黃波、李曉明、徐亞飛、肖垂元

（奇瑞汽車股份有限公司汽車工程技術(shù)研發(fā)總院 241009）

0 引言

隨著汽車的普及，加油已經(jīng)成為用戶的基本需求。加油過程中，如果發(fā)生跳槍甚至燃油反噴，不僅用戶的抱怨大，反噴的燃油還會帶來環(huán)境污染。因此，本文對某汽油車加油管進(jìn)行CFD模擬，研究了連接加油管的密封圈，因裝配誤差導(dǎo)致連接處管徑變化對燃油加注的影響，并監(jiān)控了加油口的燃油反噴量。燃油反噴頻次及反噴時間，與試驗(yàn)中出現(xiàn)的跳槍頻次與跳槍時間基本吻合。

1 計(jì)算模型

1.1 物理模型

燃油加注是典型的高雷諾數(shù)湍流多相運(yùn)動。由于燃油與氣體之間的密度差異較大，氣體對燃油運(yùn)動的影響較小，燃油與氣體之間的液面通常假定為自由液面。VOF（Volume of Fluid）是最常用的跟蹤自由液面位置的多相流計(jì)算方法。本文選用了顯式VOF離散方法，RNG k-ε湍流模型，標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)[1]。

1.2 控制方程

加油模擬通?？紤]為不可壓的瞬態(tài)計(jì)算，對于VOF模型，只有連續(xù)性方程分別求解氣相與液相，動量方程與湍流方程均只對混合物進(jìn)行求解。連續(xù)性方程如公式（1）所示。

其中，αq為第q相的體積分?jǐn)?shù)，0≤αq≤1；Sαq為質(zhì)量傳輸?shù)脑错?xiàng)，因VOF模型不能考慮分界面處的傳質(zhì)問題，因此Sαq=0。

動量方程如公式（2）所示。

其中，ρ為混合物密度。對于燃油與空氣的混合物，ρ的計(jì)算方程如公式（3）所示。

其中，αfule與αair分別為燃油與空氣的體積分?jǐn)?shù)，ρfule與ρa(bǔ)ir分別為燃油與空氣的密度。μ為混合物的動力粘度，計(jì)算方法類似于混合物密度。gi為重力加速度；Fj為表面張力引起的體積力。

RNG湍流模型使用重整群（Renormalization Group）的數(shù)學(xué)方法，從納維-斯托克斯方程衍生而來。湍動能方程如公式（4）所示；湍動能耗散方程如公式（5）所示。

其中，k為湍動能，ε為湍動能耗散率；αk與αε分別為k和ε的有效普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)。μeff為高雷諾數(shù)湍流粘度，Gk為湍動能產(chǎn)物。Rε為RNG模型與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的主要區(qū)別項(xiàng)。σk。、C1ε、C2ε及C3ε等為常數(shù)[2]。

2 模擬方法

如圖1所示為加油管結(jié)構(gòu)示意圖。加油槍插入加油管頭部，與連接接頭焊接一體，然后通過密封圈與加油管路裝配在一起，加油管路直接連接燃油箱。

該燃油系統(tǒng)在燃油加注試驗(yàn)初始即反復(fù)出現(xiàn)提前跳槍，為了節(jié)約計(jì)算周期，盡快發(fā)現(xiàn)跳槍原因，模擬計(jì)算中僅考慮加油槍與加油管路，忽略了燃油箱與除氣管等對加油的影響。

圖1 加油管結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 計(jì)算模型

圖2為簡化后的計(jì)算模型。密封圈為橡膠制品，裝配時容易擠壓變形，導(dǎo)致該處的管道直徑與名義尺寸誤差較大。該軟管的名義內(nèi)徑為23.0 mm，為了模擬裝配誤差對加油性能的影響，該處管道直徑ΦD在名義內(nèi)徑的基礎(chǔ)上減小了0.5 mm、1.0 mm和2.0 mm（表1）。

圖2 計(jì)算流域及邊界施加面示意圖

表1 ΦD連接接頭處直徑

2.2 邊界條件

對應(yīng)圖2中的邊界施加面，文中邊界條件如表2所示。

燃油反噴檢測面是用來在計(jì)算過程中，得到流過該面的燃油質(zhì)量的流量，并由此判斷加油管有無提前跳槍的可能。

2.3 迭代求解

燃油加注為瞬態(tài)計(jì)算，總時間為2.0 s，計(jì)算步長1e-4s。計(jì)算機(jī)內(nèi)存4G，4個CPU并行計(jì)算，單方案計(jì)算時間為7 h。

圖3 不同方案不同時間點(diǎn)的燃油分布

表2 計(jì)算邊界

3 仿真模擬結(jié)果

經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在0.5 s左右時，燃油即到達(dá)加油管路的末端，但管路內(nèi)的空氣體積分?jǐn)?shù)仍較大，燃油在管道內(nèi)的流動并未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。燃油開始在連接接頭前的管道內(nèi)積聚，隨著時間加長，積聚的燃油越來越多，此時，連接接頭處的實(shí)際管徑就顯得至關(guān)重要。管徑大，積聚的燃油就能順利流往加油管，并最終流入油箱。管徑小，積聚的燃油不能順暢流出，而是慢慢積聚并形成回流，最終流往燃油反噴面，傳感器監(jiān)測到回流的燃油后，給出信號關(guān)閉加油槍，從而出現(xiàn)提前跳槍。

如圖3所示為Φ23.0和Φ22.5方案，在0.5 s、1.0 s以及1.5 s時加油管內(nèi)的燃油分布，其中偏白色表示全為燃油，黑白相間區(qū)域?yàn)槿加团c空氣的交界面。Φ23.0方案從0.5 s到1.5 s時，管內(nèi)的燃油分布類似，密封圈連接處有少許回流，整體流動基本順暢，監(jiān)測面無回流。Φ22.5方案0.5 s回流即很明顯，1.0 s燃油已積聚到加油口，1.5 s燃油監(jiān)測面處可見明顯回流。圖4為各方案通過燃油回流監(jiān)測面的燃油體積分?jǐn)?shù)隨時間變化曲線。Φ23.0時回流量為0。Φ22.5～Φ21.0均有回流，且密封圈處連接管徑小，回流出現(xiàn)的時間越早，回流量也越大。

4 加油試驗(yàn)結(jié)果

圖5為臺架加油試驗(yàn)圖，燃油箱與加油管均固定在簡易支架上，加油槍與試驗(yàn)室中的內(nèi)置儲油罐相連，并往加油管中加油，加油管頭部為透明管道，方便試驗(yàn)中查看管內(nèi)的燃油流動。

試驗(yàn)過程中，加油槍啟動后，就在透明管內(nèi)查看到輕微的回流，隨著時間加長，回流越來越明顯，并慢慢往加油槍噴油嘴處流動。3.0 s左右加油槍自動關(guān)閉，即提前跳槍。將加油管樣件拆解后發(fā)現(xiàn)，連接接頭處的密封圈變形，導(dǎo)致連接處的實(shí)際管道內(nèi)徑變小。更換密封圈，確保裝配無誤后，重新進(jìn)行加油試驗(yàn)，透明管道內(nèi)仍然看到輕微回流，但一直不明顯，直至加油結(jié)束[3]。

圖4 各方案監(jiān)測面處燃油流量

試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果趨勢一致，密封圈的變形導(dǎo)致實(shí)際管道尺寸變小，流入該處的燃油大于流出的燃油，并積聚回流到加油口，導(dǎo)致提前跳槍。

5 結(jié)束語

本文通過對燃油加注進(jìn)行瞬態(tài)模擬，得到加注過程中燃油在加油管中的體積分?jǐn)?shù)分布，并考慮了裝配誤差導(dǎo)致的連接管徑的變化對加油性能的影響。模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，由此得出以下結(jié)論：應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真手段對加油過程進(jìn)行CFD模擬，是提前預(yù)測加油性能并進(jìn)行優(yōu)化的有效方法；加油管內(nèi)徑越大，加油越順暢，加油管徑越小，提前跳槍的風(fēng)險就越大；塑料加油管裝配過程中變形較大，在零件通用化的前提下，通常使用密封圈對不同管道進(jìn)行連接，但需要保證一定的裝配精度，特別是對于直徑相對較小的部分，裝配精度要求應(yīng)更高。

圖5 臺架加油試驗(yàn)圖