基于FLUENT的FSC赛事油箱设计与流体仿真

张玉明 袁继枫 刘兆强 吴光庆 王太镇

摘 要：在FSC赛事（即中国大学生方程式汽车大赛）中，赛车是否能得到油泵的有效油量供应，是在此赛事和其他各种油车赛中取得良好成绩的关键因素，本文对安装了CBR600的发动机的赛车的油箱进行仿真研究。致力于使赛车在任何情况可以顺利吸油和保证赛车在加满油之后移动不会出现油液下降的现象。为解决上述两种问题，对油箱进行了合理建模并利用FLUENT软件中VOF模型分析了所建模型的可靠性，得出了一种可靠的油箱结构。为FSC油车赛的赛车油箱设计与仿真提供了一定程度的参考。

关键词：FLUENT仿真;大学生方程式赛车;燃油供给;油箱建模;油量下降

0 引言

中国大学生方程式汽车大赛是由中国汽车工程学会创办，旨在由.各个大学的车队的本科生和研究生构想、设计、制造、开发、并完成一辆小型赛车参加比赛，目的在于提升学生的专业素养和创新精神[1]。本文为解决赛车燃油供给系统在极端条件下无法正常供油的问题，对油箱结构进行了合理建模和FLUENT仿真分析，并得到了一种解决方案。

1 设计目标

在赛车高速跑动和1.5g加速度下，燃油供给系统保证正常油液供应。同时，保证赛车加满油移动一段距离后，不会出现油液下降的现象。

1.1 油液下降原因

在给油箱加油时，燃油中会夹杂少量气泡进入油箱中，当油箱焊缝粗糙和油箱表面粗糙度较高时，气泡便有可能附着到油箱表面和焊缝处。另外，当油箱结构不合理时，例如，油箱上壁面和侧面形成锐角时，气泡也有可能储存的上壁面和侧面形成的空间中。随着赛车移动，油液有了一定的晃动，这时附着在油箱表面和其他地方的气泡便会上浮，直到与空气接触，如此便引起了油液的下降。

1.2 油箱设计思路

油液下降问题解决措施：

①油箱在焊接前应将内壁打磨光滑，焊接完成后应进行二次打磨。

②油箱中防浪板应设计合理，防浪板与底面尽量垂直。

保证油泵正常供油措施：

合理放置防浪板，保证在任何情况下，油箱中某一区域一直有燃油存在。

2 燃油泵内外置选择

虽然燃油内置泵布置在油箱之中，相当于防浪板，对油液晃动起到了一定的阻碍效果，但是内置泵减小了油箱内部设计的自由度[2]。且外置泵相较于内置泵便于实现赛车的轻量化，出于赛车轻量化和油箱内部设计自由度这两种考虑，选择外置泵作为燃油供给系统的燃油泵。

3 油箱建模

（1）为满足比赛油量需求，油箱容积设为5升。

（2）解决赛车在1.5g加速度下燃油供给系统无法正常供油问题：油箱设计难点在于如何使燃油泵在过弯时能够正常吸油，为解决这一问题，在油箱右侧增加了两个相交的角度呈110°且相交点距离油箱右侧10mm，其中一个与油箱后面贴合，高度为120mm的矩形防浪板。外置泵吸油口設在防浪板、右侧隔板和后方隔板形成的空间内，并在右侧板的最下方。这样，当赛车朝右侧转向时，油液会有一部分留在防浪板、右侧隔板和后方隔板形成的空间内（下文称此空间为隔板空间），当赛车朝左侧转向和加速时，油液会进入隔板空间。这种油箱内部结构简单，降低了发生机械故障的可能性。在下文的仿真中会预测此油箱供油效果。油箱结构如图1、图2所示。

（3）解决赛车移动后油量下降问题：油箱内表面进行光滑处理，因此种油箱的防浪板全部采用垂直于油箱底面的结构，使得气泡在油箱中汇集的可能性大大降低。

（4）解决的其他问题：此种结构降低了油箱整体重量，为整车轻量化设计给予了极大助力。

4 油箱FLUENT仿真

4.1 VOF模型介绍

VOF的全称是“Volume of Fluid”，它是一种流体函数，代表流体与网格的体积之比。具有计算时间短，占用内存空间小的特点。在分析各种非混合流体时，VOF模型可用于通过计算流体的动量方程来模拟通过特定区域的目标流体的体积分数。

它使用了三个方程进行计算，分别是体积分数方程（连续性方程）、动量方程和能量方程。

4.1.1 体积分数方程

4.2 网格划分

使用建好的三维模型画网格，一切网格的划分都在ICEM前处理软件中进行，网格类型为结构化网格，网格个数为542194个。

4.3 模型求解

在FLUENT中进行求解，选择vof求解模型，并采用impolicit body force以加快求解速度。油箱内液体材料选择煤油，这样做是为了得到和汽油相近的仿真结果，将空气相定为1相，煤油相定为2相。边界条件中，纵向是重力加速度，使一个1.5g的加速度作用于油箱侧面，以便接近赛车高速过弯时的真实情况。最后将油液高度设为45mm，大约占油箱总容积的30%。

4.4 求解后处理

应用CFD-POST软件进行后处理，找到求解中最后一个.dat文件并打开，创建模型后选择全部的计算文件合成视频录像，找到视频中油箱晃动幅度最大的点，分析此时隔板空间中的油量情况。如图3所示。

由图3可知，即使在油箱晃动幅度最大时，隔板空间内依然有充足的油量，这就说明，在油量还剩30%时，油泵依然可以在赛车极限情况下保持正常的燃油供给。

5 结论

通过上述分析，在选用外置泵的条件下，当赛车油量剩余30%左右时，燃油泵仍然可以在极端条件下保证燃油供给。这说明，前面所述防浪板的设计是合理的。即这种油箱设计可以解决油液下降和油泵不能正常抽油问题。

参考文献：

[1]李理光.中国大学生方程式汽车大赛规则[M].北京：中国汽车工程学会，2019.

[2]袁继枫，张玉明.基于FSC喷油泵内外置的可行性分析[J].科学与财富，2020（11）：384.

[3]田哲文，谢鑫，戚叶峰，等.基于VOF方法小型赛车燃油晃动数值仿真[J].汽车科技，2016（06）：93-97.