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基于CFD技术的油箱晃动计算模拟
2021-10-01 19:26:12· 来源：AutoAero
摘要晃动是指任何液体在物体内部的高度非线性运动，液体的动力可以与物体相互作用，从而显著改变整个系统的动力学。本文的目的是利用考虑多相流体流动的流体体积
摘要
晃动是指任何液体在物体内部的高度非线性运动，液体的动力可以与物体相互作用，从而显著改变整个系统的动力学。本文的目的是利用考虑多相流体流动的流体体积(VOF)方法设计和模拟油箱的三维几何形状，预测在一定的固定体积内特定容量下的燃油晃动运动。通过商业CFD程序，可以对部分填充的油箱内汽油在突然减速时的飞溅进行建模、分析和有效控制，方法是利用油箱内公共界面上的流固耦合作用降低油箱壁上的压力强度。本研究通过在40升油箱中分别考虑40%燃油和60%空气的情况下，使用计算模拟比较两种几何形状，从而预测考虑纵向加速度场的油箱结构内部的晃动力和力矩的影响。对模型进行了讨论，并给出了结果。此外，本文可作为一个详细的指南，使用CFD模拟分析油箱内的晃动现象，以便在LCV的情况下有效地设计油箱，这将有助于汽车行业的产品工程和车辆集成。
介绍
具有自由表面的流体流动具有各种工业工程应用。自由表面流动在本文中进行了探索，对燃料储罐内的晃动过程进行了重点研究。晃动可以定义为任意容器内部分填充的任何液体的自由表面的周期性运动。粘性液体所施加的惯性载荷是随时间变化的，它可以大于任何相同质量的固体材料所施加的载荷。此外，低粘度流体在部分填充容器中的自由表面振荡会持续很长时间，并可能产生较低的车辆稳定性。因此，对汽车油箱及其他大型移动或储罐的晃动分析具有重要意义。
采用基于Navier-Stokes求解器和流体体积(VOF)技术[2]相结合的计算流体动力学(CFD)方法进行了瞬态流体晃动分析。这种数值方法对于模拟时变强迫加速度下的大振幅流体晃动是有效的流体在任意形状的容器内受到外部激励，会产生表面和体积湍流。由于晃动、压力梯度等多种影响，这种湍流的性质相当复杂。其中，晃动使流体容器更容易受到结构损伤和不稳定性的影响。根据扰动类型和容器形状的不同，自由液体表面可以经历不同类型的运动，包括简单平面、非平面、旋转、不规则、非对称和湍流。
动态荷载位移、晃动力和力矩的大小取决于填充体积和罐的几何形状[3]。挡板是通常用来抑制流体晃动的有效手段，除了改善罐体结构的完整性。其中一种减晃动装置是带有大中心腔的横向挡板，它可以限制纵向的晃动。实验结果表明，横向挡板的加入使纵模态固有频率显著增加。横向挡板的存在也显著降低了纵向晃动力和俯仰力矩的峰值。因此，挡板设计是控制和预测流体晃动行为的重要考虑因素。
本文针对有挡板和无挡板水箱两种情况，提出了流体晃动行为建模的概念。对40升燃油容量的油箱进行了几何分析。
液体晃动的建模
部分充液罐内的流体在纵向加速度场作用下的流动可以看作是由空气和液相组成的两相流动。不可压缩液体的运动可以用动量守恒和质量守恒方程[3]来表示。假设流体由于突然减速而产生的晃动发生在相对较低的速度下，则将三维流动视为层流。对于定粘度液体流动，在惯性笛卡尔坐标系下流体流动的控制方程可表示为:
（1）
（2）
（3）
（4）
u, v和w是液体沿着x, y, z方向的分速度, P是流体压力,υ液体的运动粘度,g (x), g (y)和g (z)单元体力沿着x, y, z方向,分别代表纵向加速度作用,和液体质量。
在动量守恒和质量守恒方程的公式中假定了一个均匀的体力场，并结合适当的边界条件进行求解，计算了流域内作为时间和空间函数的速度分量和压力分布。假设水槽被刚性壁包围，这使得垂直于壁的速度分量在边界处为零，这意味着无滑移边界条件。
自由表面在每个时间步长时的变形可以被推导出来，假设无旋转流动，在自由表面没有粒子的水平位移，这导致了如下形式的运动学限制
（5）
式中η为自由面相对于其平均位置的位移。
在VOF模型中，流体共享一组动量方程。确定了流体介质的界面位置。
几何和网格生成
本文所采用的油箱计算域为40升，我们对两种油箱几何形状内部产生的晃动效应进行建模，如图1所示。使用CATIA-V5软件生成了油箱的3D-CAD模型。内部自由表面流域的网格生成使用Ansys-ICEM进行，如图2所示。流域上生成的网格由表1中指定的网格单元组成。本文的主要目的是证明在油箱内使用挡板的好处，以减少晃动的影响。
图1 油箱几何形状(a)无挡板(b)有挡板
这里考虑了两种情况。第一个案例涉及常规或默认的油箱几何尺寸(700mm × 300mm × 190mm)，容量约为40升。第二种情况由一个类似的油箱几何形状组成，油箱的内部部分有可以忽略不计的厚度挡板(如图1所示)。在这两种情况下，域被分为两个域，即空气域和汽油域。两个域的交点的特征是存在一个界面。两个域的物质点必须分别定义。
在水箱壁面附近增加网格密度，以有效捕捉边界层内部的流动效应。另一方面，沿着空气和汽油区域的界面，网格应该更细(如图2所示)。这样做是为了确保准确解决流体特性的不利变化，如压力和速度通过界面区域
图2 结构网格(a)顶部部分(b)底部部分使用Ansys ICEM
表1 筛孔尺寸信息
流参数
网格采用Ansys-CFX软件进行求解。为了分析初始时间为0秒到2.5秒、间隔时间为0.05秒时油箱的晃动情况，进行了瞬态分析。建立了以网格变形为特征的空气和汽油两个独立区域。此外，两个域都是从静止状态初始化的，参考压力与大气压相同。最初，油箱内的低湍流水平约为1%。
表2 边界条件
两个域之间的域界面是采用GGI网格连接方法的一般连接流体-流体型界面。燃料箱总是在向下(负z方向)的重力作用下。在研究中考虑了k-epsilon湍流模型，因为它在晃动动力学应用中最相关。汽油域的底壁位移，壁面速度为14.815米/秒。因此，由于前面提到的域连接，跨单个壁的运动会引起整个域的运动。采用高阶分辨率平流格式和二阶反向欧拉瞬态离散方法进行离散。用之前获得的每一个时间步长初始化域，剩余收敛准则为10−10。
表3 后处理条件
结果和讨论
使用选定的网格尺寸分析每个罐配置的动态流体晃动模型，并考虑纵向(g =−9.81)加速度激励对两种罐几何形状的40%填充条件进行初步求解。
没有挡板的油箱模拟显示在界面处最大飞溅时间为1.5秒。汽油在界面处的运动如图3所示。
图3 最大飞溅捕获在1.5秒油箱几何没有挡板
比较表明，挡板的存在有助于降低纵向加速度激励下产生的侧向晃动力的峰值。流动可视化进一步说明，汽油在折流板油箱前端的沉降速度非常快，造成了如图4所示的晃动阻尼。
此外，结果表明，所提出的半圆孔板挡板提供了更好的晃动控制在纵向平面。考虑到罐体输送的负荷一般在50%以上，在罐体下半段采用半圆孔挡板可以更有效地控制负荷漂移，从而提高制动性能[6]。
图4 溅水在挡板存在时受到抑制
结论
与没有挡板的默认水箱相比，挡板的使用减少了飞溅量。此外，它使流动在本质上更加流线型，并限制流动保持在所需的汽油域内，如图5所示。
图5 速度由于挡板在罐内的流线分布
油箱内挡板的使用减小了由于沿纵向[7]晃动而引起的速度的剧烈变化。因此，与图6所示的默认油箱相比，速度值的变化范围非常小。
由于晃动模式为初步研究提供了直观的帮助，有助于进一步开展研究，分析现象。
同时，该研究也为今后优化油箱形状和油箱内挡板布置提供了思路。
图6 界面上的速度轮廓
参考文献
1. Wachowski C., Biermann J.W., Schala R.,“Approaches toanalyse and predict sloshnoise of vehicle fuel tanks”, RWTHAachen University,Acoustics Department, Aachen,Germany.
2. Partom I.S., “Application of the VOF methodto thesloshing of a fluid in apartially filled cylindrical container”,Int. J. Numer MethodsFluids, vol. 7, no. 6, pp. 535-550,1987.
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.
5. SYGULSKI Ryszard, “Liquid sloshing in baffledtanks”,XXIV Symposium Vibrationsin Physical Systems, Poznan -Bedlewo, May 12-15, 2010.
6. Kandasamy T., Rakheja S. and Ahmed A.K.W., AnAnalysis of Baffles Designsfor Limiting Fluid Slosh inPartly Filled Tank Trucks,The Open Transportation Journal,2010, 4, 23-32.
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
文献来源：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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