CFD技术在油箱注油分析中的应用

齐凯，郑鑫，黄日恺，孔繁华，李飞

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）



CFD技术在油箱注油分析中的应用

齐凯，郑鑫，黄日恺，孔繁华，李飞

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

由于总布置原因，需重新布置油箱注油管道，现提供两种布置方案，文章利用 STAR-CCM+软件，采用多相流模型模拟汽车油箱注油过程，观察注油过程中是否发生跳枪现象，经过试验验证模拟结果满足设计要求，没有发生跳枪现象。

注油；STAR-CCM+；验证；跳枪现象

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.014

CLC NO.: U461.99 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)06-39-03

前言

本为由于整车布置原因，油箱加注管需要更改位置，设计部门提供两种更改方案，考虑是否油箱注油过程中会发生“跳枪”现象，特此采用著名CFD软件STAR-CCM+软件模拟汽车油箱加注过程，验证方案的可行性。

1、理论基础及数学模型

1.1理论基础

燃油加注跳枪的原理，当扳动加油枪手柄，主阀在顶杆的推动下被打开，压力油通过主阀，并推开真空阀，从出油管向容器注油，并在负阀处产生负压。由于该处经通气管及出油管管口小孔与大气相通，空气通过小孔进行补充。在燃油加满时，枪口小孔被燃油淹没，空气无法补入，形成负压，使与此相通的橡胶侧移，带动卡针脱开，自控杆下移，手柄机构失去了平衡，主阀关闭，停止供油，完成自封过程。

1.2数学模型

在燃油加注的过程分析中，油箱中存在两种流体，一种是燃油，一种是空气。此分析为两相流问题，需采用 VOF方法进行非定常模拟[1]。

VOF方法的基本原理是通过研究网格单元中流体和网格体积比函数F来确定自由面，追踪流体的变化。若F=1，则说明该单元全部是指定相流体所占据；若 F=0，则该单元为无指定相流体单元；当0

采用图2所示的交错网格，阴影表示液体部分，时间采用一阶差分格式，方程(2)差分形式为：

图1　油箱系统及更改方案

1.5 统计学分析 采用SPSS18.0软件进行统计学处理，计量资料用表示，采用t检验；计数资料用例(%)表示，采用χ2检验。P<0.05为差异有统计学意义。

2、模型计算及方案分析

2.1模型建立

由于油箱重新布置，现根据实际空间对注油管重新排布，为考虑燃油加注的过程中不会发生注油现象，现对原方案及两个更改方案进行对比分析及结果评价。油箱系统及更改方案，如图2所示。

图2　网格单元上的变量表示

根据油箱的三维CAD数学模型，提取内表面，导入到Hypermesh中划分面网格，形成一个封闭的空间，然后导入STAR-CCM+软件中，划分十二面体网格，此网格对模型的适应性和计算精度都非常高。以原方案为例，油箱模型的体网格总网格为627307，边界层为3层，油管处适当加密，如图3所示。

图3　体网格剖面图

图4　边界条件设定

边界条件主要由加油管口的速度进口边界条件和出口处的压力边界条件，如图4所示。进口的燃油体积分数为1，速度为3m/s，整个模型的相对压力为零，采用VOF模型的瞬态计算，模拟注油的全过程。

3、结果分析

3.1燃油体积分数分布

图5　加注管口燃油体积分数

原方案和更改方案1，方案 2的燃油加注对比，如图5所示。从图中可以看出，两种方案的燃油流动趋势和原方案燃油流动基本相同。2.5s后达到平稳注油状态。

3.2检测面燃油流量

图6　检测面燃油流量

图6为燃油加注过程中通过检测面的燃油流量，检测面的位置为加注枪口的截面。模拟的整个过程中，截面总流量接近 0，证明三种模型，在燃油加注过程中都没有发生跳枪现象。但由于结构不同，曲线略有差别。方案2和原方案的曲线比较接近。方案1略差。

经过分析，决定用方案2来代替原方案。通过试验验证方案2，没有发生跳枪现象。

4、结论

(1) 本文采用CFD技术，成功的模拟了汽车燃油加注的过程，预测了跳枪的风险。

(2) 本文特点在于准确模拟油箱注油过程，提供合理化建议，成功解决了一直困扰结构设计工程师不能监测注油过程的难题，大大提高了CFD技术的应用领域。

(3) 采用CFD技术，大大缩短了研发周期，节省了大量的开发经费，模拟结果有较高的参考价值。

(4) 采用VOF方法，清晰地模拟交界面的运动变化情况，VOF方法在多相流中有更广泛的应用。

(5) 本文的不足在于没有采用参数化建模，拓扑分析，自动优化，提供最优设计方案给结构工程师，在以后工作和学习中，将进一步完善。

(6) 运用流体技术为人类造福，是每个工程师的理想与愿望。

[1] STAR-CCM+帮助文档. STAR-CCM+ help document.

[2] P. Ding, A.J. Buijk and W.A. van der Veen. Simulation of Fuel Tank Filling using a Multi-material Euler Solver with Multiple Adaptive Domains .SAE Paper:2005-01-1915.

[3] R. Banerjee, X. Bai, D. Pugh and K .M .Isaac. CFD Simulation of Critical Components in Fuel Filling Systems. SAE Paper：2002-01-0573.

[4] R. Banerjee , K. M. Isaac, L. Oliver and W. Breig. A Numerical Study of Automotive Gas Tank Filler Pipe Two Pase Flow. SAE Paper : 2001-01-0732.

Application Of CFD Technology To Fuel Tank Filling Analysis

Qi Kai, Zheng Xin, Huang Rikai, Kong Fanhua, Li Fei
（Brilliance Automotive Engineering Research Institute,Liaoning Shenyang 110141 )

Because the general arrangement, needed to rearrange the tank oiling pipeline, newly offered two kinds of layout scheme, this paper used the STAR-CCM+ software, by using multiphase flow model to simulate the automobile fuel tank filling process, observe the oiling process is occurring the phenomenon of jumping the gun, through experiment , the simulation results meet the design requirements, no the phenomenon of jumping the gun.

Filling; STAR-CCM+; Verify; The phenomenon of jumping the gun

齐凯，就职于华晨汽车研究院。

U461.99

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1671-7988 （2016）06-39-03