基于FLUENT的FSC賽事油箱設(shè)計(jì)與流體仿真

張玉明 袁繼楓 劉兆強(qiáng) 吳光慶 王太鎮(zhèn)

摘 要：在FSC賽事（即中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽）中，賽車是否能得到油泵的有效油量供應(yīng)，是在此賽事和其他各種油車賽中取得良好成績(jī)的關(guān)鍵因素，本文對(duì)安裝了CBR600的發(fā)動(dòng)機(jī)的賽車的油箱進(jìn)行仿真研究。致力于使賽車在任何情況可以順利吸油和保證賽車在加滿油之后移動(dòng)不會(huì)出現(xiàn)油液下降的現(xiàn)象。為解決上述兩種問題，對(duì)油箱進(jìn)行了合理建模并利用FLUENT軟件中VOF模型分析了所建模型的可靠性，得出了一種可靠的油箱結(jié)構(gòu)。為FSC油車賽的賽車油箱設(shè)計(jì)與仿真提供了一定程度的參考。

關(guān)鍵詞：FLUENT仿真;大學(xué)生方程式賽車;燃油供給;油箱建模;油量下降

0 引言

中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽是由中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)創(chuàng)辦，旨在由.各個(gè)大學(xué)的車隊(duì)的本科生和研究生構(gòu)想、設(shè)計(jì)、制造、開發(fā)、并完成一輛小型賽車參加比賽，目的在于提升學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新精神[1]。本文為解決賽車燃油供給系統(tǒng)在極端條件下無(wú)法正常供油的問題，對(duì)油箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理建模和FLUENT仿真分析，并得到了一種解決方案。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

在賽車高速跑動(dòng)和1.5g加速度下，燃油供給系統(tǒng)保證正常油液供應(yīng)。同時(shí)，保證賽車加滿油移動(dòng)一段距離后，不會(huì)出現(xiàn)油液下降的現(xiàn)象。

1.1 油液下降原因

在給油箱加油時(shí)，燃油中會(huì)夾雜少量氣泡進(jìn)入油箱中，當(dāng)油箱焊縫粗糙和油箱表面粗糙度較高時(shí)，氣泡便有可能附著到油箱表面和焊縫處。另外，當(dāng)油箱結(jié)構(gòu)不合理時(shí)，例如，油箱上壁面和側(cè)面形成銳角時(shí)，氣泡也有可能儲(chǔ)存的上壁面和側(cè)面形成的空間中。隨著賽車移動(dòng)，油液有了一定的晃動(dòng)，這時(shí)附著在油箱表面和其他地方的氣泡便會(huì)上浮，直到與空氣接觸，如此便引起了油液的下降。

1.2 油箱設(shè)計(jì)思路

油液下降問題解決措施：

①油箱在焊接前應(yīng)將內(nèi)壁打磨光滑，焊接完成后應(yīng)進(jìn)行二次打磨。

②油箱中防浪板應(yīng)設(shè)計(jì)合理，防浪板與底面盡量垂直。

保證油泵正常供油措施：

合理放置防浪板，保證在任何情況下，油箱中某一區(qū)域一直有燃油存在。

2 燃油泵內(nèi)外置選擇

雖然燃油內(nèi)置泵布置在油箱之中，相當(dāng)于防浪板，對(duì)油液晃動(dòng)起到了一定的阻礙效果，但是內(nèi)置泵減小了油箱內(nèi)部設(shè)計(jì)的自由度[2]。且外置泵相較于內(nèi)置泵便于實(shí)現(xiàn)賽車的輕量化，出于賽車輕量化和油箱內(nèi)部設(shè)計(jì)自由度這兩種考慮，選擇外置泵作為燃油供給系統(tǒng)的燃油泵。

3 油箱建模

（1）為滿足比賽油量需求，油箱容積設(shè)為5升。

（2）解決賽車在1.5g加速度下燃油供給系統(tǒng)無(wú)法正常供油問題：油箱設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于如何使燃油泵在過彎時(shí)能夠正常吸油，為解決這一問題，在油箱右側(cè)增加了兩個(gè)相交的角度呈110°且相交點(diǎn)距離油箱右側(cè)10mm，其中一個(gè)與油箱后面貼合，高度為120mm的矩形防浪板。外置泵吸油口設(shè)在防浪板、右側(cè)隔板和后方隔板形成的空間內(nèi)，并在右側(cè)板的最下方。這樣，當(dāng)賽車朝右側(cè)轉(zhuǎn)向時(shí)，油液會(huì)有一部分留在防浪板、右側(cè)隔板和后方隔板形成的空間內(nèi)（下文稱此空間為隔板空間），當(dāng)賽車朝左側(cè)轉(zhuǎn)向和加速時(shí)，油液會(huì)進(jìn)入隔板空間。這種油箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低了發(fā)生機(jī)械故障的可能性。在下文的仿真中會(huì)預(yù)測(cè)此油箱供油效果。油箱結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

（3）解決賽車移動(dòng)后油量下降問題：油箱內(nèi)表面進(jìn)行光滑處理，因此種油箱的防浪板全部采用垂直于油箱底面的結(jié)構(gòu)，使得氣泡在油箱中匯集的可能性大大降低。

（4）解決的其他問題：此種結(jié)構(gòu)降低了油箱整體重量，為整車輕量化設(shè)計(jì)給予了極大助力。

4 油箱FLUENT仿真

4.1 VOF模型介紹

VOF的全稱是“Volume of Fluid”，它是一種流體函數(shù)，代表流體與網(wǎng)格的體積之比。具有計(jì)算時(shí)間短，占用內(nèi)存空間小的特點(diǎn)。在分析各種非混合流體時(shí)，VOF模型可用于通過計(jì)算流體的動(dòng)量方程來(lái)模擬通過特定區(qū)域的目標(biāo)流體的體積分?jǐn)?shù)。

它使用了三個(gè)方程進(jìn)行計(jì)算，分別是體積分?jǐn)?shù)方程（連續(xù)性方程）、動(dòng)量方程和能量方程。

4.1.1 體積分?jǐn)?shù)方程

4.2 網(wǎng)格劃分

使用建好的三維模型畫網(wǎng)格，一切網(wǎng)格的劃分都在ICEM前處理軟件中進(jìn)行，網(wǎng)格類型為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格個(gè)數(shù)為542194個(gè)。

4.3 模型求解

在FLUENT中進(jìn)行求解，選擇vof求解模型，并采用impolicit body force以加快求解速度。油箱內(nèi)液體材料選擇煤油，這樣做是為了得到和汽油相近的仿真結(jié)果，將空氣相定為1相，煤油相定為2相。邊界條件中，縱向是重力加速度，使一個(gè)1.5g的加速度作用于油箱側(cè)面，以便接近賽車高速過彎時(shí)的真實(shí)情況。最后將油液高度設(shè)為45mm，大約占油箱總?cè)莘e的30%。

4.4 求解后處理

應(yīng)用CFD-POST軟件進(jìn)行后處理，找到求解中最后一個(gè).dat文件并打開，創(chuàng)建模型后選擇全部的計(jì)算文件合成視頻錄像，找到視頻中油箱晃動(dòng)幅度最大的點(diǎn)，分析此時(shí)隔板空間中的油量情況。如圖3所示。

由圖3可知，即使在油箱晃動(dòng)幅度最大時(shí)，隔板空間內(nèi)依然有充足的油量，這就說(shuō)明，在油量還剩30%時(shí)，油泵依然可以在賽車極限情況下保持正常的燃油供給。

5 結(jié)論

通過上述分析，在選用外置泵的條件下，當(dāng)賽車油量剩余30%左右時(shí)，燃油泵仍然可以在極端條件下保證燃油供給。這說(shuō)明，前面所述防浪板的設(shè)計(jì)是合理的。即這種油箱設(shè)計(jì)可以解決油液下降和油泵不能正常抽油問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]李理光.中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則[M].北京：中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)，2019.

[2]袁繼楓，張玉明.基于FSC噴油泵內(nèi)外置的可行性分析[J].科學(xué)與財(cái)富，2020（11）：384.

[3]田哲文，謝鑫，戚葉峰，等.基于VOF方法小型賽車燃油晃動(dòng)數(shù)值仿真[J].汽車科技，2016（06）：93-97.