汽车燃油加注系统CFD仿真分析

梁志涛+++李峰+++胡艳辉+++唐明

摘 要：利用star-ccm+软件，通过有限元仿真，对本司某款汽车的燃油加注系统进行仿真模拟。根据流场计算结果对燃油加注提前“跳枪”与“反喷”现象进行分析并提出优化方案，最后通过样车燃油加注试验与仿真结果进行对比。结果表明，仿真模拟具有足够精度，可为研发过程节省试验费用，并缩短研发周期，减少设计变更。

关键词：汽车；燃油加注系统；CFD仿真分析

1 概述

汽车在加油过程中，加油系统设计不合理会导致加油枪提前跳枪或燃油反喷等现象。传统的方法是采用样车实验来发现和解决此类问题，样车实验中很难观察到燃油在加油管中的流动情况，且会增加设计变更，延长整车开发周期，增加开发成本。

随着CFD（Computational Fluid Dynamic，即计算流体力学）技术的发展，依据瞬态三维粘性流动数值计算方法，应用多相流模型中的VOF（Volume of Fluid）模型来模拟加油过程，可以直观的观察到各个时刻加油系统中的燃油的分布情况，实现加油系统燃油流动的可视化，并迅速确定出现问题的部位及原因，为后续的优化设计提供依据[1]。

文章运用star-ccm+软件对本公司某款汽车的加油系统进行模拟分析。文中对加油系统模拟包含两部分：提前“跳枪”分析和“反喷”风险分析，针对两种模拟分析结果进行试验验证并提出优化方案，根据优化方案分析结果进行样车试验。

2 基本理论

2.1 加油枪跳枪原理

图1 燃油加注原理示意图

正常情况下，车辆燃油加注到额定容量是燃油从燃油箱加注口逐渐上升到加油管口部，液态燃油接触到加油枪进气嘴引起加油枪关闭加注。整个加油系统如图1所示。

2.2 多相流选择与控制方程

汽车加油过程涉及到非稳态、多相流、湍流并伴随着气液传质等多种物理和化学现象，而空气的卷吸携带、气-液界面上的质量传递以及体系内不同部件在时空尺度上的较大差异使得CFD数值模拟工作更为复杂，且这些因素对燃油加注系统仿真分析影响很小。因此文章研究基于如下假设：（1）整个体系等温，液态汽油与油气之间不发生热量传递；（2）不考虑液态汽油与油气之间存在的传质问题；（3）只考虑强制对流，不考虑气相密度不同而带来的浮力的影响；（4）气相在整个体系内的扩散比较均匀，即气相的黏度和扩散特性不因体系内气相体积分数的不同而变化[3]。

star-ccm+软件中的VOF模型适用于分层流、自由面流动、灌注、晃动、液体中大气泡的流动、水坝决堤时的水流以及对喷射破碎（表面张力）的预测等场合，能够求得任意液-气分界面的稳态或瞬时分界面，因此本研究选择VOF模型[2]。在VOF模型中，气、液两相共用压力和速度等体积平均变量，描述2种互不相溶、不可压缩流体的体积平均质量和动量守恒方程分别为：

（1）

（2）

式中，f？滓为由表面张力引起的体积力。混合物的密度和动力黏度可以通过体积分数平均的方法来决定：

（3）

在气液两相的分界面上，因气、液表面张力的不同而产生了一个压力跳跃，因此为了保持平衡，压力跳跃的梯度必须等于动量方程中的额外体积力。虽然动量方程针对整个求解域，但通过给定气液过渡区一个有限厚度，这个体积力仅仅在界面上较为显著。该不连续的压力跳跃可以按式（4）计算：

（4）

显然，有必要知道在整个计算域中的气相体积分数，气液两相分界面的跟踪通过针对体积分数求解下列连续性方程来实现：

（5）

当计算单元全部充满气相时，？琢=1；否则？琢=0。气液两相的分界面可以通过寻找0<？琢<1的单元得到。

3 建立有限元模型

3.1 面网格生成

面网格划分主要通过前处理软件Hypermesh和star-ccm+软件相结合的方法来完成。先在Hypermesh中进行几何清理和零部件命名，然后进行网格划分，对油箱网格尺寸设定为5mm，对需要加密的管路进行网格加密处理，为了能直观、详细的观察加油管燃油回流情形，需对加油管和通气管进行网格细化，网格基本尺寸设定为1.5mm，然后将划分好的网格模型导入到srar-ccm+中进行面网格处理，主要针对不合格的面网格进行再处理。如图2所示。

图2 加油系统面网格

3.2 体网格生成

利用star-ccm+自带的体网格划分功能，对处理完的面网格进行体单元填充。为了保证计算的精度和节省计算资源，对加油管与通气管部位建立一个block进行体网格细化，并生成5层边界层，细化体网格尺寸为1mm，其余体网格尺寸为5mm。最终生成体网格为130万。

3.3 边界条件

需模拟加油系统中各时刻体积分数和速度的分布，故采用瞬态流动，时间步长0.05s，子迭代10步，采用标准k-ε湍流模型，VOF算法，建立包括加油管、燃油箱、通气管和加油枪（进入加油管部分）在内的加油系统，进行模拟注油（设置油箱内已注有部分燃油，燃油液面尽量接近通气管排气口所在平面）。

（1）速度入口：4.57m/s（约为55L/min），根据GB 50156-2002《汽车加油站设计与施工规范》中要求；（2）压力出口：设置出口为一个标准大气压；（3）其他边界均为无滑移壁面；（4）为了检测喉口处燃油回流情形，在油枪嘴出口附近建立一个监测面（此监测面建立于自封油枪进气嘴处），在计算过程中监测燃油通过流量大小，在通气管内建立多个监测截面，监测通气管内压力变化。

4 计算结果

4.1 提前“跳枪”分析

加油枪提前跳枪是在加油过程中油箱内燃油量未达到额定容量95%时，加油管内燃油返流，加油枪跳枪停止加油。endprint

导致加油前提前跳枪的原因有多种，下面仅对加油管与排气管做出说明：（1）燃油加注到加油管第一个拐角时，由于管壁的摩擦力和液态流动的方向变化产生涡流造成弯管处燃油回流，液态燃油往管口方向回升接触到加油枪进气嘴引起加油枪跳枪。（2）加油枪提前跳枪是由于加油前通气管内有大量燃油残留，导致该燃油残留的主要原因是通气管排气口设计不合理。

在分析时不考虑排气管内存有燃油残留。计算结果显示，该车型在前3s内没有出现燃油回流现象，因此不会导致提前“跳枪”，如图3所示。故重点讨论 “反喷”风险。

4.2 “反喷”风险分析

反喷是燃油加注到油箱即将加满时，油箱内压力上升过快，燃油在加油枪跳枪的同时从加油管中反向喷出。

加满油“跳枪”同时出现“反喷”是由于加油管内出现大量燃油聚集的同时，燃油箱内压力上升呈指数曲线增长速度过快，导致加油管内压力瞬时上升，此时燃油已开始大量聚集在喉口部位，若此时压力波动大，瞬时压力增长快，此时导致燃油从加油管内喷出。

在即将加满油时，如图4所示为加油系统油气分界面状态，可看出油箱内燃油已满，燃油开始大量聚集于喉口。

在18.6s时喉口处出现大量燃油聚集，如图5所示。

加油枪“跳枪”灵敏度一般为0.3s，为验证加油枪在“跳枪”延时的时间段内是否会产生“反喷”现象，因此为了确保加油枪“跳枪”，继续加油0.3s，确定是否产生“反喷”风险。这时需参看继续加油0.3s的加油管喉口监测面与压力监测图。

从图5、6、7中可以看出，在18.6s时燃油开始大量聚集，此时压力上升比较缓慢，但在之后0.3s内，燃油已经反向流到喉口部位，燃油极有可能会喷到外界，且在之后的0.3s内压力上升速度很快，呈现指数曲线增长，瞬间上升，即在加满油“跳枪”同时出现“反喷”。

4.3 试验验证

通过公司样车加油试验，试验反馈出现提前“跳枪”现象较少，且有多台样车出现了加满油“跳枪”同时出现“反喷”。

5 优化方案及结果对比

5.1 优化方案

加油前通气管内有大量燃油残留导致加油枪提前“跳枪”。加满油“跳枪”同时出现“反喷”是由于加油管内出现大量燃油聚集的同时，燃油箱内压力上升呈指数曲线增长速度过快，压力上升过快是由于达到油箱额定容积时排气口向上布置，燃油封堵排气口困难，此时油箱内压力一直在上升，燃油已开始大量聚集在喉口部位，排气口向上布置会导致燃油突然封堵住排气口，压力会瞬间上升，如图7中椭圆所示，导致燃油“反喷”出加油管。因此需针对这两个问题采取优化措施。

5.1.1 为确保燃油在额定容积内足够多，防止加满油同时出现燃油“反喷”出加油管现象，需将油箱内通气管布置为向下方向，如图8所示，以此来确保燃油可以轻松封堵排气口。此种排气口一般是由于需要满足车身强度要求，通气管在外布置位置有限，需引入油箱内布置，保证燃油在额定容积内存放足够多。

5.1.2 为防止加油过程中提前“跳枪”，需在油箱内通气管最底端开一个？覫（1～3）mm的小孔，如图9所示，加油前通气管内若有大量燃油残留会导致加油提前“跳枪”。在加油过程中，通气管内的大量燃油残留会阻塞燃油箱内部气体通过通气管排出，导致燃油箱内压力上升，加油管内燃油回流，此时加油枪“跳枪”，导致该残留的主要原因是排气口在油箱内部位不是整个通气管路的最低端。因此通气管设计时要保证在油箱外部管路无整个管路最低点，无局部管路最低点（即管路不可出现向下弯曲后再向上弯曲），通气管路最低端在油箱内，以此来保证燃油不会在通气管内聚集。

5.2 优化后计算结果

计算结果对比表明，优化后的通气管，不会出现燃油残留，不会出现“反喷”风险。结果如图10、11、12所示。

对比喉口燃油大量聚集图及压力变化图，压力从开始增长到跳枪结束一直呈现抛物线形状增长，增长速度较缓慢，有足够时间完成加油枪“跳枪”，不会出现“反喷”现象。

5.3 试验验证

实施优化方案后进行燃油加注试验，为验证仿真分析结果，对通气管整改后的燃油加注系统进行样车试验，最终得出所做试验样车加油系统未出现提前“跳枪”与“反喷”现象。

6 结束语

通过star-ccm+仿真分析手段对研发过程中本司某款汽车的燃油加注系统进行模拟分析，并针对分析过程中存在“反喷”现象的问题提出优化措施。最后经试验对比可知仿真结果精度可信，能够将燃油加注提前“跳枪”与“反喷”隐患扼制在研发初期阶段，同时缩短了研发周期，降低了试验费用。

参考文献

[1]张杰山，蒋春龙.加油过程的CFD分析在汽车油箱系统设计中的应用[J].汽车工程师，2010，1.

[2]朱红均，林元华，谢龙汉.Fluent12流体分析及工程仿真[M].北京：清华大学出版社，2011.

[3]陈家庆，张男，王金惠，等.机动车加油过程中气液两相流动特性的CFD数值模拟[J].环境科学，2011.endprint

导致加油前提前跳枪的原因有多种，下面仅对加油管与排气管做出说明：（1）燃油加注到加油管第一个拐角时，由于管壁的摩擦力和液态流动的方向变化产生涡流造成弯管处燃油回流，液态燃油往管口方向回升接触到加油枪进气嘴引起加油枪跳枪。（2）加油枪提前跳枪是由于加油前通气管内有大量燃油残留，导致该燃油残留的主要原因是通气管排气口设计不合理。

在分析时不考虑排气管内存有燃油残留。计算结果显示，该车型在前3s内没有出现燃油回流现象，因此不会导致提前“跳枪”，如图3所示。故重点讨论 “反喷”风险。

4.2 “反喷”风险分析

反喷是燃油加注到油箱即将加满时，油箱内压力上升过快，燃油在加油枪跳枪的同时从加油管中反向喷出。

加满油“跳枪”同时出现“反喷”是由于加油管内出现大量燃油聚集的同时，燃油箱内压力上升呈指数曲线增长速度过快，导致加油管内压力瞬时上升，此时燃油已开始大量聚集在喉口部位，若此时压力波动大，瞬时压力增长快，此时导致燃油从加油管内喷出。

在即将加满油时，如图4所示为加油系统油气分界面状态，可看出油箱内燃油已满，燃油开始大量聚集于喉口。

在18.6s时喉口处出现大量燃油聚集，如图5所示。

加油枪“跳枪”灵敏度一般为0.3s，为验证加油枪在“跳枪”延时的时间段内是否会产生“反喷”现象，因此为了确保加油枪“跳枪”，继续加油0.3s，确定是否产生“反喷”风险。这时需参看继续加油0.3s的加油管喉口监测面与压力监测图。

从图5、6、7中可以看出，在18.6s时燃油开始大量聚集，此时压力上升比较缓慢，但在之后0.3s内，燃油已经反向流到喉口部位，燃油极有可能会喷到外界，且在之后的0.3s内压力上升速度很快，呈现指数曲线增长，瞬间上升，即在加满油“跳枪”同时出现“反喷”。

4.3 试验验证

通过公司样车加油试验，试验反馈出现提前“跳枪”现象较少，且有多台样车出现了加满油“跳枪”同时出现“反喷”。

5 优化方案及结果对比

5.1 优化方案

加油前通气管内有大量燃油残留导致加油枪提前“跳枪”。加满油“跳枪”同时出现“反喷”是由于加油管内出现大量燃油聚集的同时，燃油箱内压力上升呈指数曲线增长速度过快，压力上升过快是由于达到油箱额定容积时排气口向上布置，燃油封堵排气口困难，此时油箱内压力一直在上升，燃油已开始大量聚集在喉口部位，排气口向上布置会导致燃油突然封堵住排气口，压力会瞬间上升，如图7中椭圆所示，导致燃油“反喷”出加油管。因此需针对这两个问题采取优化措施。

5.1.1 为确保燃油在额定容积内足够多，防止加满油同时出现燃油“反喷”出加油管现象，需将油箱内通气管布置为向下方向，如图8所示，以此来确保燃油可以轻松封堵排气口。此种排气口一般是由于需要满足车身强度要求，通气管在外布置位置有限，需引入油箱内布置，保证燃油在额定容积内存放足够多。

5.1.2 为防止加油过程中提前“跳枪”，需在油箱内通气管最底端开一个？覫（1～3）mm的小孔，如图9所示，加油前通气管内若有大量燃油残留会导致加油提前“跳枪”。在加油过程中，通气管内的大量燃油残留会阻塞燃油箱内部气体通过通气管排出，导致燃油箱内压力上升，加油管内燃油回流，此时加油枪“跳枪”，导致该残留的主要原因是排气口在油箱内部位不是整个通气管路的最低端。因此通气管设计时要保证在油箱外部管路无整个管路最低点，无局部管路最低点（即管路不可出现向下弯曲后再向上弯曲），通气管路最低端在油箱内，以此来保证燃油不会在通气管内聚集。

5.2 优化后计算结果

计算结果对比表明，优化后的通气管，不会出现燃油残留，不会出现“反喷”风险。结果如图10、11、12所示。

对比喉口燃油大量聚集图及压力变化图，压力从开始增长到跳枪结束一直呈现抛物线形状增长，增长速度较缓慢，有足够时间完成加油枪“跳枪”，不会出现“反喷”现象。

5.3 试验验证

实施优化方案后进行燃油加注试验，为验证仿真分析结果，对通气管整改后的燃油加注系统进行样车试验，最终得出所做试验样车加油系统未出现提前“跳枪”与“反喷”现象。

6 结束语

通过star-ccm+仿真分析手段对研发过程中本司某款汽车的燃油加注系统进行模拟分析，并针对分析过程中存在“反喷”现象的问题提出优化措施。最后经试验对比可知仿真结果精度可信，能够将燃油加注提前“跳枪”与“反喷”隐患扼制在研发初期阶段，同时缩短了研发周期，降低了试验费用。

参考文献

[1]张杰山，蒋春龙.加油过程的CFD分析在汽车油箱系统设计中的应用[J].汽车工程师，2010，1.

[2]朱红均，林元华，谢龙汉.Fluent12流体分析及工程仿真[M].北京：清华大学出版社，2011.

[3]陈家庆，张男，王金惠，等.机动车加油过程中气液两相流动特性的CFD数值模拟[J].环境科学，2011.endprint

导致加油前提前跳枪的原因有多种，下面仅对加油管与排气管做出说明：（1）燃油加注到加油管第一个拐角时，由于管壁的摩擦力和液态流动的方向变化产生涡流造成弯管处燃油回流，液态燃油往管口方向回升接触到加油枪进气嘴引起加油枪跳枪。（2）加油枪提前跳枪是由于加油前通气管内有大量燃油残留，导致该燃油残留的主要原因是通气管排气口设计不合理。

在分析时不考虑排气管内存有燃油残留。计算结果显示，该车型在前3s内没有出现燃油回流现象，因此不会导致提前“跳枪”，如图3所示。故重点讨论 “反喷”风险。

4.2 “反喷”风险分析

反喷是燃油加注到油箱即将加满时，油箱内压力上升过快，燃油在加油枪跳枪的同时从加油管中反向喷出。

加满油“跳枪”同时出现“反喷”是由于加油管内出现大量燃油聚集的同时，燃油箱内压力上升呈指数曲线增长速度过快，导致加油管内压力瞬时上升，此时燃油已开始大量聚集在喉口部位，若此时压力波动大，瞬时压力增长快，此时导致燃油从加油管内喷出。

在即将加满油时，如图4所示为加油系统油气分界面状态，可看出油箱内燃油已满，燃油开始大量聚集于喉口。

在18.6s时喉口处出现大量燃油聚集，如图5所示。

加油枪“跳枪”灵敏度一般为0.3s，为验证加油枪在“跳枪”延时的时间段内是否会产生“反喷”现象，因此为了确保加油枪“跳枪”，继续加油0.3s，确定是否产生“反喷”风险。这时需参看继续加油0.3s的加油管喉口监测面与压力监测图。

从图5、6、7中可以看出，在18.6s时燃油开始大量聚集，此时压力上升比较缓慢，但在之后0.3s内，燃油已经反向流到喉口部位，燃油极有可能会喷到外界，且在之后的0.3s内压力上升速度很快，呈现指数曲线增长，瞬间上升，即在加满油“跳枪”同时出现“反喷”。

4.3 试验验证

通过公司样车加油试验，试验反馈出现提前“跳枪”现象较少，且有多台样车出现了加满油“跳枪”同时出现“反喷”。

5 优化方案及结果对比

5.1 优化方案

加油前通气管内有大量燃油残留导致加油枪提前“跳枪”。加满油“跳枪”同时出现“反喷”是由于加油管内出现大量燃油聚集的同时，燃油箱内压力上升呈指数曲线增长速度过快，压力上升过快是由于达到油箱额定容积时排气口向上布置，燃油封堵排气口困难，此时油箱内压力一直在上升，燃油已开始大量聚集在喉口部位，排气口向上布置会导致燃油突然封堵住排气口，压力会瞬间上升，如图7中椭圆所示，导致燃油“反喷”出加油管。因此需针对这两个问题采取优化措施。

5.1.1 为确保燃油在额定容积内足够多，防止加满油同时出现燃油“反喷”出加油管现象，需将油箱内通气管布置为向下方向，如图8所示，以此来确保燃油可以轻松封堵排气口。此种排气口一般是由于需要满足车身强度要求，通气管在外布置位置有限，需引入油箱内布置，保证燃油在额定容积内存放足够多。

5.1.2 为防止加油过程中提前“跳枪”，需在油箱内通气管最底端开一个？覫（1～3）mm的小孔，如图9所示，加油前通气管内若有大量燃油残留会导致加油提前“跳枪”。在加油过程中，通气管内的大量燃油残留会阻塞燃油箱内部气体通过通气管排出，导致燃油箱内压力上升，加油管内燃油回流，此时加油枪“跳枪”，导致该残留的主要原因是排气口在油箱内部位不是整个通气管路的最低端。因此通气管设计时要保证在油箱外部管路无整个管路最低点，无局部管路最低点（即管路不可出现向下弯曲后再向上弯曲），通气管路最低端在油箱内，以此来保证燃油不会在通气管内聚集。

5.2 优化后计算结果

计算结果对比表明，优化后的通气管，不会出现燃油残留，不会出现“反喷”风险。结果如图10、11、12所示。

对比喉口燃油大量聚集图及压力变化图，压力从开始增长到跳枪结束一直呈现抛物线形状增长，增长速度较缓慢，有足够时间完成加油枪“跳枪”，不会出现“反喷”现象。

5.3 试验验证

实施优化方案后进行燃油加注试验，为验证仿真分析结果，对通气管整改后的燃油加注系统进行样车试验，最终得出所做试验样车加油系统未出现提前“跳枪”与“反喷”现象。

6 结束语

通过star-ccm+仿真分析手段对研发过程中本司某款汽车的燃油加注系统进行模拟分析，并针对分析过程中存在“反喷”现象的问题提出优化措施。最后经试验对比可知仿真结果精度可信，能够将燃油加注提前“跳枪”与“反喷”隐患扼制在研发初期阶段，同时缩短了研发周期，降低了试验费用。

参考文献

[1]张杰山，蒋春龙.加油过程的CFD分析在汽车油箱系统设计中的应用[J].汽车工程师，2010，1.

[2]朱红均，林元华，谢龙汉.Fluent12流体分析及工程仿真[M].北京：清华大学出版社，2011.

[3]陈家庆，张男，王金惠，等.机动车加油过程中气液两相流动特性的CFD数值模拟[J].环境科学，2011.endprint