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基于PERA SIM Fluid的汽车油箱加注过程仿真(内含免费培训)

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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。


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VOFVolume 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

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。


 2 体网格切面

 3 边界层网格


2.2 模型及边界条件的设置

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



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。


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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来源:安世亚太

Mechanical静力学显式动力学非线性多相流湍流通用汽车建筑UM材料
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首次发布时间:2024-05-15
最近编辑:5月前
安世亚太
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