汽車燃油加注系統CFD仿真分析

梁志濤+++李峰+++胡艷輝+++唐明

摘 要：利用star-ccm+軟件，通過有限元仿真，對本司某款汽車的燃油加注系統進行仿真模擬。根據流場計算結果對燃油加注提前“跳槍”與“反噴”現象進行分析并提出優化方案，最后通過樣車燃油加注試驗與仿真結果進行對比。結果表明，仿真模擬具有足夠精度，可為研發過程節省試驗費用，并縮短研發周期，減少設計變更。

關鍵詞：汽車；燃油加注系統；CFD仿真分析

1 概述

汽車在加油過程中，加油系統設計不合理會導致加油槍提前跳槍或燃油反噴等現象。傳統的方法是采用樣車實驗來發現和解決此類問題，樣車實驗中很難觀察到燃油在加油管中的流動情況，且會增加設計變更，延長整車開發周期，增加開發成本。

隨著CFD（Computational Fluid Dynamic，即計算流體力學）技術的發展，依據瞬態三維粘性流動數值計算方法，應用多相流模型中的VOF（Volume of Fluid）模型來模擬加油過程，可以直觀的觀察到各個時刻加油系統中的燃油的分布情況，實現加油系統燃油流動的可視化，并迅速確定出現問題的部位及原因，為后續的優化設計提供依據[1]。

文章運用star-ccm+軟件對本公司某款汽車的加油系統進行模擬分析。文中對加油系統模擬包含兩部分：提前“跳槍”分析和“反噴”風險分析，針對兩種模擬分析結果進行試驗驗證并提出優化方案，根據優化方案分析結果進行樣車試驗。

2 基本理論

2.1 加油槍跳槍原理

圖1 燃油加注原理示意圖

正常情況下，車輛燃油加注到額定容量是燃油從燃油箱加注口逐漸上升到加油管口部，液態燃油接觸到加油槍進氣嘴引起加油槍關閉加注。整個加油系統如圖1所示。

2.2 多相流選擇與控制方程

汽車加油過程涉及到非穩態、多相流、湍流并伴隨著氣液傳質等多種物理和化學現象，而空氣的卷吸攜帶、氣-液界面上的質量傳遞以及體系內不同部件在時空尺度上的較大差異使得CFD數值模擬工作更為復雜，且這些因素對燃油加注系統仿真分析影響很小。因此文章研究基于如下假設：（1）整個體系等溫，液態汽油與油氣之間不發生熱量傳遞；（2）不考慮液態汽油與油氣之間存在的傳質問題；（3）只考慮強制對流，不考慮氣相密度不同而帶來的浮力的影響；（4）氣相在整個體系內的擴散比較均勻，即氣相的黏度和擴散特性不因體系內氣相體積分數的不同而變化[3]。

star-ccm+軟件中的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、水壩決堤時的水流以及對噴射破碎（表面張力）的預測等場合，能夠求得任意液-氣分界面的穩態或瞬時分界面，因此本研究選擇VOF模型[2]。在VOF模型中，氣、液兩相共用壓力和速度等體積平均變量，描述2種互不相溶、不可壓縮流體的體積平均質量和動量守恒方程分別為：

（1）

（2）

式中，f？滓為由表面張力引起的體積力。混合物的密度和動力黏度可以通過體積分數平均的方法來決定：

（3）

在氣液兩相的分界面上，因氣、液表面張力的不同而產生了一個壓力跳躍，因此為了保持平衡，壓力跳躍的梯度必須等于動量方程中的額外體積力。雖然動量方程針對整個求解域，但通過給定氣液過渡區一個有限厚度，這個體積力僅僅在界面上較為顯著。該不連續的壓力跳躍可以按式（4）計算：

（4）

顯然，有必要知道在整個計算域中的氣相體積分數，氣液兩相分界面的跟蹤通過針對體積分數求解下列連續性方程來實現：

（5）

當計算單元全部充滿氣相時，？琢=1；否則？琢=0。氣液兩相的分界面可以通過尋找0<？琢<1的單元得到。

3 建立有限元模型

3.1 面網格生成

面網格劃分主要通過前處理軟件Hypermesh和star-ccm+軟件相結合的方法來完成。先在Hypermesh中進行幾何清理和零部件命名，然后進行網格劃分，對油箱網格尺寸設定為5mm，對需要加密的管路進行網格加密處理，為了能直觀、詳細的觀察加油管燃油回流情形，需對加油管和通氣管進行網格細化，網格基本尺寸設定為1.5mm，然后將劃分好的網格模型導入到srar-ccm+中進行面網格處理，主要針對不合格的面網格進行再處理。如圖2所示。

圖2 加油系統面網格

3.2 體網格生成

利用star-ccm+自帶的體網格劃分功能，對處理完的面網格進行體單元填充。為了保證計算的精度和節省計算資源，對加油管與通氣管部位建立一個block進行體網格細化，并生成5層邊界層，細化體網格尺寸為1mm，其余體網格尺寸為5mm。最終生成體網格為130萬。

3.3 邊界條件

需模擬加油系統中各時刻體積分數和速度的分布，故采用瞬態流動，時間步長0.05s，子迭代10步，采用標準k-ε湍流模型，VOF算法，建立包括加油管、燃油箱、通氣管和加油槍（進入加油管部分）在內的加油系統，進行模擬注油（設置油箱內已注有部分燃油，燃油液面盡量接近通氣管排氣口所在平面）。

（1）速度入口：4.57m/s（約為55L/min），根據GB 50156-2002《汽車加油站設計與施工規范》中要求；（2）壓力出口：設置出口為一個標準大氣壓；（3）其他邊界均為無滑移壁面；（4）為了檢測喉口處燃油回流情形，在油槍嘴出口附近建立一個監測面（此監測面建立于自封油槍進氣嘴處），在計算過程中監測燃油通過流量大小，在通氣管內建立多個監測截面，監測通氣管內壓力變化。

4 計算結果

4.1 提前“跳槍”分析

加油槍提前跳槍是在加油過程中油箱內燃油量未達到額定容量95%時，加油管內燃油返流，加油槍跳槍停止加油。endprint

導致加油前提前跳槍的原因有多種，下面僅對加油管與排氣管做出說明：（1）燃油加注到加油管第一個拐角時，由于管壁的摩擦力和液態流動的方向變化產生渦流造成彎管處燃油回流，液態燃油往管口方向回升接觸到加油槍進氣嘴引起加油槍跳槍。（2）加油槍提前跳槍是由于加油前通氣管內有大量燃油殘留，導致該燃油殘留的主要原因是通氣管排氣口設計不合理。

在分析時不考慮排氣管內存有燃油殘留。計算結果顯示，該車型在前3s內沒有出現燃油回流現象，因此不會導致提前“跳槍”，如圖3所示。故重點討論 “反噴”風險。

4.2 “反噴”風險分析

反噴是燃油加注到油箱即將加滿時，油箱內壓力上升過快，燃油在加油槍跳槍的同時從加油管中反向噴出。

加滿油“跳槍”同時出現“反噴”是由于加油管內出現大量燃油聚集的同時，燃油箱內壓力上升呈指數曲線增長速度過快，導致加油管內壓力瞬時上升，此時燃油已開始大量聚集在喉口部位，若此時壓力波動大，瞬時壓力增長快，此時導致燃油從加油管內噴出。

在即將加滿油時，如圖4所示為加油系統油氣分界面狀態，可看出油箱內燃油已滿，燃油開始大量聚集于喉口。

在18.6s時喉口處出現大量燃油聚集，如圖5所示。

加油槍“跳槍”靈敏度一般為0.3s，為驗證加油槍在“跳槍”延時的時間段內是否會產生“反噴”現象，因此為了確保加油槍“跳槍”，繼續加油0.3s，確定是否產生“反噴”風險。這時需參看繼續加油0.3s的加油管喉口監測面與壓力監測圖。

從圖5、6、7中可以看出，在18.6s時燃油開始大量聚集，此時壓力上升比較緩慢，但在之后0.3s內，燃油已經反向流到喉口部位，燃油極有可能會噴到外界，且在之后的0.3s內壓力上升速度很快，呈現指數曲線增長，瞬間上升，即在加滿油“跳槍”同時出現“反噴”。

4.3 試驗驗證

通過公司樣車加油試驗，試驗反饋出現提前“跳槍”現象較少，且有多臺樣車出現了加滿油“跳槍”同時出現“反噴”。

5 優化方案及結果對比

5.1 優化方案

加油前通氣管內有大量燃油殘留導致加油槍提前“跳槍”。加滿油“跳槍”同時出現“反噴”是由于加油管內出現大量燃油聚集的同時，燃油箱內壓力上升呈指數曲線增長速度過快，壓力上升過快是由于達到油箱額定容積時排氣口向上布置，燃油封堵排氣口困難，此時油箱內壓力一直在上升，燃油已開始大量聚集在喉口部位，排氣口向上布置會導致燃油突然封堵住排氣口，壓力會瞬間上升，如圖7中橢圓所示，導致燃油“反噴”出加油管。因此需針對這兩個問題采取優化措施。

5.1.1 為確保燃油在額定容積內足夠多，防止加滿油同時出現燃油“反噴”出加油管現象，需將油箱內通氣管布置為向下方向，如圖8所示，以此來確保燃油可以輕松封堵排氣口。此種排氣口一般是由于需要滿足車身強度要求，通氣管在外布置位置有限，需引入油箱內布置，保證燃油在額定容積內存放足夠多。

5.1.2 為防止加油過程中提前“跳槍”，需在油箱內通氣管最底端開一個？覫（1～3）mm的小孔，如圖9所示，加油前通氣管內若有大量燃油殘留會導致加油提前“跳槍”。在加油過程中，通氣管內的大量燃油殘留會阻塞燃油箱內部氣體通過通氣管排出，導致燃油箱內壓力上升，加油管內燃油回流，此時加油槍“跳槍”，導致該殘留的主要原因是排氣口在油箱內部位不是整個通氣管路的最低端。因此通氣管設計時要保證在油箱外部管路無整個管路最低點，無局部管路最低點（即管路不可出現向下彎曲后再向上彎曲），通氣管路最低端在油箱內，以此來保證燃油不會在通氣管內聚集。

5.2 優化后計算結果

計算結果對比表明，優化后的通氣管，不會出現燃油殘留，不會出現“反噴”風險。結果如圖10、11、12所示。

對比喉口燃油大量聚集圖及壓力變化圖，壓力從開始增長到跳槍結束一直呈現拋物線形狀增長，增長速度較緩慢，有足夠時間完成加油槍“跳槍”，不會出現“反噴”現象。

5.3 試驗驗證

實施優化方案后進行燃油加注試驗，為驗證仿真分析結果，對通氣管整改后的燃油加注系統進行樣車試驗，最終得出所做試驗樣車加油系統未出現提前“跳槍”與“反噴”現象。

6 結束語

通過star-ccm+仿真分析手段對研發過程中本司某款汽車的燃油加注系統進行模擬分析，并針對分析過程中存在“反噴”現象的問題提出優化措施。最后經試驗對比可知仿真結果精度可信，能夠將燃油加注提前“跳槍”與“反噴”隱患扼制在研發初期階段，同時縮短了研發周期，降低了試驗費用。

參考文獻

[1]張杰山，蔣春龍.加油過程的CFD分析在汽車油箱系統設計中的應用[J].汽車工程師，2010，1.

[2]朱紅均，林元華，謝龍漢.Fluent12流體分析及工程仿真[M].北京：清華大學出版社，2011.

[3]陳家慶，張男，王金惠，等.機動車加油過程中氣液兩相流動特性的CFD數值模擬[J].環境科學，2011.endprint

導致加油前提前跳槍的原因有多種，下面僅對加油管與排氣管做出說明：（1）燃油加注到加油管第一個拐角時，由于管壁的摩擦力和液態流動的方向變化產生渦流造成彎管處燃油回流，液態燃油往管口方向回升接觸到加油槍進氣嘴引起加油槍跳槍。（2）加油槍提前跳槍是由于加油前通氣管內有大量燃油殘留，導致該燃油殘留的主要原因是通氣管排氣口設計不合理。

在分析時不考慮排氣管內存有燃油殘留。計算結果顯示，該車型在前3s內沒有出現燃油回流現象，因此不會導致提前“跳槍”，如圖3所示。故重點討論 “反噴”風險。

4.2 “反噴”風險分析

反噴是燃油加注到油箱即將加滿時，油箱內壓力上升過快，燃油在加油槍跳槍的同時從加油管中反向噴出。

加滿油“跳槍”同時出現“反噴”是由于加油管內出現大量燃油聚集的同時，燃油箱內壓力上升呈指數曲線增長速度過快，導致加油管內壓力瞬時上升，此時燃油已開始大量聚集在喉口部位，若此時壓力波動大，瞬時壓力增長快，此時導致燃油從加油管內噴出。

在即將加滿油時，如圖4所示為加油系統油氣分界面狀態，可看出油箱內燃油已滿，燃油開始大量聚集于喉口。

在18.6s時喉口處出現大量燃油聚集，如圖5所示。

加油槍“跳槍”靈敏度一般為0.3s，為驗證加油槍在“跳槍”延時的時間段內是否會產生“反噴”現象，因此為了確保加油槍“跳槍”，繼續加油0.3s，確定是否產生“反噴”風險。這時需參看繼續加油0.3s的加油管喉口監測面與壓力監測圖。

從圖5、6、7中可以看出，在18.6s時燃油開始大量聚集，此時壓力上升比較緩慢，但在之后0.3s內，燃油已經反向流到喉口部位，燃油極有可能會噴到外界，且在之后的0.3s內壓力上升速度很快，呈現指數曲線增長，瞬間上升，即在加滿油“跳槍”同時出現“反噴”。

4.3 試驗驗證

通過公司樣車加油試驗，試驗反饋出現提前“跳槍”現象較少，且有多臺樣車出現了加滿油“跳槍”同時出現“反噴”。

5 優化方案及結果對比

5.1 優化方案

加油前通氣管內有大量燃油殘留導致加油槍提前“跳槍”。加滿油“跳槍”同時出現“反噴”是由于加油管內出現大量燃油聚集的同時，燃油箱內壓力上升呈指數曲線增長速度過快，壓力上升過快是由于達到油箱額定容積時排氣口向上布置，燃油封堵排氣口困難，此時油箱內壓力一直在上升，燃油已開始大量聚集在喉口部位，排氣口向上布置會導致燃油突然封堵住排氣口，壓力會瞬間上升，如圖7中橢圓所示，導致燃油“反噴”出加油管。因此需針對這兩個問題采取優化措施。

5.1.1 為確保燃油在額定容積內足夠多，防止加滿油同時出現燃油“反噴”出加油管現象，需將油箱內通氣管布置為向下方向，如圖8所示，以此來確保燃油可以輕松封堵排氣口。此種排氣口一般是由于需要滿足車身強度要求，通氣管在外布置位置有限，需引入油箱內布置，保證燃油在額定容積內存放足夠多。

5.1.2 為防止加油過程中提前“跳槍”，需在油箱內通氣管最底端開一個？覫（1～3）mm的小孔，如圖9所示，加油前通氣管內若有大量燃油殘留會導致加油提前“跳槍”。在加油過程中，通氣管內的大量燃油殘留會阻塞燃油箱內部氣體通過通氣管排出，導致燃油箱內壓力上升，加油管內燃油回流，此時加油槍“跳槍”，導致該殘留的主要原因是排氣口在油箱內部位不是整個通氣管路的最低端。因此通氣管設計時要保證在油箱外部管路無整個管路最低點，無局部管路最低點（即管路不可出現向下彎曲后再向上彎曲），通氣管路最低端在油箱內，以此來保證燃油不會在通氣管內聚集。

5.2 優化后計算結果

計算結果對比表明，優化后的通氣管，不會出現燃油殘留，不會出現“反噴”風險。結果如圖10、11、12所示。

對比喉口燃油大量聚集圖及壓力變化圖，壓力從開始增長到跳槍結束一直呈現拋物線形狀增長，增長速度較緩慢，有足夠時間完成加油槍“跳槍”，不會出現“反噴”現象。

5.3 試驗驗證

實施優化方案后進行燃油加注試驗，為驗證仿真分析結果，對通氣管整改后的燃油加注系統進行樣車試驗，最終得出所做試驗樣車加油系統未出現提前“跳槍”與“反噴”現象。

6 結束語

通過star-ccm+仿真分析手段對研發過程中本司某款汽車的燃油加注系統進行模擬分析，并針對分析過程中存在“反噴”現象的問題提出優化措施。最后經試驗對比可知仿真結果精度可信，能夠將燃油加注提前“跳槍”與“反噴”隱患扼制在研發初期階段，同時縮短了研發周期，降低了試驗費用。

參考文獻

[1]張杰山，蔣春龍.加油過程的CFD分析在汽車油箱系統設計中的應用[J].汽車工程師，2010，1.

[2]朱紅均，林元華，謝龍漢.Fluent12流體分析及工程仿真[M].北京：清華大學出版社，2011.

[3]陳家慶，張男，王金惠，等.機動車加油過程中氣液兩相流動特性的CFD數值模擬[J].環境科學，2011.endprint

導致加油前提前跳槍的原因有多種，下面僅對加油管與排氣管做出說明：（1）燃油加注到加油管第一個拐角時，由于管壁的摩擦力和液態流動的方向變化產生渦流造成彎管處燃油回流，液態燃油往管口方向回升接觸到加油槍進氣嘴引起加油槍跳槍。（2）加油槍提前跳槍是由于加油前通氣管內有大量燃油殘留，導致該燃油殘留的主要原因是通氣管排氣口設計不合理。

在分析時不考慮排氣管內存有燃油殘留。計算結果顯示，該車型在前3s內沒有出現燃油回流現象，因此不會導致提前“跳槍”，如圖3所示。故重點討論 “反噴”風險。

4.2 “反噴”風險分析

反噴是燃油加注到油箱即將加滿時，油箱內壓力上升過快，燃油在加油槍跳槍的同時從加油管中反向噴出。

加滿油“跳槍”同時出現“反噴”是由于加油管內出現大量燃油聚集的同時，燃油箱內壓力上升呈指數曲線增長速度過快，導致加油管內壓力瞬時上升，此時燃油已開始大量聚集在喉口部位，若此時壓力波動大，瞬時壓力增長快，此時導致燃油從加油管內噴出。

在即將加滿油時，如圖4所示為加油系統油氣分界面狀態，可看出油箱內燃油已滿，燃油開始大量聚集于喉口。

在18.6s時喉口處出現大量燃油聚集，如圖5所示。

加油槍“跳槍”靈敏度一般為0.3s，為驗證加油槍在“跳槍”延時的時間段內是否會產生“反噴”現象，因此為了確保加油槍“跳槍”，繼續加油0.3s，確定是否產生“反噴”風險。這時需參看繼續加油0.3s的加油管喉口監測面與壓力監測圖。

從圖5、6、7中可以看出，在18.6s時燃油開始大量聚集，此時壓力上升比較緩慢，但在之后0.3s內，燃油已經反向流到喉口部位，燃油極有可能會噴到外界，且在之后的0.3s內壓力上升速度很快，呈現指數曲線增長，瞬間上升，即在加滿油“跳槍”同時出現“反噴”。

4.3 試驗驗證

通過公司樣車加油試驗，試驗反饋出現提前“跳槍”現象較少，且有多臺樣車出現了加滿油“跳槍”同時出現“反噴”。

5 優化方案及結果對比

5.1 優化方案

加油前通氣管內有大量燃油殘留導致加油槍提前“跳槍”。加滿油“跳槍”同時出現“反噴”是由于加油管內出現大量燃油聚集的同時，燃油箱內壓力上升呈指數曲線增長速度過快，壓力上升過快是由于達到油箱額定容積時排氣口向上布置，燃油封堵排氣口困難，此時油箱內壓力一直在上升，燃油已開始大量聚集在喉口部位，排氣口向上布置會導致燃油突然封堵住排氣口，壓力會瞬間上升，如圖7中橢圓所示，導致燃油“反噴”出加油管。因此需針對這兩個問題采取優化措施。

5.1.1 為確保燃油在額定容積內足夠多，防止加滿油同時出現燃油“反噴”出加油管現象，需將油箱內通氣管布置為向下方向，如圖8所示，以此來確保燃油可以輕松封堵排氣口。此種排氣口一般是由于需要滿足車身強度要求，通氣管在外布置位置有限，需引入油箱內布置，保證燃油在額定容積內存放足夠多。

5.1.2 為防止加油過程中提前“跳槍”，需在油箱內通氣管最底端開一個？覫（1～3）mm的小孔，如圖9所示，加油前通氣管內若有大量燃油殘留會導致加油提前“跳槍”。在加油過程中，通氣管內的大量燃油殘留會阻塞燃油箱內部氣體通過通氣管排出，導致燃油箱內壓力上升，加油管內燃油回流，此時加油槍“跳槍”，導致該殘留的主要原因是排氣口在油箱內部位不是整個通氣管路的最低端。因此通氣管設計時要保證在油箱外部管路無整個管路最低點，無局部管路最低點（即管路不可出現向下彎曲后再向上彎曲），通氣管路最低端在油箱內，以此來保證燃油不會在通氣管內聚集。

5.2 優化后計算結果

計算結果對比表明，優化后的通氣管，不會出現燃油殘留，不會出現“反噴”風險。結果如圖10、11、12所示。

對比喉口燃油大量聚集圖及壓力變化圖，壓力從開始增長到跳槍結束一直呈現拋物線形狀增長，增長速度較緩慢，有足夠時間完成加油槍“跳槍”，不會出現“反噴”現象。

5.3 試驗驗證

實施優化方案后進行燃油加注試驗，為驗證仿真分析結果，對通氣管整改后的燃油加注系統進行樣車試驗，最終得出所做試驗樣車加油系統未出現提前“跳槍”與“反噴”現象。

6 結束語

通過star-ccm+仿真分析手段對研發過程中本司某款汽車的燃油加注系統進行模擬分析，并針對分析過程中存在“反噴”現象的問題提出優化措施。最后經試驗對比可知仿真結果精度可信，能夠將燃油加注提前“跳槍”與“反噴”隱患扼制在研發初期階段，同時縮短了研發周期，降低了試驗費用。

參考文獻

[1]張杰山，蔣春龍.加油過程的CFD分析在汽車油箱系統設計中的應用[J].汽車工程師，2010，1.

[2]朱紅均，林元華，謝龍漢.Fluent12流體分析及工程仿真[M].北京：清華大學出版社，2011.

[3]陳家慶，張男，王金惠，等.機動車加油過程中氣液兩相流動特性的CFD數值模擬[J].環境科學，2011.endprint