VirtualFlow案例|油箱燃油晃動(dòng)模擬，高效分析管路及油箱內(nèi)油面變化

在探索流體行為模擬的領(lǐng)域，CFD技術(shù)為油箱燃油晃動(dòng)模擬帶來(lái)了革命性的轉(zhuǎn)變。通過(guò)高精度的數(shù)值模擬，它不僅揭示了燃油在不同工況下的復(fù)雜動(dòng)態(tài)，還為油箱設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供了關(guān)鍵洞察。這一技術(shù)在航空航天、汽車制造、船舶與海洋工程等多個(gè)行業(yè)中展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用價(jià)值，從確保飛機(jī)油箱的安全穩(wěn)定，到提升汽車燃油系統(tǒng)的效率與舒適性，再到保障大型油輪和海洋平臺(tái)的運(yùn)營(yíng)安全，CFD技術(shù)都在默默地發(fā)揮著不可替代的作用。

1、項(xiàng)目背景

在航空工程中，飛行器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，即使在現(xiàn)有成熟條件下，部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制造仍然存在很大的困難。如在飛機(jī)燃油箱設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，為了適配結(jié)構(gòu)復(fù)雜的飛行器而設(shè)計(jì)的特殊結(jié)構(gòu)燃油箱，其加油過(guò)程需要精細(xì)設(shè)計(jì)。另外，在飛行過(guò)程中，由于飛機(jī)姿態(tài)變化導(dǎo)致燃油在燃油箱中的分布狀態(tài)變化，其對(duì)于油箱結(jié)構(gòu)受載的影響也需要考慮。

某飛機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司具備獨(dú)立設(shè)計(jì)，工程試驗(yàn)，飛行試驗(yàn)以及理化計(jì)量等飛行器設(shè)計(jì)制造能力。然而，面對(duì)日益復(fù)雜的飛行器結(jié)構(gòu)，尤其是燃油箱這類既需滿足容量需求又需承受復(fù)雜力學(xué)環(huán)境的部件，該公司也面臨諸多挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法往往依賴于經(jīng)驗(yàn)積累與反復(fù)試驗(yàn)，不僅耗時(shí)長(zhǎng)、成本高，且難以全面捕捉流體流動(dòng)的細(xì)微變化，從而限制了設(shè)計(jì)精度的進(jìn)一步提升。

· 項(xiàng)目目標(biāo)

為了加快設(shè)計(jì)效率，節(jié)省試驗(yàn)成本，該飛機(jī)公司考慮在各飛行器制造環(huán)節(jié)中，大力引進(jìn)行業(yè)優(yōu)秀流體仿真軟件。在上述飛機(jī)燃油箱設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)積鼎自主研發(fā)的CFD軟件VirtualFlow，實(shí)現(xiàn)精確的燃油油面變化及重量特性分析、油箱內(nèi)流口設(shè)計(jì)和燃油管路內(nèi)油流特性分析、系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)受載情況分析、加油過(guò)程中油箱姿態(tài)變化分析以及油箱熱模型計(jì)算分析等設(shè)計(jì)過(guò)程，為燃油箱設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

2、解決方案及優(yōu)勢(shì)

核心方法——界面追蹤技術(shù)

VirtualFlow擁有的Level Set模型非常適用于燃油晃動(dòng)領(lǐng)域。Level Set 方法是通過(guò)距離函數(shù)直接追蹤界面，而非VOF模型需要重構(gòu)界面。其優(yōu)勢(shì)在于界面擁有明確的定義，且能夠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(duì)于Level Set 方法可能帶來(lái)的質(zhì)量守恒性方面，VirtualFlow針對(duì)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(wèn)題，解決了相體積不守恒的數(shù)值問(wèn)題。因此，Level Set方法對(duì)于相界面的跟蹤識(shí)別的優(yōu)勢(shì)尤為明顯，尤其是燃油晃動(dòng)這種存在大尺度界面的應(yīng)用領(lǐng)域。

計(jì)算過(guò)程及結(jié)果

通過(guò)VirtualFlow軟件的剛體運(yùn)動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)該用戶某型飛機(jī)油箱燃油晃動(dòng)的分析。該飛機(jī)的油箱組成如圖所示。

圖1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2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3油箱初始狀態(tài)

該算例的主要參數(shù)如下表所示

表1 算例參數(shù)

下方給出了VirtualFlow軟件計(jì)算得到的燃油晃動(dòng)結(jié)果。通過(guò)VirtualFlow，用戶可以輕松地獲得晃動(dòng)過(guò)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)。

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

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

圖4油箱沖擊載荷

軟件優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)

1.簡(jiǎn)化復(fù)雜幾何的前處理難度
VirtualFlow具備特有的浸沒(méi)邊界（IST）網(wǎng)格技術(shù)。在IST技術(shù)的支持下，軟件能夠自動(dòng)識(shí)別燃油箱的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，極大地減少設(shè)計(jì)人員在前處理網(wǎng)格剖分工作中所用的時(shí)間與精力，對(duì)于快速設(shè)計(jì)迭代過(guò)程尤為重要。

2.多相流清晰界面
航空燃油箱仿真計(jì)算過(guò)程屬于典型的多相流計(jì)算問(wèn)題。使用上述VirtualFlow中的Level-Set兩相流經(jīng)典界面追蹤方法，能夠快速進(jìn)行模擬分析航空燃油在重力作用下的流動(dòng)變化及其與液面形態(tài)。

3.支持耦合多物理場(chǎng)計(jì)算
IST技術(shù)同時(shí)支持多物理場(chǎng)耦合計(jì)算。能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行流動(dòng)分析以及計(jì)算固體結(jié)構(gòu)的受力。對(duì)于飛行過(guò)程中的油箱晃動(dòng)過(guò)程，能夠精確計(jì)算其結(jié)構(gòu)受載情況。

4.強(qiáng)耦合共軛傳熱計(jì)算
VirtualFlow同時(shí)支持共軛傳熱分析計(jì)算，并且在求解方式上屬于強(qiáng)耦合計(jì)算，計(jì)算精度較高。對(duì)于高溫下的燃油箱受熱分析也能夠輕松處理。

成果及效益

通過(guò)對(duì)VirtualFlow的熟練使用，該飛機(jī)公司基本實(shí)現(xiàn)了從燃油管路內(nèi)的油流特性分析，到快速的油箱內(nèi)流口設(shè)計(jì)，再到油箱內(nèi)油面變化的準(zhǔn)確計(jì)算，以及結(jié)構(gòu)受載情況分析這一完整燃油箱的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程。通過(guò)提升專業(yè)的研發(fā)設(shè)計(jì)手段，達(dá)到了提高效率、降低成本、促進(jìn)設(shè)計(jì)能力提升、保障飛機(jī)順利研制的目標(biāo)。

·用戶評(píng)價(jià)：“積鼎科技公司一直專注于流體仿真領(lǐng)域，在配合過(guò)程中感受到了公司的專業(yè)。VirtualFlow軟件的IST網(wǎng)格技術(shù)能精準(zhǔn)識(shí)別復(fù)雜結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了工程師的設(shè)計(jì)流程，大幅提升了計(jì)算的效率。多相流模型也比較全面，對(duì)于飛行中燃油箱動(dòng)態(tài)變化可以做到精準(zhǔn)可靠的模擬。整個(gè)服務(wù)團(tuán)隊(duì)配合程度高，能夠響應(yīng)及時(shí)，助力我們高效推進(jìn)項(xiàng)目完成?！?/p>

方案總結(jié)

VirtualFlow軟件憑借其Level Set界面追蹤技術(shù)，在燃油晃動(dòng)模擬中展現(xiàn)了卓越性能，不僅精確捕捉燃油動(dòng)態(tài)變化，包括液面的破碎與聚并，還通過(guò)Local+Global補(bǔ)償修正確保了質(zhì)量守恒性。軟件的IST網(wǎng)格技術(shù)簡(jiǎn)化了復(fù)雜幾何前處理，可支持多物理場(chǎng)耦合計(jì)算，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)受力分析。這些優(yōu)勢(shì)同樣適用于汽車、船舶等行業(yè)的油箱晃動(dòng)模擬，具備跨行業(yè)的廣泛應(yīng)用前景，為各類油箱設(shè)計(jì)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。