基于CFD的油箱燃油晃動數值模擬

李佳佳

（江蘇安全技術職業學院，江蘇徐州221011)

0 引言

隨著汽車工業的發展，汽車燃油箱的需求呈現增長趨勢，世界上第一套塑料燃油箱是在20世紀60年代，由德國大眾、BASF和KAUTEX公司聯合設計開發出來，早期的燃油箱大多由金屬材料制成，后來改用合成材料來適應汽車輕量化的發展需求，以滿足新的汽車燃油經濟性標準[1]。

燃油箱是個相對密閉的系統，油箱上通常設有通風裝置，以防止隨著油量的過度消耗而在箱內與大氣的壓力差作用下產生變形。由于慣性作用，汽車在加速或減速過程中會引起油箱內部燃油的晃動，對箱體產生一定的作用力，甚至造成干擾噪聲。所以本文對油箱的燃油晃動進行數值模擬，分析應力變化，以便進一步對箱體進行優化設計[3-4]。

1 計算方法和理論模型

近幾十年來，有學者研究發現晃動波具有一定的非線性特征，但是在自由運動表面捕捉非線性邊界條件，目前還是一個難題，數值模擬方法對解決非線性問題具有一定的優勢[3-4]。

液體表面波運動的數值模擬都是基于N-S控制方程或勢流理論。在時域仿真中，勢流理論通常解決兩個關鍵問題：一個用于解決速度場的邊界值問題（BVP)，可通過邊界體積法（BEM）、有限元法（FEM)、有限差分法（FDM）、有限體積法等來實現；另一個用于隨時間更新邊界點位置和邊界條件。由于勢流理論（該方法假定液體是不可壓縮的)在計算的效率和準確性上具有很大的優勢，因此對于自由運動邊界，主要采用混合歐拉法（MEL）和半拉格朗日法（SL）[5]。

近幾年來，計算機流體力學（CFD）在結構分析設計的過程中起到了重要作用，它不僅節省了項目測試設計所需的時間，而且節約了設計成本。作為CFD的專業軟件，ANSYS FLUENT應用較為廣泛，它采用VOF方法進行求解，通常這種方法僅適用于穩態解問題，它不依賴于計算初始值。在氣-液交界面，為了防止渦結構的生成，可以選用瞬態求解法。

多相流之間的界面軌跡可由一個連續方程求解一個（或多個）有限體積單元的相位，對于q相（流體的有限單元），該方程形式如下：

式中：mqp為q相至p相的轉變；mpq為p相到q相的質率。方程（1）右側的源項Saq默認值為零[6]，也可為每個相指定一個常數，該單元的有限體積單元分數表示為αq。

2 計算模型及邊界條件

本文的研究模型為一個封閉的油箱，箱內盛有65%的油和35%的空氣。油箱的總體積為0.203 m3，油的體積為0.132 m3，占油箱體積的65%。油箱由普通鋼材料制成，其材料特性如表1所示，金屬板壁的厚度為6 mm。

表1 材料特性

圖1 燃油箱建模

圖1所示，靜止坐標系下，油箱下端采用螺孔固定。油箱進行靜態分析和晃動時流固耦合分析的邊界條件如圖1（b）所示，油箱在X、Y、Z三個方向上以3g的加速度加載。3 油箱晃動數值模擬

3.1 燃油箱的靜態分析

靜態分析過程中，將流體靜壓作為添加載荷，由于靜態分析過程中沒有考慮油在箱體內的運動，箱內存在一個45°的自由液面，其液面如圖2所示，計算分析得到的壓力分布如圖3所示。從圖3可以看出，靜態時，油箱正對液面的底角區域壓力較大，達到0.33 MPa，液面處的壓力最小，接近于0 Pa。

圖2 靜態時油箱液面

圖3 靜態時油箱靜壓

圖4顯示了靜態分析中，油箱表面應力分布情況。從應力圖可以看出，油箱的最大應力為63.87 MPa，在油箱的一側區域，應力較為集中，另一側的應力幾乎為0，說明靜態計算時，油對油箱的結構作用力影響比較明顯。

圖4 表面應力分布

3.2 燃油箱燃油晃動分析

當油箱里的液體存在一定的運動時，采用FLUENT進行箱體的流固耦合分析。在仿真初始階段，油箱處于靜止狀態，當t=2 s時，在油箱上施加一個與時間相關的加速度，進行模擬計算分析。此時需要運用兩相流模型。其中一相為空氣，另一相為油，采用ANSYS FLUENT 12.0中的VOF多相流模型進行設置[7]，來預測油箱在加速運動下，油箱與燃油耦合運動狀態，重點分析加速過程中油箱的最大應力分布。圖5為動態仿真過程中，t=2 s內的自由液面形態的預測結果。即不同時間段油液面的變化，當t=0.5 s時，液面波動幅度較大，當t=2 s時，液面波動幅度逐漸變小，這與圖6的液體流速變化基本一致，在0.5 s內速度變化最大。

圖5 不同時間段油箱液面變化

圖6 t=2 s內的液體流速變化

圖7 t=2 s內的最大應力分布

圖7顯示了運動過程中2 s內的應力分布圖。由圖7的計算結果，可以得知在晃動情況下，箱體的最大應力值為10.28 MPa，這個值遠遠小于靜態時的數值，而且整個箱體的應力分布較為分散，未出現應力集中的尖點，受力情況比靜態時的好，因此油箱結構設計時也應充分考慮晃動耦合時的工況[8]。

4 結 論

本文采用CAD建模和FLUENT仿真分析，對比分析燃油箱靜態模擬結果與晃動的流固耦合結果，可以看出兩者存在明顯的差別。靜態分析計算所用的時間明顯小于晃動時流固耦合的計算時間，靜態計算時，油對箱體產生的最大應力為63.87 MPa，這個數值遠大于晃動時流固耦合的分析值。因此在燃油箱設計過程中，使用靜態分析結果設計可能會導致設計余量過大，造成不必要的浪費，這有利于對油箱結構的進一步優化設計。