CFD模拟装配误差对某轿车加油过程的影响

黄波 李晓明 徐亚飞 肖垂元

摘要：本文应用CFD软件对某轿车加油过程进行模拟，重点研究了连接加油管的密封圈，因装配误差导致连接处管径变化对加油特性的影响。模拟计算与试验结果均表明，加油跳枪对连接处管径的变化敏感度高，若管径在名义尺寸下减小2%以上，就会发生加油提前跳枪现象。说明采用CFD技术对加油管道进行模拟，能在短时间内帮助查找加油跳枪的原因，指明改进方向，是优化加油管道的一种快速且直观的指导方法。

关键词：CFD;加油;装配误差;跳枪

中图分类号：U464.136    文献标识码：A

0 引言

随着汽车的普及，加油已经成为用户的基本需求。加油过程中，如果发生跳枪甚至燃油反喷，不仅用户的抱怨大，反喷的燃油还会带来环境污染。因此，本文对某汽油车加油管进行CFD模拟，研究了连接加油管的密封圈，因装配误差导致连接处管径变化对燃油加注的影响，并监控了加油口的燃油反喷量。燃油反喷频次及反喷时间，与试验中出现的跳枪频次与跳枪时间基本吻合。

1 计算模型

1.1 物理模型

燃油加注是典型的高雷诺数湍流多相运动。由于燃油与气体之间的密度差异较大，气体对燃油运动的影响较小，燃油与气体之间的液面通常假定为自由液面。VOF（Volume of Fluid）是最常用的跟踪自由液面位置的多相流计算方法。本文选用了显式VOF离散方法，RNG k-ε湍流模型，标准壁面函数[1]。

1.2 控制方程

加油模拟通常考虑为不可压的瞬态计算，对于VOF模型，只有连续性方程分别求解气相与液相，动量方程与湍流方程均只对混合物进行求解。连续性方程如公式（1）所示。

其中，αq为第q相的体积分数，0≤αq≤1;Sαq为质量传输的源项，因VOF模型不能考虑分界面处的传质问题，因此Sαq=0。

动量方程如公式（2）所示。

其中，ρ为混合物密度。对于燃油与空气的混合物，ρ的计算方程如公式（3）所示。

其中，αfule与αair分别为燃油与空气的体积分数，ρfule与ρair分别为燃油与空气的密度。μ为混合物的动力粘度，计算方法类似于混合物密度。gi为重力加速度;Fj为表面张力引起的体积力。

RNG湍流模型使用重整群（Renormalization Group）的数学方法，从纳维-斯托克斯方程衍生而来。湍动能方程如公式（4）所示;湍动能耗散方程如公式（5）所示。

其中，k为湍动能，ε为湍动能耗散率;αk与αε分别为k和ε的有效普朗特数的倒数。μeff为高雷诺数湍流粘度，Gk为湍动能产物。Rε为RNG模型与标准k-ε模型的主要区别项。σk。、C1ε、C2ε及C3ε等为常数[2]。

2 模拟方法

如图1所示为加油管结构示意图。加油枪插入加油管头部，与连接接头焊接一体，然后通过密封圈与加油管路装配在一起，加油管路直接连接燃油箱。

该燃油系统在燃油加注试验初始即反复出现提前跳枪，为了节约计算周期，尽快发现跳枪原因，模拟计算中仅考虑加油枪与加油管路，忽略了燃油箱与除气管等对加油的影响。

2.1 计算模型

图2为简化后的计算模型。密封圈为橡胶制品，装配时容易挤压变形，导致该处的管道直径与名义尺寸误差较大。该软管的名义内径为23.0 mm，为了模拟装配误差对加油性能的影响，该处管道直径ΦD在名义内径的基础上减小了0.5 mm、1.0 mm和2.0 mm（表1）。

2.2 边界条件

对应图2中的边界施加面，文中边界条件如表2所示。

燃油反喷检测面是用来在计算过程中，得到流过该面的燃油质量的流量，并由此判断加油管有无提前跳枪的可能。

2.3 迭代求解

燃油加注為瞬态计算，总时间为2.0 s，计算步长1e-4s。计算机内存4G，4个CPU并行计算，单方案计算时间为7 h。

3 仿真模拟结果

经过试验发现，在0.5 s左右时，燃油即到达加油管路的末端，但管路内的空气体积分数仍较大，燃油在管道内的流动并未达到稳定状态。燃油开始在连接接头前的管道内积聚，随着时间加长，积聚的燃油越来越多，此时，连接接头处的实际管径就显得至关重要。管径大，积聚的燃油就能顺利流往加油管，并最终流入油箱。管径小，积聚的燃油不能顺畅流出，而是慢慢积聚并形成回流，最终流往燃油反喷面，传感器监测到回流的燃油后，给出信号关闭加油枪，从而出现提前跳枪。

如图3所示为Φ23.0和Φ22.5方案，在0.5 s、1.0 s以及1.5 s时加油管内的燃油分布，其中偏白色表示全为燃油，黑白相间区域为燃油与空气的交界面。Φ23.0方案从0.5 s到1.5 s时，管内的燃油分布类似，密封圈连接处有少许回流，整体流动基本顺畅，监测面无回流。Φ22.5方案0.5 s回流即很明显，1.0 s燃油已积聚到加油口，1.5 s燃油监测面处可见明显回流。图4为各方案通过燃油回流监测面的燃油体积分数随时间变化曲线。Φ23.0时回流量为0。Φ22.5～Φ21.0均有回流，且密封圈处连接管径小，回流出现的时间越早，回流量也越大。

4 加油试验结果

图5为台架加油试验图，燃油箱与加油管均固定在简易支架上，加油枪与试验室中的内置储油罐相连，并往加油管中加油，加油管头部为透明管道，方便试验中查看管内的燃油流动。

试验过程中，加油枪启动后，就在透明管内查看到轻微的回流，随着时间加长，回流越来越明显，并慢慢往加油枪喷油嘴处流动。3.0 s左右加油枪自动关闭，即提前跳枪。将加油管样件