基于FLUENT的货车燃油箱液体晃动数值模拟

2021-01-08龚思惠张鹏飞程贤福程安辉

科学技术与工程 2020年34期

李骏，龚思惠，张鹏飞，程贤福，程安辉

(华东交通大学机电与车辆工程学院，南昌 330013)

燃油箱作为车辆燃油供给系统中的不可或缺的重要零部件，其安全性能直接影响了车辆的安全[1]。货车在行驶过程中的加速、减速以及路况的颠簸都将造成燃油箱内液体晃动，而液体晃动会对燃油箱产生冲击作用，尤其在非满载情况下，液体晃动程度更明显[2]。为减少液体晃动对燃油箱造成的不利影响，货车燃油箱一般会设置内置隔板来提高燃油箱结构强度，改善由液体晃动造成的冲击情况。然而传统的燃油箱设计主要依赖于工人的经验，设计周期长、成本高，且缺乏强度分析等数据支撑，无法保证其设计是否合理[3]。燃油箱若设计不合理，液体晃动冲击力过大发生开裂造成泄漏现象，不仅会对环境造成污染，甚至对人们的生命财产安全造成巨大威胁，因此研究其液体晃动状态对燃油箱的安全性能很有必要。

中外已经有很多学者对燃油箱进行探索研究，其中程贤福等[1]对不同充液比下的燃油箱进行了流固耦合模态分析，验证了燃油的存在会影响燃油箱的固有频率。祁涛等[4]通过加压的方式对燃油箱进行仿真分析得到最合理的燃油箱结构。杨昭等[5]对燃油箱进行了干模态分析、流固耦合模态分析以及半载的燃油箱的振动耐久性仿真分析，流固耦合下的频率与干模态明显不同，垂直方向对燃油箱的疲劳影响最大。以上文献的结论都能说明燃油的存在对燃油箱的性能存在很大的影响，但却未分析燃油如何以及为什么影响燃油箱的性能，为对该问题进行研究探讨，现对燃油进行液体晃动模拟，模拟仿真实际情况下燃油箱内燃油晃动情况，通过提取各时段的数据结果对燃油箱进行综合分析。

液体晃动是指带有自由液面的液体在有限的空间内发生的运动，其特点是存在自由界面[6]。它是一个非常复杂的数学物理现象，中外很多专家学者通过理论推导、数值模拟以及试验等方法对其进行研究。为分析货车在行驶过程中液体晃动对燃油箱的冲击作用，现利用有限元软件FLUENT[7]中的VOF(volume of fluid)模块对制动工况下的半载燃油箱进行数值模拟，模拟燃油箱在不同时刻的液体晃动情况以及不同时刻液体对燃油箱的压强情况，以此作为燃油箱结构设计及其优化提供数据支撑，来缩短燃油箱设计周期，降低成本，保证燃油箱设计合理性。

1 计算方法与模型设置

1.1 计算方法

在燃油箱晃动过程中，燃油箱内存在两相流体，即液态的燃油以及气态的空气，因此该模型为两相的多相流模型。多相流的数值模拟有三种模型：VOF模型、Mixture模型、Eulerian模型，其中VOF模型可以模拟自由表面的流动[8-11]，因此采用VOF多相流模型对该模型进行数值模拟。

VOF模型是由确定流体区域的方式而间接的求出自由液面的[12]。用每个单元内含有流体的体积和单元体积的比R(液体体积分数)来表示流体填充程度，当R=0时，则该单元不含有流体；当R=1时，则该单元充满流体；而0

(1)

(2)

式中：ν为速度；t为时间；p为压强；ρ为多相流的混合相密度；μ为多相流的动力黏性系数；vi和νj分别为速度在x和y方向的速度分量。

多相流的混合相密度ρ和多相流的动力黏性系数μ分别为

ρ=Rρm+(1-R)ρn

(3)

μ=Rμm+(1-R)μn

(4)

式中：ρm和ρn分别为液体密度和气体密度；μm和μn分别为液体和气体的动力黏度系数。

1.2 燃油箱模型

对燃油箱模型进行建模，燃油箱有前后两个端板、中间两块隔板以及箱体组成，箱体总长约为 950 mm，高约240 mm，宽约340 mm，厚1 mm。燃油箱模型是由外部导入有限元软件，由于端口差异，模型可能存在尖角、小边及缝隙等问题，需对模型进行修补。为提高网格划分质量，对燃油箱进行抽壳处理，将实体模型转化为壳体模型，即可提高网格质量，又可减少网格数量，提高计算速度，处理后有限元模型如图1所示。

图1 燃油箱有限元模型Fig.1 Finite element model of fuel tank

1.3 制动工况

车辆在制动过程中，将动能转化为热能，物理做功为

(5)

式(5)中：F为地面制动力，kgf；S为制动距离，m；M为车辆质量，kg；v0为制动初速度，m/s。

而由汽车理论知识可以知道，最大地面制动力等于附着力，可得

Fmax=φG=φMg

(6)

式(6)中：G为汽车重力，N；g为重力加速度，9.8 m/s2；φ为轮胎与路面之间的附着系数，货车在干燥水泥路面附着系数φ为0.7～1.0，一般取φ=0.7。

联立式(5)与式(6)可得

Smin=v02/(2φg)

(7)

而根据运动学原理有

(8)

假设货车制动后速度为0 m/s，则联立式(7)、式(8)得

a=φg

(9)

因此货车制动过程中最大加速度应与附着系数有关，取0.7，则最大加速度为7 m/s2。

2 液体晃动仿真

2.1 数值模拟过程

模拟仿真制动工况下半载燃油箱的液体晃动状态，属于多相流非定常问题，其建模过程十分复杂。南京理工大学的卜凯等[14]已经验证该模型可以简化为定常问题，即将壁面设置为无滑移壁面的边界条件，对液体施加加速度，仿真计算一段时间后，撤去加速度继续进行仿真可以模拟非定常情况下的液体晃动状态，因此简化模型为定常多相流模型，对燃油施加7 m/s2的纵向加速度，仿真计算1.25 s以后，将加速度改为0 m/s2，继续计算。

在FLUENT软件中选择VOF瞬态计算模型，添加流体材料并设置主次相，燃油密度为840 kg/m3、动力黏性系数为1.003×10-3kg·m/s、空气密度为1.225 kg/m3、动力黏性系数为1.789 4×10-5kg·m/s，燃油箱内充液比为0.5，求解器采用速度压强耦合求解器PISO，压力修正方程使用Body Force Weight，时间步长设置为0.001 s。

2.2 数值模拟结果

假设货车制动前匀速行驶，且路段平稳，则制动前燃油箱中液体与燃油箱处于相对静止的状态，图2为制动后各时间段燃油箱内液体晃动状态，蓝色代表燃油。从图2中可以看出，当车辆制动后，由于惯性力作用，液体向车辆运动方向上进行撞击，随时间变化，液体的晃动越来越明显，到1.25 s时刻，液体已基本全都流入了前端板与左侧隔板所形成的区域内。在制动的1.25 s时间内，液体不断向前端板以及隔板撞击，其中隔板阻止了液体全部冲向前端板，减缓了液体的晃动程度，也分担了前端板可能会受到的冲击力，提高燃油箱整体的强度。

图2 制动过程中各时刻液体晃动状态Fig.2 Liquid sloshing at each time during braking

液体晃动过程中，燃油箱不断受到液体的冲击作用，图3为液体晃动过程中，燃油箱内压强分布情况。从图3中可以看出，由于液体晃动的复杂性，压强随时间变化并无规律可循，但与液体状态有关，在制动的过程中其压强最大值为8.92×103Pa。初始状态的压强根据液体压强公式，有

P=ρgh

(10)

式(10)中：P为液体压强，Pa；ρ为液体密度，燃油密度为840 kg/m3；g为重力加速度，9.8 m/s2；h为水深，半箱油液最大水深为0.135 m。

因此根据式(5)可以得出初始状态下最大压强值为1.11×103Pa，制动过程中计算的最大压强值约为初始状态下的最大压强值的9倍，充分说明制动过程中，液体对燃油箱的冲击影响很大。

以制动过程中最大压强值作为应力分析模型中载荷的输入，求出燃油箱在制动过程中所受的应力应变情况，燃油箱材料为奥氏体不锈钢，密度为 7 800 kg/m3，弹性模量为2.03×1011Pa，泊松比为0.3，屈服强度为330 MPa。图4可看出燃油箱最大应力为90.364 MPa，小于材料屈服极限，符合设计要求。

3 实验验证

为验证仿真分析结果可行性，将该燃油箱放置在试验台上进行实验，现场实验安装如图5所示，试验过程对燃油箱施加纵向加速度7 m/s2，用水代替燃油液体。因液体晃动过程液体晃动的状态难以捕捉，因此该实验只为验证燃油箱结构合理，符合要求。实验结果表明，燃油箱经过添加纵向加速度，燃油箱并未发现任何破坏以及泄漏现象，燃油箱在正常使用过程不会出现问题，而燃油箱实际使用过程中发生破坏与泄漏现象大多是疲劳造成。