CFD技術在油箱注油分析中的應用

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 110141）

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CFD技術在油箱注油分析中的應用

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 110141）

由于總布置原因，需重新布置油箱注油管道，現提供兩種布置方案，文章利用 STAR-CCM+軟件，采用多相流模型模擬汽車油箱注油過程，觀察注油過程中是否發生跳槍現象，經過試驗驗證模擬結果滿足設計要求，沒有發生跳槍現象。

注油；STAR-CCM+；驗證；跳槍現象

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，設計部門提供兩種更改方案，考慮是否油箱注油過程中會發生“跳槍”現象，特此采用著名CFD軟件STAR-CCM+軟件模擬汽車油箱加注過程，驗證方案的可行性。

1、理論基礎及數學模型

1.1理論基礎

燃油加注跳槍的原理，當扳動加油槍手柄，主閥在頂桿的推動下被打開，壓力油通過主閥，并推開真空閥，從出油管向容器注油，并在負閥處產生負壓。由于該處經通氣管及出油管管口小孔與大氣相通，空氣通過小孔進行補充。在燃油加滿時，槍口小孔被燃油淹沒，空氣無法補入，形成負壓，使與此相通的橡膠側移，帶動卡針脫開，自控桿下移，手柄機構失去了平衡，主閥關閉，停止供油，完成自封過程。

1.2數學模型

在燃油加注的過程分析中，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方法進行非定常模擬[1]。

VOF方法的基本原理是通過研究網格單元中流體和網格體積比函數F來確定自由面，追蹤流體的變化。若F=1，則說明該單元全部是指定相流體所占據；若 F=0，則該單元為無指定相流體單元；當0

采用圖2所示的交錯網格，陰影表示液體部分，時間采用一階差分格式，方程(2)差分形式為：

圖1　油箱系統及更改方案

1.5 統計學分析 采用SPSS18.0軟件進行統計學處理，計量資料用表示，采用t檢驗；計數資料用例(%)表示，采用χ2檢驗。P<0.05為差異有統計學意義。

2、模型計算及方案分析

2.1模型建立

由于油箱重新布置，現根據實際空間對注油管重新排布，為考慮燃油加注的過程中不會發生注油現象，現對原方案及兩個更改方案進行對比分析及結果評價。油箱系統及更改方案，如圖2所示。

圖2　網格單元上的變量表示

根據油箱的三維CAD數學模型，提取內表面，導入到Hypermesh中劃分面網格，形成一個封閉的空間，然后導入STAR-CCM+軟件中，劃分十二面體網格，此網格對模型的適應性和計算精度都非常高。以原方案為例，油箱模型的體網格總網格為627307，邊界層為3層，油管處適當加密，如圖3所示。

圖3　體網格剖面圖

圖4　邊界條件設定

邊界條件主要由加油管口的速度進口邊界條件和出口處的壓力邊界條件，如圖4所示。進口的燃油體積分數為1，速度為3m/s，整個模型的相對壓力為零，采用VOF模型的瞬態計算，模擬注油的全過程。

3、結果分析

3.1燃油體積分數分布

圖5　加注管口燃油體積分數

原方案和更改方案1，方案 2的燃油加注對比，如圖5所示。從圖中可以看出，兩種方案的燃油流動趨勢和原方案燃油流動基本相同。2.5s后達到平穩注油狀態。

3.2檢測面燃油流量

圖6　檢測面燃油流量

圖6為燃油加注過程中通過檢測面的燃油流量，檢測面的位置為加注槍口的截面。模擬的整個過程中，截面總流量接近 0，證明三種模型，在燃油加注過程中都沒有發生跳槍現象。但由于結構不同，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。

經過分析，決定用方案2來代替原方案。通過試驗驗證方案2，沒有發生跳槍現象。

4、結論

(1) 本文采用CFD技術，成功的模擬了汽車燃油加注的過程，預測了跳槍的風險。

(2) 本文特點在于準確模擬油箱注油過程，提供合理化建議，成功解決了一直困擾結構設計工程師不能監測注油過程的難題，大大提高了CFD技術的應用領域。

(3) 采用CFD技術，大大縮短了研發周期，節省了大量的開發經費，模擬結果有較高的參考價值。

(4) 采用VOF方法，清晰地模擬交界面的運動變化情況，VOF方法在多相流中有更廣泛的應用。

(5) 本文的不足在于沒有采用參數化建模，拓撲分析，自動優化，提供最優設計方案給結構工程師，在以后工作和學習中，將進一步完善。

(6) 運用流體技術為人類造福，是每個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

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1671-7988 （2016）06-39-03