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基于CFD技術(shù)的油箱晃動(dòng)計(jì)算模擬

2021-10-01 19:26:12·  來(lái)源：AutoAero  
　
摘要晃動(dòng)是指任何液體在物體內(nèi)部的高度非線性運(yùn)動(dòng)，液體的動(dòng)力可以與物體相互作用，從而顯著改變整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)。本文的目的是利用考慮多相流體流動(dòng)的流體體積
摘要
晃動(dòng)是指任何液體在物體內(nèi)部的高度非線性運(yùn)動(dòng)，液體的動(dòng)力可以與物體相互作用，從而顯著改變整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)。本文的目的是利用考慮多相流體流動(dòng)的流體體積(VOF)方法設(shè)計(jì)和模擬油箱的三維幾何形狀，預(yù)測(cè)在一定的固定體積內(nèi)特定容量下的燃油晃動(dòng)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)商業(yè)CFD程序，可以對(duì)部分填充的油箱內(nèi)汽油在突然減速時(shí)的飛濺進(jìn)行建模、分析和有效控制，方法是利用油箱內(nèi)公共界面上的流固耦合作用降低油箱壁上的壓力強(qiáng)度。本研究通過(guò)在40升油箱中分別考慮40%燃油和60%空氣的情況下，使用計(jì)算模擬比較兩種幾何形狀，從而預(yù)測(cè)考慮縱向加速度場(chǎng)的油箱結(jié)構(gòu)內(nèi)部的晃動(dòng)力和力矩的影響。對(duì)模型進(jìn)行了討論，并給出了結(jié)果。此外，本文可作為一個(gè)詳細(xì)的指南，使用CFD模擬分析油箱內(nèi)的晃動(dòng)現(xiàn)象，以便在LCV的情況下有效地設(shè)計(jì)油箱，這將有助于汽車(chē)行業(yè)的產(chǎn)品工程和車(chē)輛集成。
 
介紹
具有自由表面的流體流動(dòng)具有各種工業(yè)工程應(yīng)用。自由表面流動(dòng)在本文中進(jìn)行了探索，對(duì)燃料儲(chǔ)罐內(nèi)的晃動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了重點(diǎn)研究?；蝿?dòng)可以定義為任意容器內(nèi)部分填充的任何液體的自由表面的周期性運(yùn)動(dòng)。粘性液體所施加的慣性載荷是隨時(shí)間變化的，它可以大于任何相同質(zhì)量的固體材料所施加的載荷。此外，低粘度流體在部分填充容器中的自由表面振蕩會(huì)持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，并可能產(chǎn)生較低的車(chē)輛穩(wěn)定性。因此，對(duì)汽車(chē)油箱及其他大型移動(dòng)或儲(chǔ)罐的晃動(dòng)分析具有重要意義。
 
采用基于Navier-Stokes求解器和流體體積(VOF)技術(shù)[2]相結(jié)合的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法進(jìn)行了瞬態(tài)流體晃動(dòng)分析。這種數(shù)值方法對(duì)于模擬時(shí)變強(qiáng)迫加速度下的大振幅流體晃動(dòng)是有效的流體在任意形狀的容器內(nèi)受到外部激勵(lì)，會(huì)產(chǎn)生表面和體積湍流。由于晃動(dòng)、壓力梯度等多種影響，這種湍流的性質(zhì)相當(dāng)復(fù)雜。其中，晃動(dòng)使流體容器更容易受到結(jié)構(gòu)損傷和不穩(wěn)定性的影響。根據(jù)擾動(dòng)類型和容器形狀的不同，自由液體表面可以經(jīng)歷不同類型的運(yùn)動(dòng)，包括簡(jiǎn)單平面、非平面、旋轉(zhuǎn)、不規(guī)則、非對(duì)稱和湍流。
 
動(dòng)態(tài)荷載位移、晃動(dòng)力和力矩的大小取決于填充體積和罐的幾何形狀[3]。擋板是通常用來(lái)抑制流體晃動(dòng)的有效手段，除了改善罐體結(jié)構(gòu)的完整性。其中一種減晃動(dòng)裝置是帶有大中心腔的橫向擋板，它可以限制縱向的晃動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，橫向擋板的加入使縱模態(tài)固有頻率顯著增加。橫向擋板的存在也顯著降低了縱向晃動(dòng)力和俯仰力矩的峰值。因此，擋板設(shè)計(jì)是控制和預(yù)測(cè)流體晃動(dòng)行為的重要考慮因素。
 
本文針對(duì)有擋板和無(wú)擋板水箱兩種情況，提出了流體晃動(dòng)行為建模的概念。對(duì)40升燃油容量的油箱進(jìn)行了幾何分析。
 
液體晃動(dòng)的建模
 
部分充液罐內(nèi)的流體在縱向加速度場(chǎng)作用下的流動(dòng)可以看作是由空氣和液相組成的兩相流動(dòng)。不可壓縮液體的運(yùn)動(dòng)可以用動(dòng)量守恒和質(zhì)量守恒方程[3]來(lái)表示。假設(shè)流體由于突然減速而產(chǎn)生的晃動(dòng)發(fā)生在相對(duì)較低的速度下，則將三維流動(dòng)視為層流。對(duì)于定粘度液體流動(dòng)，在慣性笛卡爾坐標(biāo)系下流體流動(dòng)的控制方程可表示為:
 
（1）
 
（2）
 
（3）
 
（4）
u, v和w是液體沿著x, y, z方向的分速度, P是流體壓力,υ液體的運(yùn)動(dòng)粘度,g (x), g (y)和g (z)單元體力沿著x, y, z方向,分別代表縱向加速度作用,和液體質(zhì)量。
在動(dòng)量守恒和質(zhì)量守恒方程的公式中假定了一個(gè)均勻的體力場(chǎng)，并結(jié)合適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件進(jìn)行求解，計(jì)算了流域內(nèi)作為時(shí)間和空間函數(shù)的速度分量和壓力分布。假設(shè)水槽被剛性壁包圍，這使得垂直于壁的速度分量在邊界處為零，這意味著無(wú)滑移邊界條件。
自由表面在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)時(shí)的變形可以被推導(dǎo)出來(lái)，假設(shè)無(wú)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，在自由表面沒(méi)有粒子的水平位移，這導(dǎo)致了如下形式的運(yùn)動(dòng)學(xué)限制
 
（5）
式中η為自由面相對(duì)于其平均位置的位移。
在VOF模型中，流體共享一組動(dòng)量方程。確定了流體介質(zhì)的界面位置。
幾何和網(wǎng)格生成
本文所采用的油箱計(jì)算域?yàn)?0升，我們對(duì)兩種油箱幾何形狀內(nèi)部產(chǎn)生的晃動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行建模，如圖1所示。使用CATIA-V5軟件生成了油箱的3D-CAD模型。內(nèi)部自由表面流域的網(wǎng)格生成使用Ansys-ICEM進(jìn)行，如圖2所示。流域上生成的網(wǎng)格由表1中指定的網(wǎng)格單元組成。本文的主要目的是證明在油箱內(nèi)使用擋板的好處，以減少晃動(dòng)的影響。
 
 
圖1 油箱幾何形狀(a)無(wú)擋板(b)有擋板
這里考慮了兩種情況。第一個(gè)案例涉及常規(guī)或默認(rèn)的油箱幾何尺寸(700mm × 300mm × 190mm)，容量約為40升。第二種情況由一個(gè)類似的油箱幾何形狀組成，油箱的內(nèi)部部分有可以忽略不計(jì)的厚度擋板(如圖1所示)。在這兩種情況下，域被分為兩個(gè)域，即空氣域和汽油域。兩個(gè)域的交點(diǎn)的特征是存在一個(gè)界面。兩個(gè)域的物質(zhì)點(diǎn)必須分別定義。
在水箱壁面附近增加網(wǎng)格密度，以有效捕捉邊界層內(nèi)部的流動(dòng)效應(yīng)。另一方面，沿著空氣和汽油區(qū)域的界面，網(wǎng)格應(yīng)該更細(xì)(如圖2所示)。這樣做是為了確保準(zhǔn)確解決流體特性的不利變化，如壓力和速度通過(guò)界面區(qū)域
 
 
圖2 結(jié)構(gòu)網(wǎng)格(a)頂部部分(b)底部部分使用Ansys ICEM
表1 篩孔尺寸信息
 
 
流參數(shù)
網(wǎng)格采用Ansys-CFX軟件進(jìn)行求解。為了分析初始時(shí)間為0秒到2.5秒、間隔時(shí)間為0.05秒時(shí)油箱的晃動(dòng)情況，進(jìn)行了瞬態(tài)分析。建立了以網(wǎng)格變形為特征的空氣和汽油兩個(gè)獨(dú)立區(qū)域。此外，兩個(gè)域都是從靜止?fàn)顟B(tài)初始化的，參考?jí)毫εc大氣壓相同。最初，油箱內(nèi)的低湍流水平約為1%。
表2 邊界條件
 
 
兩個(gè)域之間的域界面是采用GGI網(wǎng)格連接方法的一般連接流體-流體型界面。燃料箱總是在向下(負(fù)z方向)的重力作用下。在研究中考慮了k-epsilon湍流模型，因?yàn)樗诨蝿?dòng)動(dòng)力學(xué)應(yīng)用中最相關(guān)。汽油域的底壁位移，壁面速度為14.815米/秒。因此，由于前面提到的域連接，跨單個(gè)壁的運(yùn)動(dòng)會(huì)引起整個(gè)域的運(yùn)動(dòng)。采用高階分辨率平流格式和二階反向歐拉瞬態(tài)離散方法進(jìn)行離散。用之前獲得的每一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)初始化域，剩余收斂準(zhǔn)則為10−10。
表3 后處理?xiàng)l件
 
 
結(jié)果和討論
使用選定的網(wǎng)格尺寸分析每個(gè)罐配置的動(dòng)態(tài)流體晃動(dòng)模型，并考慮縱向(g =−9.81)加速度激勵(lì)對(duì)兩種罐幾何形狀的40%填充條件進(jìn)行初步求解。
沒(méi)有擋板的油箱模擬顯示在界面處最大飛濺時(shí)間為1.5秒。汽油在界面處的運(yùn)動(dòng)如圖3所示。
 
 
圖3 最大飛濺捕獲在1.5秒油箱幾何沒(méi)有擋板
比較表明，擋板的存在有助于降低縱向加速度激勵(lì)下產(chǎn)生的側(cè)向晃動(dòng)力的峰值。流動(dòng)可視化進(jìn)一步說(shuō)明，汽油在折流板油箱前端的沉降速度非常快，造成了如圖4所示的晃動(dòng)阻尼。
此外，結(jié)果表明，所提出的半圓孔板擋板提供了更好的晃動(dòng)控制在縱向平面?？紤]到罐體輸送的負(fù)荷一般在50%以上，在罐體下半段采用半圓孔擋板可以更有效地控制負(fù)荷漂移，從而提高制動(dòng)性能[6]。
 
 
圖4 濺水在擋板存在時(shí)受到抑制
結(jié)論
與沒(méi)有擋板的默認(rèn)水箱相比，擋板的使用減少了飛濺量。此外，它使流動(dòng)在本質(zhì)上更加流線型，并限制流動(dòng)保持在所需的汽油域內(nèi)，如圖5所示。
 
 
圖5 速度由于擋板在罐內(nèi)的流線分布
油箱內(nèi)擋板的使用減小了由于沿縱向[7]晃動(dòng)而引起的速度的劇烈變化。因此，與圖6所示的默認(rèn)油箱相比，速度值的變化范圍非常小。
由于晃動(dòng)模式為初步研究提供了直觀的幫助，有助于進(jìn)一步開(kāi)展研究，分析現(xiàn)象。
同時(shí)，該研究也為今后優(yōu)化油箱形狀和油箱內(nèi)擋板布置提供了思路。
 
 
圖6 界面上的速度輪廓
參考文獻(xiàn)
1. Wachowski C., Biermann J.W., Schala R.,“Approaches toanalyse and predict sloshnoise of vehicle fuel tanks”, RWTHAachen University,Acoustics Department, Aachen,Germany.
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3. Koli G.C., Kulkarni V.V.Prof., “Simulation ofFluidSloshing in a Tank”,Proceedings of the World Congress onEngineering 2010 Vol II WCE2010, June 30-July 2, 2010,London, U.K.
4. Modaressi-Tehrani K., Rakheja S., and StiharuI., “Threedimensional analysis oftransient slosh within a partly filledtank equipped withbaffles”, Vehicle Syst. Dyn, vol.45, no.6,pp.525-548, 2007.
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7. aus der Wiesche S., Noise due to sloshingwithinautomotive fuel tanks,Springer-Verlag, Heidelberg (2005)8. Indian Standard on Automotive Vehicles - FuelTanks forFour Wheeler”, AIS-1468
文獻(xiàn)來(lái)源：Chitkara,T., Kittur, Z., and Soman, R., "Computational Simulation of Fuel TankSloshing using CFD Techniques," SAE Technical Paper 2013-01-2868, 2013, https://doi.org/10.4271/2013-01-2868

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