基于ANSYS Fluent的燃油箱油注分析

朱明澤 蘇衛東

摘 要：汽車燃油箱注油過程中必須避免加油槍提前跳槍、燃油反噴等現象，在傳統的設計開發中需要通過制造樣件來驗證燃油加注性能。隨著硬件和軟件技術的發展，在目前汽車油箱的設計開發中越來越多地應用CFD（Computational Fluid Dynamics） 分析的方法，本文描述了基于商業計算流體動力學（CFD）軟件ANSYSFlu ent環境下燃油箱注油過程的模擬。采用Fluent中提供的VOF（Volume of Fraction） 氣液兩相流模型和RNG k-c湍流模型，在基于ANSYS ICEM CFD軟件確定網格劃分方案和進行適當的邊界條件設置后，建立了合理可行的加油過程氣液兩相流動CFD數值分析模型。得到了燃油加注過程中，氣液兩相的分布、油箱內部壓力、加油排氣的通風流量等影響加注性能的參數，這說明采用CFD技術對注油過程進行分析是一種輔助燃油系統設計的有效方法，可縮短油箱設計周期、降低開發成本。

關鍵詞：注油；計算流體力學

1 引言

汽車燃油系統是汽車部件中重要的功能件和安全件之一。在開發中，燃油系統也是一個關鍵部件。燃油箱位置和空間受到車身結構的限制，往往布置在車身底部，與加油口之間存在一定距離。需要通過注油管連接至加油口，這對燃油加注可能帶來困難。汽車在加油過程中，加油速度通常比較大，如果注油管設計不合理，燃油不能順暢流入油箱，就會出現“跳槍、飛濺”等現象；如果燃油箱設計不合理，燃油箱中的氣體不能及時排出，燃油箱內部壓力會快速增大，導致“跳槍、反噴”等現象。在以往燃油箱設計中需要制造樣件運用試驗方法驗證，關于加油管注油過程的仿真分析很少，一般是在出現問題后利用試驗手段對加油管進行優化，這樣不僅會延長整車開發周期、增加開發成本，而且因為在試驗中很難觀察到燃油在加油管中的流動狀況，使得設計人員難以確定產生問題的根本原因，不能根據實驗結果準確地修改、優化設計。隨著CFD理論、硬件和CFD軟件的發展，現在越來越多地使用CFD方法來輔助汽車燃油箱的設計。通過在計算機虛擬環境中模擬燃油在加注時的流動分布，可以直觀地觀察到加油管、燃油箱內的流場情況，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。

本文以某款燃油系統為例，介紹了利用ANSYS Fluent軟件進行燃油加注過程模擬的方法。

2 注油過程三維數值分析

2.1 計算網格

本次分析建立了包括加油槍嘴、加油管、通氣管及燃油箱的加油總成模型，采用ANSYS ICEMCFD網格劃分工具生成網格。在劃分網格時，對加油頭部結構做了簡化，同時對結構變化大的部位進行網格細化，如圖1所示。

2.2數學模型

2.2.1流動控制方程

在燃油箱注油分析中，燃油箱中存在兩種相態的流體，一種是液態（燃油），一種是氣態（空氣），且兩種流體均不可壓縮，液面隨時間變化。因此確定該分析為多相流模擬，需要計算VOF模型的非定常問題。

VOF模型依賴于兩種或多種流體（或相）是互不滲透的這一事實。對于引入模型中的每一相，引入一個稱為單元相體積分數的變量。在每一個控制容積中，所有相的體積分數之和為1。只要在計算域內每一點的各相的體積分數已知，全部變量和物性的場都由各相共享并代表了體積平均值。因而，根據體積分數的值，任意單元內的變量和物性或者為一相的代表，或者為多相混合物的代表。即，如果單元中第q相流體體積分數為n。，當n。-0盹單元中沒有第q相流體；當n。=l時：單元中充滿第q相流體當O2.2.2湍流模型

常用湍流模型有直接數值模型（ DNS）、基于雷諾平均N-S方程組（RANS）的模型、大渦模型（ LES）、標準k.￡模型、RNGk.e模型和帶漩渦修正k-s模型等。本文采用工程上被廣泛使用的RNG kI￡模型[4]。

2.2.3邊界條件

本模擬計算中，模型邊界主要由注油管口部的速度進口和壓力出口組成。速度進口處，燃油體積分數為l，且燃油以3 .9m/s（約45L/min）的速度加注到油管中，壓力出口處為恒定的一個標準大氣壓，其他邊界均為無滑移壁。由于要獲得模擬中各時刻燃油體積分數和速度的分布，故采用瞬態計算。另外，本次計算不考慮相間質量和熱量的傳遞。

3 結果與分析

3.1燃油分布情況

如圖2所示，圖為加注過程中燃油在燃油箱內的分布情況。燃油沿注油管流入燃油箱后向周圍分散。

3.2壓力分布

如圖3所示，圖為加注過程中燃油箱內的壓力分布情況。在注油管頭部、回氣管中壓力比較大。

3.3速度分布

如圖4所示，圖為加注過程中燃油箱內的速度分布情況。在注油管頭部、回氣管中氣體速度比較大，甚至可達到1Om/s以上。

經過計算結果分析，可以得到燃油箱內的燃油分布及流動情況、流體的速度和壓力等數值。在注油過程中氣體沿回氣管經注油管口部排出。由于回氣管口徑較小、注油管頭部異形結構等因素影響，氣體排出速度比較大，甚至可達到lOm/s以上。在燃油加注過程中，如果不能及時地排出氣體，或者因油液進入堵塞回氣管，油箱內壓力就會急劇升高，出現“跳槍、反噴”等現象，這在設計中需要特別注意，避免發生。

4 結語

（1）本文利用CFD技術，采用多相流模型實現了對注油過程中加油管內的燃油流動情況的模擬。得到了加注過程中燃油分布、流體壓力、速度等數值，可判斷加油過程中是否有提前跳槍的風險。

（2）在油箱設計中應用CFD方法，可以縮短開發周期，節省開發費用，分析結果對于產品開發設計具有參考價值。

（3）在分析兩相流中采用VOF方法模擬交界面運動的變化是CFD分析得一個重要方法，VOF方法在兩相和多相流的數值模擬中將會有更加廣泛的應用。