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摘 要：汽车燃油箱注油过程中必须避免加油枪提前跳枪、燃油反喷等现象，在传统的设计开发中需要通过制造样件来验证燃油加注性能。随着硬件和软件技术的发展，在目前汽车油箱的设计开发中越来越多地应用CFD（Computational Fluid Dynamics） 分析的方法，本文描述了基于商业计算流体动力学（CFD）软件ANSYSFlu ent环境下燃油箱注油过程的模拟。采用Fluent中提供的VOF（Volume of Fraction） 气液两相流模型和RNG k-c湍流模型，在基于ANSYS ICEM CFD软件确定网格划分方案和进行适当的边界条件设置后，建立了合理可行的加油过程气液两相流动CFD数值分析模型。得到了燃油加注过程中，气液两相的分布、油箱内部压力、加油排气的通风流量等影响加注性能的参数，这说明采用CFD技术对注油过程进行分析是一种辅助燃油系统设计的有效方法，可缩短油箱设计周期、降低开发成本。
关键词：注油；计算流体力学
1 引言
汽车燃油系统是汽车部件中重要的功能件和安全件之一。在开发中，燃油系统也是一个关键部件。燃油箱位置和空间受到车身结构的限制，往往布置在车身底部，与加油口之间存在一定距离。需要通过注油管连接至加油口，这对燃油加注可能带来困难。汽车在加油过程中，加油速度通常比较大，如果注油管设计不合理，燃油不能顺畅流入油箱，就会出现“跳枪、飞溅”等现象；如果燃油箱设计不合理，燃油箱中的气体不能及时排出，燃油箱内部压力会快速增大，导致“跳枪、反喷”等现象。在以往燃油箱设计中需要制造样件运用试验方法验证，关于加油管注油过程的仿真分析很少，一般是在出现问题后利用试验手段对加油管进行优化，这样不仅会延长整车开发周期、增加开发成本，而且因为在试验中很难观察到燃油在加油管中的流动状况，使得设计人员难以确定产生问题的根本原因，不能根据实验结果准确地修改、优化设计。随着CFD理论、硬件和CFD软件的发展，现在越来越多地使用CFD方法来辅助汽车燃油箱的设计。通过在计算机虚拟环境中模拟燃油在加注时的流动分布，可以直观地观察到加油管、燃油箱内的流场情况，并迅速确定出现问题的部位及原因，为后续的优化设计提供依据。
本文以某款燃油系统为例，介绍了利用ANSYS Fluent软件进行燃油加注过程模拟的方法。
2 注油过程三维数值分析
2.1 计算网格
本次分析建立了包括加油枪嘴、加油管、通气管及燃油箱的加油总成模型，采用ANSYS ICEMCFD网格划分工具生成网格。在划分网格时，对加油头部结构做了简化，同时对结构变化大的部位进行网格细化，如图1所示。
2.2数学模型
2.2.1流动控制方程
在燃油箱注油分析中，燃油箱中存在两种相态的流体，一种是液态（燃油），一种是气态（空气），且两种流体均不可压缩，液面随时间变化。因此确定该分析为多相流模拟，需要计算VOF模型的非定常问题。
VOF模型依赖于两种或多种流体（或相）是互不渗透的这一事实。对于引入模型中的每一相，引入一个称为单元相体积分数的变量。在每一个控制容积中，所有相的体积分数之和为1。只要在计算域内每一点的各相的体积分数已知，全部变量和物性的场都由各相共享并代表了体积平均值。因而，根据体积分数的值，任意单元内的变量和物性或者为一相的代表，或者为多相混合物的代表。即，如果单元中第q相流体体积分数为n。，当n。-0盹单元中没有第q相流体；当n。=l时：单元中充满第q相流体当O 2.2.2湍流模型
常用湍流模型有直接数值模型（ DNS）、基于雷诺平均N-S方程组（RANS）的模型、大涡模型（ LES）、标准k.￡模型、RNGk.e模型和带漩涡修正k-s模型等。本文采用工程上被广泛使用的RNG kI￡模型[4]。
2.2.3边界条件
本模拟计算中，模型边界主要由注油管口部的速度进口和压力出口组成。速度进口处，燃油体积分数为l，且燃油以3 .9m/s（约45L/min）的速度加注到油管中，压力出口处为恒定的一个标准大气压，其他边界均为无滑移壁。由于要获得模拟中各时刻燃油体积分数和速度的分布，故采用瞬态计算。另外，本次计算不考虑相间质量和热量的传递。
3 结果与分析
3.1燃油分布情况
如图2所示，图为加注过程中燃油在燃油箱内的分布情况。燃油沿注油管流入燃油箱后向周围分散。
3.2压力分布
如图3所示，图为加注过程中燃油箱内的压力分布情况。在注油管头部、回气管中压力比较大。
3.3速度分布
如图4所示，图为加注过程中燃油箱内的速度分布情况。在注油管头部、回气管中气体速度比较大，甚至可达到1Om/s以上。
经过计算结果分析，可以得到燃油箱内的燃油分布及流动情况、流体的速度和压力等数值。在注油过程中气体沿回气管经注油管口部排出。由于回气管口径较小、注油管头部异形结构等因素影响，气体排出速度比较大，甚至可达到lOm/s以上。在燃油加注过程中，如果不能及时地排出气体，或者因油液进入堵塞回气管，油箱内压力就会急剧升高，出现“跳枪、反喷”等现象，这在设计中需要特别注意，避免发生。
4 结语
（1）本文利用CFD技术，采用多相流模型实现了对注油过程中加油管内的燃油流动情况的模拟。得到了加注过程中燃油分布、流体压力、速度等数值，可判断加油过程中是否有提前跳枪的风险。
（2）在油箱设计中应用CFD方法，可以缩短开发周期，节省开发费用，分析结果对于产品开发设计具有参考价值。
（3）在分析两相流中采用VOF方法模拟交界面运动的变化是CFD分析得一个重要方法，VOF方法在两相和多相流的数值模拟中将会有更加广泛的应用。
关键词：注油；计算流体力学
1 引言
汽车燃油系统是汽车部件中重要的功能件和安全件之一。在开发中，燃油系统也是一个关键部件。燃油箱位置和空间受到车身结构的限制，往往布置在车身底部，与加油口之间存在一定距离。需要通过注油管连接至加油口，这对燃油加注可能带来困难。汽车在加油过程中，加油速度通常比较大，如果注油管设计不合理，燃油不能顺畅流入油箱，就会出现“跳枪、飞溅”等现象；如果燃油箱设计不合理，燃油箱中的气体不能及时排出，燃油箱内部压力会快速增大，导致“跳枪、反喷”等现象。在以往燃油箱设计中需要制造样件运用试验方法验证，关于加油管注油过程的仿真分析很少，一般是在出现问题后利用试验手段对加油管进行优化，这样不仅会延长整车开发周期、增加开发成本，而且因为在试验中很难观察到燃油在加油管中的流动状况，使得设计人员难以确定产生问题的根本原因，不能根据实验结果准确地修改、优化设计。随着CFD理论、硬件和CFD软件的发展，现在越来越多地使用CFD方法来辅助汽车燃油箱的设计。通过在计算机虚拟环境中模拟燃油在加注时的流动分布，可以直观地观察到加油管、燃油箱内的流场情况，并迅速确定出现问题的部位及原因，为后续的优化设计提供依据。
本文以某款燃油系统为例，介绍了利用ANSYS Fluent软件进行燃油加注过程模拟的方法。
2 注油过程三维数值分析
2.1 计算网格
本次分析建立了包括加油枪嘴、加油管、通气管及燃油箱的加油总成模型，采用ANSYS ICEMCFD网格划分工具生成网格。在划分网格时，对加油头部结构做了简化，同时对结构变化大的部位进行网格细化，如图1所示。
2.2数学模型
2.2.1流动控制方程
在燃油箱注油分析中，燃油箱中存在两种相态的流体，一种是液态（燃油），一种是气态（空气），且两种流体均不可压缩，液面随时间变化。因此确定该分析为多相流模拟，需要计算VOF模型的非定常问题。
VOF模型依赖于两种或多种流体（或相）是互不渗透的这一事实。对于引入模型中的每一相，引入一个称为单元相体积分数的变量。在每一个控制容积中，所有相的体积分数之和为1。只要在计算域内每一点的各相的体积分数已知，全部变量和物性的场都由各相共享并代表了体积平均值。因而，根据体积分数的值，任意单元内的变量和物性或者为一相的代表，或者为多相混合物的代表。即，如果单元中第q相流体体积分数为n。，当n。-0盹单元中没有第q相流体；当n。=l时：单元中充满第q相流体当O
常用湍流模型有直接数值模型（ DNS）、基于雷诺平均N-S方程组（RANS）的模型、大涡模型（ LES）、标准k.￡模型、RNGk.e模型和带漩涡修正k-s模型等。本文采用工程上被广泛使用的RNG kI￡模型[4]。
2.2.3边界条件
本模拟计算中，模型边界主要由注油管口部的速度进口和压力出口组成。速度进口处，燃油体积分数为l，且燃油以3 .9m/s（约45L/min）的速度加注到油管中，压力出口处为恒定的一个标准大气压，其他边界均为无滑移壁。由于要获得模拟中各时刻燃油体积分数和速度的分布，故采用瞬态计算。另外，本次计算不考虑相间质量和热量的传递。
3 结果与分析
3.1燃油分布情况
如图2所示，图为加注过程中燃油在燃油箱内的分布情况。燃油沿注油管流入燃油箱后向周围分散。
3.2压力分布
如图3所示，图为加注过程中燃油箱内的压力分布情况。在注油管头部、回气管中压力比较大。
3.3速度分布
如图4所示，图为加注过程中燃油箱内的速度分布情况。在注油管头部、回气管中气体速度比较大，甚至可达到1Om/s以上。
经过计算结果分析，可以得到燃油箱内的燃油分布及流动情况、流体的速度和压力等数值。在注油过程中气体沿回气管经注油管口部排出。由于回气管口径较小、注油管头部异形结构等因素影响，气体排出速度比较大，甚至可达到lOm/s以上。在燃油加注过程中，如果不能及时地排出气体，或者因油液进入堵塞回气管，油箱内压力就会急剧升高，出现“跳枪、反喷”等现象，这在设计中需要特别注意，避免发生。
4 结语
（1）本文利用CFD技术，采用多相流模型实现了对注油过程中加油管内的燃油流动情况的模拟。得到了加注过程中燃油分布、流体压力、速度等数值，可判断加油过程中是否有提前跳枪的风险。
（2）在油箱设计中应用CFD方法，可以缩短开发周期，节省开发费用，分析结果对于产品开发设计具有参考价值。
（3）在分析两相流中采用VOF方法模拟交界面运动的变化是CFD分析得一个重要方法，VOF方法在两相和多相流的数值模拟中将会有更加广泛的应用。