積鼎CFD VirtualFlow：航空及汽車燃油晃動(dòng)流體仿真計(jì)算及試驗(yàn)對比

燃油晃動(dòng)，作為航空、航海及汽車工業(yè)中一個(gè)重要的物理現(xiàn)象，一直以來都受到廣泛關(guān)注。在飛行器、船舶或汽車的運(yùn)行過程中，由于外部擾動(dòng)或內(nèi)部燃料的消耗，油箱內(nèi)的燃油會(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)。這種晃動(dòng)不僅會(huì)影響燃油的供應(yīng)穩(wěn)定性，還可能對整體結(jié)構(gòu)的安全性造成威脅。積鼎科技致力于在多相流，流體仿真（cfd），流體力學(xué)等研究中起到一定實(shí)用作用，VirtualFlow作為主要產(chǎn)品，具有極高的實(shí)用性，接下來我們將運(yùn)用VirtualFlow來對具體問題進(jìn)行分析。

圖1 汽車儲(chǔ)液罐內(nèi)的液體晃動(dòng)

為了更加準(zhǔn)確地預(yù)測和控制燃油晃動(dòng)現(xiàn)象，工程師們一直在尋求高效的數(shù)值模擬方法。而VirtualFlow，作為一款流體仿真軟件，在該鄰域擁有強(qiáng)大的潛力。

界面追蹤模型

VirtualFlow擁有的Level Set模型可以很好地應(yīng)用于燃油晃動(dòng)領(lǐng)域。關(guān)于Level Set 方法，往期文章已做過介紹：界面追蹤：Level Set 與 VOF

Level Set 方法通過距離函數(shù)直接追蹤界面，而非VOF模型需要重構(gòu)界面。因此，其優(yōu)勢在于界面擁有明確的定義，且可以很好地處理界面出現(xiàn)劇烈拓?fù)渥兓那闆r（例如液面破碎、聚并等）。對于Level Set 方法可能帶來的質(zhì)量守恒性方面，VirtualFlow針對性采用Local+Global補(bǔ)償修正，避免了早期LevelSet方法的質(zhì)量守恒性較差的問題，解決了相體積不守恒的數(shù)值問題?？傊琕irtualFlow軟件提供的Level Set方法對于相界面的跟蹤識(shí)別的優(yōu)勢是非常明顯的，非常適用于燃油晃動(dòng)這種存在大尺度界面的應(yīng)用領(lǐng)域。

算例一：某型飛機(jī)油箱燃油晃動(dòng)的分析算例

本節(jié)提供了VirtualFlow軟件通過剛體運(yùn)動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)的某型飛機(jī)油箱燃油晃動(dòng)的分析算例，該飛機(jī)的油箱組成如圖所示。

圖2 飛機(jī)油箱組成

在該算例中，我們提取右側(cè)的機(jī)翼油箱作為主要計(jì)算域。其尺寸如圖所示。

圖3 機(jī)翼油箱尺寸

如圖所示，初始時(shí)刻，油箱內(nèi)填充約一半的燃油（紅色部分）。

圖4 油箱初始狀態(tài)

該算例的主要參數(shù)如下表所示：

下面給出了VirtualFlow軟件計(jì)算得到的燃油晃動(dòng)結(jié)果。通過VirtualFlow，用戶可以輕松地獲得晃動(dòng)過程中油箱內(nèi)的油面形態(tài)分布（左）以及燃油速度（右）等參數(shù)。

圖5

用戶還可以設(shè)定任意截面以獲取其上的詳細(xì)參數(shù)分布。

圖6

此外，通過壓力的積分，用戶可以輕松提取燃油晃動(dòng)對油箱壁面的沖擊力

算例二：汽車剎車和加速過程中燃油箱晃動(dòng)的數(shù)值模擬

汽車在剎車和加速過程中，油箱內(nèi)的燃油將前后劇烈運(yùn)動(dòng)，燃油對油箱壁撞擊所產(chǎn)生的壓力影響到整個(gè)燃油系統(tǒng)的穩(wěn)定性，此外，燃油與油箱外殼或其他內(nèi)部零件碰撞產(chǎn)生額外的振動(dòng)噪聲危害行車安全。本節(jié)提供了某型油箱在汽車剎車和加速過程中燃油箱晃動(dòng)的數(shù)值模擬研究。通過該算例可以得到燃油晃動(dòng)過程中油箱壁的壓力變化以及燃油液面晃動(dòng)情況，為油箱優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

除了剛體運(yùn)動(dòng)外，通過VirtualFlow的體積振蕩力模塊，用戶也可以快速完成燃油晃動(dòng)問題的分析。如圖所示，體積振蕩力模塊支持用戶自由設(shè)置晃動(dòng)的頻率、相位、幅值和起止時(shí)間等參數(shù)。該模塊可以在固體靜止的前提下將平移晃動(dòng)力等效至流場內(nèi)，從而避免了剛體運(yùn)動(dòng)可能帶來的動(dòng)網(wǎng)格問題并大幅降低了計(jì)算成本。

圖8 體積振蕩力模塊

下圖給出了汽車油箱的晃動(dòng)算例的幾何模型，該油箱通過隔板將油箱分為5個(gè)腔室。各腔室通過隔板上的孔洞相連。油箱的晃動(dòng)頻率為5 Hz，振幅為1.5 m，總計(jì)算時(shí)長為2.5 s。通過該算例，可以分析隔板對燃油晃動(dòng)沖擊力的降低效果。

圖9 汽車油箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)

下面給出了上述油箱的燃油晃動(dòng)結(jié)果。可以看出，VirtualFlow軟件可以很好的模擬出油箱晃動(dòng)的液面波動(dòng)效果和隔板孔洞之間的流動(dòng)。此外，對于燃油的貼壁流動(dòng)，本軟件也可以較好地計(jì)算。

圖10

圖8給出了0.8 s時(shí)，燃油箱內(nèi)部的壓力和速度結(jié)果，結(jié)果中液面波動(dòng)對壁面的壓力沖擊不太明顯，這主要是因?yàn)橛杏拖湓O(shè)計(jì)了三道隔板，大幅的減小了燃油晃動(dòng)的沖擊力。從速度分布圖也可知，燃油通過隔板時(shí)最大速度僅為1.3 m/s。因此，燃油晃動(dòng)的沖擊很小，說明隔板對沖擊力起到了很好的降低效果。

圖11 0.8s燃油箱內(nèi)部壓力（左側(cè)）和速度（右側(cè)）

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本節(jié)通過與某油箱晃動(dòng)實(shí)驗(yàn)的對比，驗(yàn)證了VirtualFlow軟件計(jì)算精度。該實(shí)驗(yàn)來自于馬德里理工大學(xué)的晃動(dòng)實(shí)驗(yàn)室（http://canal.etsin.upm.es/archives/2276/laboratorio-de-sloshing/?lang=en）。

下面給出了不同時(shí)刻實(shí)驗(yàn)攝影圖和計(jì)算結(jié)果的對比。總體上，在相同的輸入條件下，VirtualFlow軟件能較好地還原油面形狀，計(jì)算精度較高。

圖12

結(jié) 論

通過上述案例介紹，我們可以看出VirtualFlow軟件在燃油晃動(dòng)模擬方面展現(xiàn)出了卓越的適用性。無論是對于簡單的燃油晃動(dòng)現(xiàn)象，還是對于復(fù)雜的、涉及多種物理效應(yīng)的晃動(dòng)問題，該軟件都能夠提供穩(wěn)定、可靠的解決方案。綜上所述，VirtualFlow軟件在燃油晃動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用具有廣闊的前景和巨大的潛力。我們期待該軟件在未來能夠?yàn)槿加突蝿?dòng)及相關(guān)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用帶來更多的創(chuàng)新和突破。

審核編輯 黃宇