0.摘要

本文基于安世亞太自主研發(fā)的PERA SIM Fluid流體仿真軟件，對某款汽車油箱瞬態(tài)的加注過程進行了數(shù)值仿真，獲得了油箱內的液位高度隨時間的變化特性，驗證了國產(chǎn)仿真軟件PERA SIM Fluid在多相流仿真領域的適用性和可靠性。

關鍵詞：油箱加注；VOF；PERA SIM Fluid

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1.引言

在汽車油箱的加注過程中，管內的汽油流速比較快，如果油箱設計不合理的話，油箱中的空氣不能及時排出，油箱內的壓力會快速升高，導致出現(xiàn)“提前跳槍”或“燃油反噴”等現(xiàn)象。傳統(tǒng)的油箱設計中通過反復臺架試驗或實車試驗的方法來改進設計，但這樣會延長開發(fā)周期，增加開發(fā)成本，而且在試驗過程中也很難觀察到燃油在加油管內的詳細流動情況。利用CFD（計算流動動力學）仿真軟件對油箱加注過程進行仿真，可以直觀地看到燃油在加油管內的流動情況，并迅速確定出現(xiàn)問題的部位及原因，為優(yōu)化設計提供依據(jù)。

在分析中，油箱中存在兩種流體，一種是燃油，一種是空氣，且假設兩種流體均不可壓縮。在重力作用下，氣液兩相之間呈現(xiàn)出明顯的相間界面，使用多相流模型中的VOF（Volume of Fluid）模型追蹤液面隨時間的變化。

VOF模型是一種在固定的歐拉網(wǎng)格下的表面跟蹤方法。當需要得到一種或多種互不相融流體間的交界面時，可以采用這種模型。在VOF模型中，不同的流體組分共用著一套動量方程，計算時在全流場的每個計算單元內，都記錄下各流體組分所占有的體積分率。VOF模型的應用例子包括分層流、自由表面流動、灌注、晃動、液體中大氣泡的流動、水壩決堤時的水流等，以及求得任意氣液之間穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)的相分界面。

本文基于安世亞太自主研發(fā)的通用流體仿真軟件PERA SIM Fluid，對某款汽車油箱的瞬態(tài)加注過程進行了研究。

2.仿真模型的建立

2.1 幾何和網(wǎng)格模型的處理

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汽車油箱的幾何模型如圖所示，包含油箱的內壁面、進油管路和回氣管路的一部分。

圖1 汽車油箱的幾何模型

全局網(wǎng)格尺寸的設置中，最小值為2 mm，最大值為8 mm。局部尺寸的設置中，入口和出口面的最小值和最大值均為2 mm。在所有的壁面邊界表面生成3層邊界層網(wǎng)格，第一層層高為0.8mm，增長率為1.2。

最終生成約34萬的多面體和邊界層網(wǎng)格，網(wǎng)格質量滿足計算要求。

圖2 體網(wǎng)格切面

圖3 邊界層網(wǎng)格

2.2 模型及邊界條件的設置

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在“通用”設置中，分析類型為“不可壓縮”，瞬態(tài)計算，參考壓力為101325 Pa，參考壓力位置的坐標設置在出口邊界上。開啟浮力模型，Y方向的重力加速度為-9.8 m/s^2，參考密度為1.225 kg/m^3。

圖4 通用設置

湍流模型選擇可實現(xiàn)的K-Epsilon模型和可縮放壁面函數(shù)。

圖5 湍流模型設置

創(chuàng)建兩種流體材料，分別為空氣和汽油，其密度和動力粘度數(shù)值如圖所示。

圖6 材料物性設置

多相流模型選擇VOF模型，將主相設置為空氣流體材料，將分相設置為汽油流體材料。

圖7 多相流模型設置

計算域內各邊界條件如下：

油箱的入口邊界設置為質量流量入口，空氣相的質量流率為0 kg/s，汽油相的質量流率為0.37 kg/s，對應的體積流量為30 L/min。

圖8 入口邊界條件的設置

出口邊界設置為壓力出口，混合相的靜壓為0 Pa，汽油相的回流體積分數(shù)為0。

圖9 出口邊界條件的設置

2.3 求解設置及計算

選擇PISO算法，壓力的格式選擇體積力加權，動量和湍流的格式選擇二階迎風格式，體積分數(shù)的格式選擇HRIC格式，時間的格式選擇一階格式。

圖10 求解方法的設置

使用初始化功能設置初始的液位高度。在全局初始值中，設置全場初始的汽油體積分數(shù)為0。在局部初始化中，使用方盒定義出初始液位高度以下即Y坐標小于-0.09m的區(qū)域，汽油的體積分數(shù)為1。

圖11 初始化的設置

瞬態(tài)計算的時間步長設置為0.005 s，總的時間步數(shù)為12000步，即實際計算的物理時長為60 s。每間隔100個時間步即0.5 s輸出一個計算結果用于后處理。PERA SIM Fluid支持本地或遠程的并行計算，設置合理的并行核數(shù)開始計算。

圖12 計算設置

3.計算結果分析

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3.1 模型建立及簡化

直接導入分析的幾何模型。由于需要對板料進行塑性分析，且需要查看板的局部變形，為了更好地計算精度，整個模型采用實體單元進行模擬，因此不需要進行板料抽取中面等進一步的模型處理。

對PERA SIM Fluid的瞬態(tài)計算結果進行后處理，獲得不同時刻油箱內部的體積分數(shù)云圖、壓力云圖等結果。

不同時刻切面上的體積分數(shù)云圖如下所示。

圖13 不同時刻切面上的體積分數(shù)云圖

不同時刻氣液相界面的變化如下所示。

圖14 不同時刻的氣液相界面

不同時刻切面上的壓力云圖如下所示。

圖15 不同時刻切面上的壓力云圖

4.結論

本文基于安世亞太自主研發(fā)的通用流體仿真軟件PERA SIM Fluid，對汽車油箱瞬態(tài)加注過程進行了分析，實現(xiàn)了從網(wǎng)格劃分、物性參數(shù)設置、邊界條件設置、求解設置以及計算和后處理的完整仿真流程，驗證了PERA SIM Fluid強大的前后處理功能以及求解器在多相流仿真領域穩(wěn)健快速的特性。

作者：安世亞太高級流體工程師 崔亮