让仿真变成生产力
安世亚太高级流体工程师
崔亮
0.摘要
本文基于安世亚太自主研发的PERA SIM Fluid流体仿真软件，对某款汽车油箱瞬态的加注过程进行了数值仿真，获得了油箱内的液位高度随时间的变化特性，验证了国产仿真软件PERA SIM Fluid在多相流仿真领域的适用性和可靠性。
关键词：油箱加注；VOF；PERA SIM Fluid
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1.引言
在汽车油箱的加注过程中，管内的汽油流速比较快，如果油箱设计不合理的话，油箱中的空气不能及时排出，油箱内的压力会快速升高，导致出现“提前跳枪”或“燃油反喷”等现象。传统的油箱设计中通过反复台架试验或实车试验的方法来改进设计，但这样会延长开发周期，增加开发成本，而且在试验过程中也很难观察到燃油在加油管内的详细流动情况。利用CFD（计算流动动力学）仿真软件对油箱加注过程进行仿真，可以直观地看到燃油在加油管内的流动情况，并迅速确定出现问题的部位及原因，为优化设计提供依据。
在分析中，油箱中存在两种流体，一种是燃油，一种是空气，且假设两种流体均不可压缩。在重力作用下，气液两相之间呈现出明显的相间界面，使用多相流模型中的VOF（Volume of Fluid）模型追踪液面随时间的变化。
VOF模型是一种在固定的欧拉网格下的表面跟踪方法。当需要得到一种或多种互不相融流体间的交界面时，可以采用这种模型。在VOF模型中，不同的流体组分共用着一套动量方程，计算时在全流场的每个计算单元内，都记录下各流体组分所占有的体积分率。VOF模型的应用例子包括分层流、自由表面流动、灌注、晃动、液体中大气泡的流动、水坝决堤时的水流等，以及求得任意气液之间稳态或瞬态的相分界面。
本文基于安世亚太自主研发的通用流体仿真软件PERA SIM Fluid，对某款汽车油箱的瞬态加注过程进行了研究。
2.仿真模型的建立
2.1 几何和网格模型的处理
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汽车油箱的几何模型如图所示，包含油箱的内壁面、进油管路和回气管路的一部分。
图1 汽车油箱的几何模型
全局网格尺寸的设置中，最小值为2 mm，最大值为8 mm。局部尺寸的设置中，入口和出口面的最小值和最大值均为2 mm。在所有的壁面边界表面生成3层边界层网格，第一层层高为0.8mm，增长率为1.2。
最终生成约34万的多面体和边界层网格，网格质量满足计算要求。
图2 体网格切面
图3 边界层网格
2.2 模型及边界条件的设置
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在“通用”设置中，分析类型为“不可压缩”，瞬态计算，参考压力为101325 Pa，参考压力位置的坐标设置在出口边界上。开启浮力模型，Y方向的重力加速度为-9.8 m/s^2，参考密度为1.225 kg/m^3。
图4 通用设置
湍流模型选择可实现的K-Epsilon模型和可缩放壁面函数。
图5 湍流模型设置
创建两种流体材料，分别为空气和汽油，其密度和动力粘度数值如图所示。
图6 材料物性设置
多相流模型选择VOF模型，将主相设置为空气流体材料，将分相设置为汽油流体材料。
图7 多相流模型设置
计算域内各边界条件如下：
油箱的入口边界设置为质量流量入口，空气相的质量流率为0 kg/s，汽油相的质量流率为0.37 kg/s，对应的体积流量为30 L/min。
图8 入口边界条件的设置
出口边界设置为压力出口，混合相的静压为0 Pa，汽油相的回流体积分数为0。
图9 出口边界条件的设置
2.3 求解设置及计算
选择PISO算法，压力的格式选择体积力加权，动量和湍流的格式选择二阶迎风格式，体积分数的格式选择HRIC格式，时间的格式选择一阶格式。
图10 求解方法的设置
使用初始化功能设置初始的液位高度。在全局初始值中，设置全场初始的汽油体积分数为0。在局部初始化中，使用方盒定义出初始液位高度以下即Y坐标小于-0.09m的区域，汽油的体积分数为1。
图11 初始化的设置
瞬态计算的时间步长设置为0.005 s，总的时间步数为12000步，即实际计算的物理时长为60 s。每间隔100个时间步即0.5 s输出一个计算结果用于后处理。PERA SIM Fluid支持本地或远程的并行计算，设置合理的并行核数开始计算。
图12 计算设置
3.计算结果分析
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3.1 模型建立及简化
直接导入分析的几何模型。由于需要对板料进行塑性分析，且需要查看板的局部变形，为了更好地计算精度，整个模型采用实体单元进行模拟，因此不需要进行板料抽取中面等进一步的模型处理。
对PERA SIM Fluid的瞬态计算结果进行后处理，获得不同时刻油箱内部的体积分数云图、压力云图等结果。
不同时刻切面上的体积分数云图如下所示。
图13 不同时刻切面上的体积分数云图
不同时刻气液相界面的变化如下所示。
图14 不同时刻的气液相界面
不同时刻切面上的压力云图如下所示。
图15 不同时刻切面上的压力云图
4.结论
本文基于安世亚太自主研发的通用流体仿真软件PERA SIM Fluid，对汽车油箱瞬态加注过程进行了分析，实现了从网格划分、物性参数设置、边界条件设置、求解设置以及计算和后处理的完整仿真流程，验证了PERA SIM Fluid强大的前后处理功能以及求解器在多相流仿真领域稳健快速的特性。
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安世亚太具有业界完整的自主仿真技术体系，引领中国自主仿真技术发展。自主研发的PERA SIM通用仿真软件能够提供通用物理场（结构、热、流体、电磁、声学）及耦合场分析功能，以及能同时适用于结构、流体、电磁、声学等学科的通用前后处理器。
苏公网安备 32059002002276号
