征的前提下需盡量簡化并轉(zhuǎn)化成包裹的實體，對圖1的加油管進(jìn)行簡化得到圖2所示的簡化模型，保留4個拐角幾何結(jié)構(gòu)特征不變. 加油槍的噴嘴直徑是標(biāo)準(zhǔn)的，需要與加油管的管口相配套，根據(jù)市場使用情況選擇直徑為20 mm的噴嘴. 加油管的直徑選擇33 mm和25 mm兩種.

圖1 加油管的幾何模型

圖2 簡化的加油管幾何模型

1.2 網(wǎng)格劃分和相關(guān)設(shè)置

采用Workbench Fluent 自帶的劃分網(wǎng)格軟件對加油管模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分. 為減少計算時間和工作量只計算加油管部分，全部采用六面體網(wǎng)格以保證精度. 網(wǎng)格如圖3所示，不管是截面（圖3-a）還是表面（圖3-b)，網(wǎng)格規(guī)整，無明顯變形區(qū)域，說明網(wǎng)格劃分合理.

圖3 油管網(wǎng)格模型

邊界條件設(shè)置：加油槍嘴的油出口設(shè)為速度入口（Velocity Inlet），加油管末端設(shè)為壓力出口（Pressure Outlet）；加油管的全部固體外壁面和加油槍噴嘴段的外壁作壁面(Wall) 處理. 速度入口處液態(tài)汽油的體積百分比設(shè)為1，湍流強度都取為5% ，水力直徑取各自的管道直徑.

空氣和汽油為計算材料. 空氣的密度為1.225 kg/m3，粘度為1.789 4×10-5kg· m-1·s-1；汽油的密度為720 kg/m3，粘度為5.4×10-4kg· m-1·s-1.

1.3 數(shù)學(xué)模型

汽油從加油管入口注入油管，并沿著加注管流向第一個拐角處，在重力及慣性作用下順流而下，依次流過第二至第四拐角，最后注入油箱. 加油過程復(fù)雜多變，涉及到非穩(wěn)態(tài)、多相流、湍流等眾多因素，不可能考慮所有的因素[11]. 因此假設(shè)：等溫條件下加油，氣液兩相之間無熱傳遞、傳質(zhì)現(xiàn)象，忽略浮力[2,7].力，從而導(dǎo)致壓力梯度.

1.3.1 多相流模型選擇

Workbench將求解器看作一個組件，F(xiàn)luent是其中的一個，它包括一系列的多相流模型，我們采用VOF（Volume of Fluid）多相流模型. 加油過程是氣液兩相湍流流動，VOF模型能夠準(zhǔn)確計算層流、液體中有大氣泡流動、水壩決堤的水流等復(fù)雜情況下流體的動態(tài)特性，并能精確液-氣分界面的穩(wěn)態(tài)或瞬時分界面[12-13].

在VOF 模型中，氣相和液相可以看成是兩種互不相溶、不可壓縮的流體，其平均質(zhì)量守恒方程和平均動量守恒方程[2,7]：

式中，ρ為密度，kg/m3；t為時間，s；x,u為速度矢量，m/s；P為壓力，Pa；μ為動力學(xué)粘度，Pa· s；g為重力加速度，kg· m· s-1；fσ表面張力引起的體積力，N；i,j為坐標(biāo).

混合物的密度和動力粘度可以通過平均體積分?jǐn)?shù)的方法來求[2]：

式中，α為體積分?jǐn)?shù).

氣液兩相之間的界面會產(chǎn)生不同的表面張力，而且是突變，如圖4所示. 假設(shè)液滴是一個球，半徑為r，球缺底半徑為1r.A、B點水平方向合力相互抵消，豎直方向的合力為必將產(chǎn)生一個附加壓

圖4 氣液界面模型

因此，壓力梯度必須與動量方程中額外的體積力相等以維持平衡. 給氣液一個一定厚度的過渡區(qū)，該不連續(xù)的壓力突變可以表示為[2,7]：

式中，σ為表面張力，N.

那么在連續(xù)域內(nèi)的氣體體積分?jǐn)?shù)則由體積分?jǐn)?shù)的連續(xù)方程求解[2,7]：

氣液兩相界面處計算單元為0＜α＜1.

1.3.2 湍流模型的選擇

湍流模型對計算精度有顯著影響，因此必須選擇合適的湍流模型. Workbench Fluent求解器中提供的湍流模型包括標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型以及其變型RNGk-ε模型、雷諾應(yīng)力模型（Reynolds Stress Model，RSM）和大渦模擬（Large Eddy Simulation，LES）等. 加油管因為加油速度快呈現(xiàn)出強湍流狀態(tài)，并且拐角是急彎度，因此選擇RNGk-ε模型，其動能方程和能量耗散方程分別如下[2,7,14]：

式中，k為湍動能，m2/s2；Gk為平均速度梯度產(chǎn)生的湍動能，m2/s2；Gb為浮力產(chǎn)生的湍動能，m2/s2；ε為湍流耗散率；常量

2 仿真計算結(jié)果與分析

加油時汽油首先以一定的速度從加油槍管口噴射而出，在重力及速度慣性的作用下沿著油管向下流動，在加油管喉管處汽油與通風(fēng)管處的汽油蒸氣混合，并伴隨空氣的卷吸與汽油的相變，在拐角處發(fā)生碰撞沖擊，最終進(jìn)入油箱. 氣液兩相混合物在重力及速度慣性的作用下流入燃油箱中.

加油管的幾何結(jié)構(gòu)對加油過程有影響，但加油管機械結(jié)構(gòu)受制于車身，所以主要通過規(guī)范加油速度以及加油管的內(nèi)徑來實現(xiàn)自液封和抑制反噴. 文獻(xiàn)[7]提到：加油速度過小，填充時間長，空氣有充分的時間卷入，液封不易形成；加油速度過大，又增加提前跳槍停止加油的可能性. 國標(biāo)中規(guī)定加油速度不能超過4.5 m/s，本研究選擇2～3 m/s. 已有的計算結(jié)果表明，汽油充滿整個油管的時間小于2 s.

2.1 加油管徑為33 mm的計算結(jié)果

實際加油過程中油管的流體力學(xué)特性與加油速度直接相關(guān). 33 mm的管徑相對來說比較大，為此，選取加油速度為2 m/s、3 m/s. 加油管油帽段上部有一管口連通大氣，使出口壓力相對于大氣壓為0. 圖5是油管直徑為33 mm，兩種不同速度下第一拐角橫截面汽油占比云圖（紅色的代表汽油，藍(lán)色代表氣體）. 通過對比顏色，估算出汽油體積占比. 從圖5可以看出：速度為2 m/s的汽油體積占比約為80%，速度為3 m/s的汽油體積占比約為75%. 由于自重以及油從加油槍快速沖出，在第一拐角處發(fā)生激烈碰撞并產(chǎn)生旋流，使得湍流現(xiàn)象更加復(fù)雜，汽油在加油管中在第一拐角處出現(xiàn)的噴濺、碰撞、旋流等現(xiàn)象符合流體動力學(xué)的規(guī)律，與機動車加油過程的特性吻合.

圖5 d=33 mm ，不同速度下第一拐角油氣體積分?jǐn)?shù)截面圖

圖6是兩種加油速度下第一拐角處的速度云圖. 截面的節(jié)點數(shù)是一個定值，速度是矢量，從圖中可以看出有部分液體的速度因為碰撞發(fā)生反彈，出現(xiàn)與宏觀速度方向相反的矢量. 粗略估算圖6-a的反向矢量個數(shù)小于圖6-b反向矢量的個數(shù)，圖6-b中的拐角速度矢量變向明顯增多，這說明速度大，碰撞的幾率增大. 反向矢量多，反彈的幾率大，這必將增大發(fā)生反噴的幾率，從而造成提前“跳槍”.因此，必須嚴(yán)格控制加油槍的最大加油流量，不能一味追求快速，否則欲速則不達(dá).

圖6 d=33 mm ，不同速度下第一拐角的速度云圖

圖7是汽油體積分?jǐn)?shù)云圖，為了對比明顯，以藍(lán)色顯示體積分?jǐn)?shù)大于50%的氣體體積，完全斷開的空白區(qū)域視為汽油形成的液封. 由圖7可知：兩種速度都可以形成液封，但是速度大者加油管中的汽油體積率也大，形成液封的時間短、長度大，液封效果好. 整個油管充滿油的時間小于2 s，比較短. 因此本文沒有探討液封形成需要的時間. 4個拐角的存在，使油管的流線復(fù)雜，降低了汽油在管內(nèi)的流速，有利于液封的形成.

圖7 d=33 mm ，不同速度下汽油體積分?jǐn)?shù)云圖（藍(lán)色代表氣體）

2.2 加油管徑為25 mm的計算結(jié)果

減小油管直徑也可以降低汽油在管內(nèi)的流速. 文獻(xiàn)[7]的結(jié)果顯示：直徑為25 mm的自液封效果較好，因此對這種規(guī)格的管徑也進(jìn)行仿真計算. 25 mm的管徑較小，采用加油速度為2 m/s和2.5 m/s.

圖8是管徑為25 mm的油管第一拐角處截面汽油體積占比云圖. 不同速度的汽油體積占比區(qū)分不明顯，但是速度大者的截面汽油分布不規(guī)則，說明沖擊攪拌現(xiàn)象劇烈. 由于汽油在第一拐角經(jīng)過垂直加速后突然改變方向，在第二拐角產(chǎn)生強烈的能量耗散，速度迅速減小，沖擊力減小，有利于液封的形成. 但是管徑過小，加油速度不變，會導(dǎo)致在拐角處的劇烈沖擊碰撞，產(chǎn)生汽油回濺.

圖8 d=25 mm ，不同速度下第一拐角油氣體積分?jǐn)?shù)截面圖

從圖9中可以估算出兩種速度下反向矢量占比比較接近. 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. 管內(nèi)汽油呈強湍流流動狀態(tài)，伴隨有碰撞、旋流等現(xiàn)象，速度大者，這個現(xiàn)象更加明顯，速度反向矢量顯著增加，但是在數(shù)據(jù)統(tǒng)計的時候因為統(tǒng)計方法的誤差，該差別不是很明顯.

圖9 d=25 mm ，不同速度下第一拐角的速度云圖

如圖10所示，油管直徑25 mm的加油管中第一拐角與第二拐角之間形成大段的液封區(qū)域，但是速度大者液封長度明顯大于速度小者的. 這符合文獻(xiàn)[7]所述. 注油過程與管徑為33 mm管徑的注油過程類似，不同之處在于湍流、碰撞、旋流程度不同而已. 要區(qū)分速度對注油過程的影響，還需要進(jìn)一步的仿真計算. 液封形成原理及過程與前述相同.

圖10 d=25 mm ，不同速度下汽油體積分?jǐn)?shù)云圖（藍(lán)色代表氣體）

由圖7和圖10可知：自液封主要發(fā)生在第一至第二拐角的水平段，空白長度越大，液封長度越大，自液封效果越好；管徑相同，速度大者液封長度大；加油速度相同，管徑小者液封效果稍好. 這個結(jié)果與文獻(xiàn)[7]的結(jié)果相符，同時說明本文研究模型可靠.

3 結(jié)論

利用Workbench Fluent對兩種直徑的加油管在不同加油速度的流體力學(xué)特性進(jìn)行仿真計算，得到以下結(jié)論：

1）保持加油管的4個拐角幾何特征不變，增大加油速度和減小加油管直徑，有利于自液封的形成，但反噴傾向增大，會增加提前“跳槍”的可能性.

2）綜合考慮自液封和反噴的情況，相對較好的加油參數(shù)是加油管徑25 mm、加油速度2.5 m/s.

3）Workbench Fluent通過合理邊界條件的設(shè)置，可以對復(fù)雜的加油過程進(jìn)行有效的計算模擬，從而預(yù)測加油過程容易出現(xiàn)的問題，在實際中加以改進(jìn)，可以有效縮短研發(fā)周期、降低成本.

本研究由于時間等方面的影響，考慮的參數(shù)不多，因此統(tǒng)計數(shù)據(jù)存在誤差，幾個結(jié)論只是定性結(jié)論. 因此在今后的工作中需要增加加油速度、管徑參數(shù)以及油管幾何結(jié)構(gòu)的考慮，以減少統(tǒng)計數(shù)據(jù)的誤差.

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[責(zé)任編輯：熊玉濤]

An Oil Injection Process for Motor Vehicle Refueling Based on Workbench Fluent Simulation

CHENG Xiu1,2, MO Jian-hua1, MING Zhi-xin2, LIU Zu-qiang2
(1. School of Materials Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology Wuhan 432700, China; 2. Department of Mechanical and Electrical Engineering, Hubei Water Resource Technical College, Wuhan 432700, China)

With the increasingly stringent environmental requirements, control of pollution from exhaust of oil and gas in motor vehicle fueling process is increasingly stringent. To solve this problem,the integrated software Workbench is selected to generate grid mesh for the simplified tubing model and the VOF model and RNGk-εmodel is applied to simulate and calculate the fuel injection process of oil pipes. The boundary conditions and solution conditions are set and a simulation model is established to simulate and calculate the two-phase flow of the fuel injection process of oil pipes of different sizes at different rates, and its effect on liquid seal is discussed. The results show the greater the fueling rate and the smaller the fuel pipe diameter, the easier it is to form the liquid seal.But the greater rate of fueling and smaller diameter of the tube can easily lead to back spray.

oil and gas emissions from the fueling process; computational fluid dynamics; numerical simulation; filler pipe liquid seal

U473.9

A

1006-7302（2017）04-0032-08

2017-06-13

程秀（1976—），女，湖北廣水人，副教授，博士，主要從事計算仿真及機電一體化方面的工作.