ORVR系统加油管液封性能数值模拟

汤水清+陈家庆+刘美丽+侯燕

摘 要：车载加油油气回收（Onboard Refueling Vapor Recovery，ORVR）是一种新近出现的加油油气排放控制技术。为研究ORVR加油管的液封性能和机理，借助商业计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）软件Ansys Fluent及后处理软件Tecplot，建立三维加油管数值模拟模型，分析加油管内部流场及汽油体积分布，讨论了加油管直径和加油速度对液封形成的影响，针对现有的加油管结构进行改进尝试，并对其液封性能进行了验证。结果表明，减小加油管直径有利于液封形成，加油速度越大，形成液封所需的时间越短，所提出的新型结构能够快速形成有效液封。为国内自主研发设计ORVR加油管奠定了一定的基础。

关键词：车载加油油气回收；计算流体力学；加油管液封；气液两相流动

中图分类号： U464.136+.5文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.03.06

Abstract：To investigate the liquid seal performance and mechanism of the ORVR （On-board Refueling Vapor Recovery） filler pipe， with the help of commercial CFD（Computational Fluid Dynamics） software ANSYS FLUENT and post-processing software TECPLOT， a three-dimensional model of filler pipe was established. The flow field inside the filler pipe and gasoline volume distribution were analyzed， the impacts of the pipe diameter and filling velocity on liquid seal formation were discussed， an improved structure was proposed， and its performance of liquid seal was verified. The results demonstrate that reducing the diameter of the filler pipe is beneficial to forming a liquid seal. The greater the rate of fuel， the shorter the time required to form a liquid seal will be. The proposed improved structure is verified to be effective in the formation of a liquid seal. Generally speaking， this study laid a certain foundation for autonomous research and development of the ORVR filler pipe.

Keywords：on-board refueling vapor recovery ； computational fluid dynamics； filler pipe liquid seal； gas-liquid two phase flow

汽车蒸发排放产生的挥发性有机物（Volatile Organic Compounds，VOCs）不仅是大气中VOCs的重要源头之一，而且会造成巨大的能源损失[1-3]，仅加油过程的蒸发排放所造成的能源损失就占中国每年能源损失的0.26%[4]。随着汽车排放标准和环境保护法规日趋严格，基于机动车加油油气排放控制的ORVR系统逐渐受到人们的重视[5-8]。一般而言，ORVR系统借助加油过程中在加油管内所形成的液封结构，使挥发性油气通过“加油管—燃油箱—活性碳罐—发动机”的路径被回收利用，而非通过加油口无组织地排放到车身之外或被回抽到地下储油罐。加油管内形成有效的液封结构是ORVR系统得以正常工作的前提和保障，对其进行分析研究和有效预测就显得尤为重要。虽然汽车加油看似是一个很普通、很简单的过程，但从流体力学的角度来看却非常复杂，涉及到三维瞬态流动、相变、自由表面紊流和气液两相流动。也正因其复杂性，目前可供参考的研究工作较少，研究手段也不外乎分为解析分析、试验测试和CFD数值模拟三大类。随着计算机软硬件技术的不断发展，CFD数值模拟日益引起业界的关注。美国福特公司的Stoneman等最早于1997年利用CFD数值模拟手段研究了加油管内径对汽油流动的影响，通过试验数据验证了CFD数值模拟的可靠性[9-10]。随后美国Missouri-Rolla大学的Banerjee等于2001年针对汽车加油管中的流动进行了可视化观测试验和数值模拟研究，通过流动可视化手段，观察得到了加油管中旋流、卷吸和混合等气液两相流动特征，并且强调了CFD在加油管分析和优化设计方面的重要作用[11-13]。加拿大温莎大学的Gary M. Rankin教授课题组于2002年针对燃油系统进行了数值模拟研究，证明了借助数值模拟手段可以更加深刻地理解加油过程的本质，其结果与试验研究结果相吻合[14-15]。相比之下，国内在这方面的研究工作起步较晚，直到2008年才有少数研究人员针对加油过程中燃油箱系统的燃油流动问题进行了相关CFD数值模拟研究。张杰山等提出了防止加油枪提早跳枪和燃油反喷的相关改进设计[16-18]。北京石油化工学院陈家庆教授等于2011年对机动车加油过程中气液两相流动特性进行了CFD数值模拟，得出了油箱内液面的波动情况、气相空间压力变化等，但其采用的是二维模型，且未考虑加油管的空间扭曲布局，与工程实践存在一定差距[19-20]。江苏大学何仁教授等于2014年对加油过程进行了仿真计算，将Ansys Fluent软件应用于ORVR系统自液封加油管设计，但其研究仅从仿真云图对有无液封的形成进行了定性分析，未对汽油的流动及液封形成机理进行深入研究[21]。

本研究借助商业CFD数值模拟软件Ansys Fluent，

针对不同内径加油管在不同加油速度情况下的液封性能进行数值模拟，分析研究了加油管内径和加油速度对液封性能的影响，同时提出了一种促进液封形成的新型结构，旨在为国内自主设计研发ORVR液封加油管提供一定的参考。

1 模型介绍

1.1 数学模型

1.1.1 多相流模型

加油管中的流动是气液两相湍流流动。Ansys Fluent软件中提供的多相流模型包括流体体积模型（Volume of Fluid Model，VOF）、欧拉模型（Eulerian Model）和混合模型（Mixture Mode）。其中VOF模型是一种在固定欧拉网格下的表面跟踪方法，通过求解单独的动量方程和处理穿过流体区域每一流体的体积分数来模拟两种或三种不相溶的流体，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衰竭（表面张力）的预测等场合，并且能够明确地鉴定气液两相的界面，因此非常适用于计算汽车的加油过程[13， 22-23]。在VOF模型中，气相和液相共用一套动量方程，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率。两相互不相溶、不可压缩流体的体积平均质量守恒方程和动量守恒方程分别为：

1.1.2 湍流模型

在CFD分析中最重要的环节之一就是湍流模型的选择。在Ansys Fluent中提供的湍流模型有标准k-ε模型及其变型RNG k-ε模型、雷诺应力模型（Reynolds Stress Model，RSM）和大涡模拟（Large Eddy Simulation，LES）模型。k-ε模型是目前使用最广泛的湍流模型，RNG k-ε模型中使用的常量是在各向同性的湍流中应用统计原则和重整化群理论（Renormalization-Group Theory，RNG）得到，RNG k-ε模型在ε方程中增加了一个条件以考虑湍流漩涡，能够更好地预测漩涡的形成，提高了计算精度。RSM模型中需要单独求解所有的雷诺应力张量项，对于本文研究的三维流动需要额外求解另外七个方程，使计算时间增加。Fluent中提供的多相流模型不支持LES湍流模型，故本文采用RNG k-ε模型，动能方程和能量耗散方程分别为[25]：

1.2 几何模型

某代表性车型的非ORVR汽车燃油系统如图1所示，主要由燃油箱、加油管、活性炭罐、通风管路等组成。加油时汽油从加油枪管口喷射流出，以一定的速度进入加油管，在加油管喉管处汽油与通风管处的汽油蒸气混合，并伴随有空气的卷吸与汽油的相变，气液两相混合物在重力的作用下流入燃油箱中。鉴于ORVR系统要求加油管能够在其内部某处完全充满汽油以形成液体密封，从而使油气只能被燃油带入燃油箱内，因此本研究以其为原型，对加油管结构进行适当改变和简化，得到如图2所示的加油过程数值模拟研究用几何模型[9]。图中加油管入口根据国内市场上普遍使用的加油枪喷嘴直径设计为D20 mm[26]，入口到第三拐角间的管道轴线位于一个平面内，第二拐角与第三拐角间的直段管保持水平，第三拐角到出口间的管道轴线与水平面成36°，各个拐角的角度依次设计为44°、80°、20°和60°，加油管的直径D28 mm，汽油从加油管入口注入系统，并沿着加注管流向加油管第一个拐角处，在重力作用下顺流而下，依次流过第二至第四拐角，最后注入燃油箱。

1.3 边界条件及求解器设置

本文将边界条件设置为速度入口（Velocity Inlet）和压力出口（Pressure Outlet），对控制方程采用有限体积法进行离散，在Ansys Fluent中提供的离散方法有半隐式连接压力方程算法（Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations，SIMPLE）、SIMPLEC（SIMPLE-Consistent）、压力隐式分裂算法

（Pressure Implicit Split Operator，PISO）和COUPLED算法。因为PISO算法在传统SIMPLE算法的每一时间步添加了多步校正的算法，其在每一时间步计算精度高于SIMPLE算法，能够获得更准确的速度和压强值，并且可以加快收敛速度，因此，本研究采用PISO算法求解。此外，本研究利用PRESTO算法对压力方程进行离散化，Second Order Upwind算法对动量方程进行差分，体积分数、湍动能和湍动能耗散率采用QUICK算法[19]。计算材料设置为空气和汽油，其中，空气的密度为1.225 kg/m3，粘度为1.789 4×10-5 （kg·m-1·s-1）；汽油的密度为720 kg/m3，粘度为5.4×10-4 （kg·m-1·s-1），暂不考虑汽油的挥发或气液传质现象。

2 数值求解

2.1 网格划分与独立性验证

在数值模拟计算中，网格质量直接决定计算精度和效率，因此，首先要确定计算所用网格的网格数量与计算结果之间的无关联性，即要进行网格无关联性验证。本文全部采用精度最高的六面体结构化网格，采用相同的网格划分方式，改变壁面边界层厚度、入口段轴向网格疏密程度和加油管轴向网格尺寸大小，尤其是拐角和喉管等流动变化剧烈区域的网格尺寸，划分出四种不同数量的网格，其中网格数量为101万个时的加油管网格模型如图3所示。在相同参数条件下对四种网格数量下迭代3 s内管内总体静压和质量加权平均速度随时间的变化情况进行计算比较，结果如图4所示。从图中可以看出，当网格数从101万个增加至112万个时，静压和速度的变化很小，说明112万个网格数对计算结果的影响很小，因而认为101万个网格数已经可以保证足够的计算精度。

2.2 非ORVR车辆加油管内流动情况的分析

通过模拟非ORVR车辆加油过程中汽油的流动情况来验证本模型的可靠性，相关参数设置为：加油管内径28 mm，加油速度2 m/s（对应的流量为37.68 L/min），加油管入口周围的油帽部分与大气联通，相对压力为0。考虑到加油管和燃油箱中空气和油气的阻力，加油管出口的相对压力为30 Pa[14]。图5给出了利用Tecplot软件截取的加油管入口到第三拐角间在加油过程中4个特定时刻汽油体积分数的云图。由图5可知，在t0.2 s时汽油从加油枪管口喷射流出，碰到加油管壁面后一部分碰撞反弹，一部分沿管壁下流，在t1 s时，管内汽油呈强湍流流动状态，伴随有碰撞、旋流等现象，在t3 s以后，管中汽油开始累积，整体流动趋于稳定，但没有全部充满加油管的内径。图6给出了加油过程中前10 s内第二拐角与第三拐角间加油管径向截面处的汽油与空气混合物的密度、速度、静压及汽油体积分数随时间的变化曲线。由图6可知，由于汽油在第一拐角和第二拐角间经过垂直加速后突然改变方向，在第二拐角处产生强烈的能量耗散，速度迅速减小，在前3 s内管内的静压受强湍流流动影响而变化剧烈，在3 s后加油管内的流场趋于稳定，非ORVR汽车加油管在加油过程中汽油充满量在80%以下，不能形成有效液封。汽油在加油管中出现的喷溅、碰撞、旋流等现象符合流体动力学的规律，并且与机动车加油过程的特性基本吻合，因此可以认为本模型可靠。

3 结果与讨论

汽车在加油过程中，因为加油管的结构被车身环境所限制，所以主要是在规范要求的加油流量范围内，通过控制加油管的内径来实现液封这一性能要求，当加油管横截面的汽油体积分数大于95%时视为能够形成液封。

3.1 加油管直径的影响

图7给出了五种不同内径的加油管在入口加油速度均为2.5 m/s、加油时间为5 s时的汽油体积分布云图。图8给出了五种不同内径加油管的监测横截面汽油体积分数随时间的变化曲线。由图可知，加油过程经过5 s后，内径D20 mm的加油管中几乎全部充满汽油，由于管径过小，在加油冒段处（图7中A处）出现汽油回溅现象，可能导致加油枪提早跳枪，使加油过程停止；内径D25 mm的加油管中第三拐角与第四拐角之间形成大段的液封区域，从横截面汽油体积分数云图可以看出，管内完全充满汽油；内径为28 mm、32 mm和36 mm的三种加油管中没有出现完全充满汽油的区域，并且随着加油过程的进行，汽油的体积分数都在80%以下，不能形成有效液封。

3.2 加油速度的影响

根据GB 50156—2012《汽车加油加气站设计与施工规范》，汽油加油枪汽油的流量不应大于50 L/min，流速不应大于4.5 m/s。在本研究中，加油入口直径为20 mm，换算得到最大速度不超过2.65 m/s。

图9给出了直径为25 mm的加油管在加油速度分别为0.5 m/s、1 m/s、2 m/s、2.5 m/s条件下，经CFD数值模拟分析得到的加油过程中加油管第二拐角和第三拐角之间汽油体积分数随时间的变化曲线。由图9可知，四种工况下汽油体积分数随时间的变化曲线相似，在3 s后趋于稳定，管内的汽油体积占有率随加油速度的增大而增大，加油速度为2 m/s和2.5 m/s时，在加油3 s后第二拐角与第三拐角之间的汽油体积分数均大于95%，能够形成有效液封；但当加油速度为1 m/s和0.5 m/s时，管内汽油体积分数最高仅为85%和65%左右，不能形成有效液封。

3.3 促进液封形成的尝试

为了改进现有车型加油管的设计，更有利于形成有效液封，特意尝试在不改变加油管整体三维结构和直径的前提下，在第二拐角和第三拐角之间的加油管中设计一个阻流环，使加油管局部的流通直径由28 mm减少至25 mm，如图10所示。利用上文中相同的网格划分方法和求解设置，对改进后的物理模型进行仿真模拟。当入口边界条件的速度为2 m/s时，在1 s时从入口到阻流环处的汽油体积分布云图如图11所示。由图11可知，由于流道变窄，汽油在阻流环上游处强制性收聚汇集，形成液封。改变入口的加油速度，记录阻流环处流道中的汽油体积分数随加油时间的变化，如图12所示。由图12可知，改进后的模型在四种工况下汽油体积分数的变化曲线趋势相同，在低速加油时（v=1 m/s），管内的汽油体积分数达到95%所需时间为2 s，其余三种速度下均只需1 s，最后都能形成有效液封。加油速度越大，加油管中的汽油体积流率越大，形成液封所需的时间越短。图13给出了直径为28 mm的常规加油管与新型加油管在加油速度为2.5 m/s的工况下前3 s加油过程中管中的汽油体积分数变化曲线。由图13可知，新型加油管在常规加油管的基础上大大提高了管中汽油的空间占有率（即体积分数），能够快速形成有效液封。

4 结论

基于Ansys Fluent数值模拟，对比分析了不同加油流量和不同加油管直径对加油管中液封形成的影响，探讨了一种有利于形成有效液封的新型加油管结构，获得主要结论如下。

（1）在加油管结构保持不变的情况下，减少加油管内径和增大加油流量有利于液封形成。加油管内径越小，越易于形成液封。但加油管内径过小，将引起加油过程中燃油回溅，产生加油枪提早跳枪等负面影响。而当加油管内径过大时，则使汽油无法充满加油管，导致液封无法形成，较为合理的加油管内径为25 mm左右。

（2）与常规加油管相比，本文提出的新型加油管结构不需要改变加油管的三维空间布局和直径，并且能够快速形成有效液封，为ORVR加油管设计提供了一种新思路。

（3）在汽车工业生产中，加油管设计主要基于纯粹试验研究和工程师个人经验，由于影响参数众多，这种方法会导致生产成本较高和生产周期较长。利用本文所建立的CFD数值模拟方法，可有效降低加油管研发成本并缩短研发周期，值得推广应用。

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