葉鑫，呂昊，楊光，朱亮

亞普汽車部件股份有限公司，江蘇揚州 225100

0 引言

高壓燃油箱在油電混動新能源汽車中應用廣泛，在高壓燃油箱泄壓時，燃油蒸汽會攜帶部分液態(tài)燃油進入排氣管路，如果大量液態(tài)燃油流入碳罐，會導致碳罐吸附能力飽和進而發(fā)生堵塞和失效，因此需要在燃油箱排氣管路中添加油氣分離器[1]。同時，油氣分離器的分離效率成為產(chǎn)品設計開發(fā)中亟須解決的問題。

本文應用計算流體力學(CFD)軟件FLUENT對燃油箱迷宮式油氣分離器進行泄壓工況氣液兩相流分析，得到油液分離效率，并與試驗結果進行對比，驗證了仿真分析的可靠性。因此在后續(xù)產(chǎn)品的開發(fā)設計過程中，可以應用該方法指導設計并進行產(chǎn)品優(yōu)化，有效提高了研發(fā)效率，降低了開發(fā)成本。

1 數(shù)值模擬模型

1.1 流體控制方程及VOF模型方程

流體力學控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程和能量方程，由于不考慮流動過程中的溫度變化，因此能量方程可忽略[2]。

連續(xù)性方程可表述為單位時間內(nèi)流體中單位體積內(nèi)流體質(zhì)量的增量等于該時間內(nèi)流入該體積的流體質(zhì)量，可寫成：

(1)

流體力學動量方程又稱為Navier-Stokes方程，表述為單位體積內(nèi)流體的動量變化率等于作用在該體積上的合力，可寫成：

(2)

VOF(volume of fluid modal)模型中，不同相之間的界面通過求解網(wǎng)格單元內(nèi)的各相流體體積分數(shù)來實現(xiàn)，對于第n相，體積分數(shù)方程如下：

(3)

單元內(nèi)混合流體密度和黏度計算公式如下：

(4)

(5)

式中：ρg為空氣密度；ρl為油液密度；μg為空氣黏度；μl為油液黏度。

1.2 油氣分離器網(wǎng)格模型

為了同時保證計算效率以及計算精度，本文采用多面體網(wǎng)格對幾何特征微小區(qū)域和流動狀態(tài)復雜區(qū)域進行網(wǎng)格加密，最終網(wǎng)格數(shù)量為105.1萬。網(wǎng)格模型如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格模型

2 數(shù)值計算

應用CFD軟件FLUENT對油液分離器內(nèi)部流場進行數(shù)值仿真計算。由于在計算過程中需要捕捉液體的自由液面，因此采用VOF模型來模擬多相流。VOF模型通過計算每個控制體內(nèi)的各項體積分數(shù)，并通過PLIC幾何重構法來復現(xiàn)流場中的自由液面，使得重構后的液面更加光滑，接近真實。

2.1 算法設置

采用基于壓力式求解器和瞬態(tài)算法，時間步長為0.000 2 s，求解算法中壓力-速度耦合方式選擇SIMPLEC算法[4]。空間離散算法格式中，梯度離散選擇基于網(wǎng)格點的算法離散，壓力選擇PRESTO！算法離散，動量方程選擇二階迎風格式離散[5]，湍流動能和湍流耗散率均采用一階迎風格式進行離散[6]。

2.2 湍流模型

采用標準k-ε湍流模型，這是目前應用最廣泛的湍流模型，該模型兼顧了計算精度和計算效率，是在工程流場計算中的主要工具[7]。

2.3 邊界條件

(1)入口條件：采用壓力入口，入口處壓力使用用戶自定義壓力曲線，如圖2所示。 初始狀態(tài)時，入口處油液相所占體積分數(shù)為50%，在計算過程中監(jiān)控入口處液相流入量；當液相流入總量達到100 mL時，將入口液相體積分數(shù)改為0。

圖2 入口壓力隨時間變化曲線

(2)出口條件：采用壓力出口，出口壓力為0，出口處回流液相占比為0。

(3)壁面條件：采用無滑移固定壁面。

3 計算結果

通過FLUENT數(shù)值模擬可得到高壓燃油箱泄壓時的液體自由液面動態(tài)畫面，同時可通過監(jiān)控入口和出口處的油液體積差值，得出油氣分離器內(nèi)的油液體積，從而判斷油液分離器的實際效果是否達到設計預期。通過對比仿真和試驗結果的自由液面的形態(tài)、油液殘留體積，可驗證仿真計算精度。

3.1 油液自由液面形態(tài)對標

圖3為仿真與試驗自由液面對比，由圖可看出，油液在0.2 s左右通過分離器內(nèi)部第一道格柵；在0.5 s左右，油液越過第二道格柵，并有少量油液到達分離器最頂端；在0.6 s左右，有油液開始從出口處流出。在此過程中，每道格柵下部都有部分油液累積。通過對比可知，仿真和試驗的自由液面形態(tài)基本一致，仿真模型精度較高。

圖3 仿真與試驗自由液面對比

3.2 油液分離量對標

仿真和試驗最終油液分離示意如圖4所示，油液分離量隨時間變化曲線對比如圖5所示。

圖4 仿真和試驗最終油液分離示意

圖5 油液分離量隨時間變化曲線對比

由圖5可看出，0～0.5 s內(nèi)進口處液體流量線性增長；在0.5～0.8 s內(nèi)，進口油液總量達到100 mL后，此時調(diào)整進口處油液組分為0，進口處不再有油液流入；在0.8 s左右時，出口處開始有油液流出，油液分離器內(nèi)液體體積開始減少，直到4 s之后液體體積逐漸達到穩(wěn)定，出口處基本不再有液體流出。油液分離量的仿真分析結果與試驗基本一致，誤差在5%以內(nèi)，仿真精度較高。

4 結束語

在燃油箱油氣分離器設計過程中，應用FLUENT軟件對油液分離量進行仿真，判斷油氣分離器的流道結構設計是否滿足要求。應用VOF模型模擬自由液面形態(tài)，使用k-ε湍流模型模擬渦流。通過仿真計算結果與試驗結果對比可知，模擬過程中的自由液面形態(tài)以及油液殘留量均與試驗結果吻合。在產(chǎn)品開發(fā)前期可應用該方法進行仿真分析，優(yōu)化產(chǎn)品設計，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。