燃油箱注油分析（一）

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发表时间：2014/4/28

1 前言

汽车燃油系统是汽车部件中重要的功能件和安全件之一。在开发中，燃油系统也是一个关键部件。燃油箱位置和空间受到车身结构的限制，往往布置在车身底部，与加油口之间存在一定距离。需要通过注油管连接至加油口，这对燃油加注可能带来困难。汽车在加油过程中，加油速度通常比较大，如果注油管设计不合理，燃油不能顺畅流入油箱，就会出现“跳枪、飞溅”等现象；如果燃油箱设计不合理，燃油箱中的气体不能及时排出，燃油箱内部压力会快速增大，导致“跳枪、反喷”等现象。在以往燃油箱设计中需要制造样件运用试验方法验证，关于加油管注油过程的仿真分析很少，一般是在出现问题后利用试验手段对加油管进行优化，这样不仅会延长整车开发周期、增加开发成本，而且因为在试验中很难观察到燃油在加油管中的流动状况，使得设计人员难以确定产生问题的根本原因，不能根据实验结果准确地修改、优化设计。随着CFD理论、硬件和CFD软件的发展，现在越来越多地使用CFD方法来辅助汽车燃油箱的设计。通过在计算机虚拟环境中模拟燃油在加注时的流动分布，可以直观地观察到加油管、燃油箱内的流场情况，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。

本文以某款燃油系统为例，介绍了软件进行燃油加注过程模拟的方法。

2 注油过程三维数值分析 2.1 计算网格 本次分析建立了包括加油枪嘴、加油管、通气管及燃油箱的加油总成模型，采用Gambit网格划分工具生成网格，如图1所示。在划分网格时，对加油头部结构做了简化，同时对结构变化大的部位进行网格细化。

图1 计算网格 2.2 数学模型 2.2.1 流动控制方程 在燃油箱注油分析中，燃油箱中存在两种相态的流体，一种是液态（燃油），一种是气态（空气），且两种流体均不可压缩，液面随时间变化。因此确定该分析为多相流模拟，需要计算VOF 模型的非定常问题。 VOF模型依赖于两种或多种流体（或相）是互不渗透的这一事实。对于引入模型中的每一相，引入一个称为单元相体积分数的变量。在每一个控制容积中，所有相的体积分数之和为1。只要在计算域内每一点的各相的体积分数已知，全部变量和物性的场都由各相共享并代表了体积平均值。因而，根据体积分数的值，任意单元内的变量和物性或者为一相的代表，或者为多相混合物的代表。即，如果单元中第q相流体体积分数为αq，当αq=0时：单元中没有第q相流体；当αq=1时：单元中充满第q相流体当0＜αq＜1时：单元中有第q相流体与其他一相或多相流体间的界面。根据局部αq值，计算域内每一控制容积被赋予适当的物性和变量值。 VOF模型的基本控制方程如下： （1）连续性方程

其中，αq为第q相的的体积分数；ρq为第q相的物理密度；vq为第q相的速度；mpq为从相p向相q的传质；mqp为从相q向相p的传质；Saq为源相，其缺省值为零。 （2）动量恒程

（3）能量方程 各相共用能量方程如下：

其中，Eq为按单相比热和共用的温度计算的每一相的能量；Sh为源相，包括热辐射以及其他体积热源的贡献。 2.2.2 湍流模型 常用湍流模型有直接数值模型（DNS）、基于雷诺平均N-S方程组（RANS）的模型、大涡模型（LES）、标准k-ε模型、RNG k-ε模型和带漩涡修正k-ε模型等。本文采用工程上被广泛使用的RNG k-ε模型。 2.2.3 边界条件 本模拟计算中，模型边界主要由注油管口部的速度进口和压力出口组成。速度进口处，燃油体积分数为1，且燃油以3.9m/s（约45L/min）的速度加注到油管中，压力出口处为恒定的一个标准大气压，其他边界均为无滑移壁由于要模拟中各时刻燃油体积分数和速度的分布，故采用瞬态计算。另外，本次计算不考虑相间质量和热量的传递。

图2 边界条件