基于Fluent仿真的ORVR加油管液封设计_汪智

图1
模型 1 的燃油箱和加油管几何模型
油箱接口位 图 1 是根据某车型加油口位置、 置、 汽车底 盘 其 他 边 界 条 件 初 步 设 计 的 加 油 管 。 因为目前国内加油站加油枪流速范围为 30 L / min， 所以国内非 OＲVＲ 加油管内径一般为 28 36 cm。 带 有 OＲVＲ 系 统 的 汽 车 的 加 油 速 度 是 15. 9 37． 2 L / min， 故本模型中 OＲVＲ 加油管内 径初步设计为 28 mm。 OＲVＲ 加油管不需要传统 加油管上的排气管， 燃油箱内的汽油蒸气全部排 60
。之后， MissouriＲolla 大学的研究人员利
用 Fluent 软件对加油管的加油过程进行了仿真分
［3 ］
。Fluent 软件是目前流体仿真中的主流商用
18 重庆理工大学学报 向碳罐。 因 此， 与碳罐相连的排气管口径比非 OＲVＲ 加油管稍大， 本模型中设计为 20 mm。加油 枪口直径为 20 mm， 插入加油管内 62 mm。加油管 有 2 个弯道， 第 1 弯道的空间角度是 115ʎ ， 加油管 总长 890 mm。 1． 2 模型的网格划分 使用 ANSYS ICEM CFD 网格划分软件对模型 1 进行网格的划分。 ICEM CFD 能够划分质量非 常高的结构化网格。模型 1 的结构并不是十分复 杂， 因此先划分为 3D 六面体结构化网格， 然后转 成非 结 构 化 网 格 导 入 Fluent 中 所示。
统对加油管有特殊的功能要求， 要求在加油过程中形成液封。传统的加油管设计开发过程依靠 经验和试验， 周期长、 费用高。针对该问题使用 CFD 仿真软件 Fluent 对包括加油管和燃油箱的 模型的加油过程进行仿真计算， 使用 ICEM CFD 网格划分软件对 CATIA V5 软件建立的几何模 型进行网格划分， 然后在 Fluent 中使用 VOF 多相流模型和 ＲNG k － ε 模型， 在设置好相关边界 条件和求解条件后建立仿真模型 。在几何模型的计算结果不能满足要求时 ， 对几何模型进行了 多次改进， 使设计结果能够满足 OＲVＲ 系统的要求。提出的方法可为 OＲVＲ 加油管的设计开发 提供参考。 关 键 词： 加油管； 车载加油蒸气回收系统； 计算流体动力学 文献标识码： A 文章编号： 1674 － 8425 （ 2014 ） 02 － 0016 － 06 中图分类号： U463
收稿日期： 2013 － 07 － 22 基金项目： 江苏省汽车工程重点实验室开放基金资助项目 （ QC200503 ） 作者简介： 汪智（ 1989 —） ， 男， 安徽怀宁人， 硕士研究生， 主要从事汽车燃油系统方面的研究 。 J］ ． 重庆理工大学学报： 自然科学版， 2014 （ 2 ） ： 16 引用格式： 汪智， 何仁． 基于 Fluent 仿真的 OＲVＲ 加油管液封设计［ － 21． Citation format： WANG Zhi，HE Ｒen． Design of Liquid Seal Filler Pipe of the Onboard Ｒefueling Vapor Ｒecovery System Based on Fluent Simulation［ J］ ． Journal of Chongqing University of Technology： Natural Science， 2014 （ 2 ） ： 16 － 21．
［1 ］
软件， 可以对大部分 CFD 模型进行仿真分析。 在 设计过程中应用 Fluent 软件对模型进 行 仿 真 分 析， 能极大地降低设计过程中产生的试验验证成 本， 同时缩短开发周期。本文介绍了基于 FLUENT 软件的 OＲVＲ 系统的自液封加油管的设计过程。
1
1． 1
计算模型
几何模型 Fluent 流体仿真主要应 在加油管开发过程中，
［2 ］
用在加油管结构和形状的设计过程中。 OＲVＲ 系 统中取消了传统加油管中的排气管， 因此加油管 结构相对简单。 对于燃油箱可做简化， 只需要保 证加油管和燃油箱连接口的位置不改变。 OＲVＲ 系统燃油箱一般有 2 个排气阀： 一个是非 OＲVＲ 燃油箱也具有的重力阀； 一个是作为汽油蒸气主 要通道的油气阀。本模型中燃油箱与碳罐连接的 排气口被简 化 成 一 个 圆 柱 形 出 口。 在 仿 真 分 析 中， 所需要的只是燃油箱和加油管内部流场的几 何模型（ 模型 1 ） ， 如图 1 所示。
Design of Liquid Seal Filler Pipe of the Onboard Ｒefueling Vapor Ｒecovery System Based on Fluent Simulation
WANG Zhi，HE Ｒen
（ School of Automobile and Traffic Engineering ，Jiangsu University ，Zhenjiang 212003 ，China） Abstract ： （ OＲVＲ） system can reduce more than 90% emission of refueling vapor． The filler pipe of OＲVＲ system requires special functionality that liquid seal should be formed during refueling． Traditional design and development process of filler pipe relies on experience and tests，which needs longer cycle and higher cost． Ｒefueling process of filler pipe and fuel tank assembly is simulated by CFD software Fluent． Meshing the geometric model created by CATIA V5 with ICEM CFD，and then applying the VOF （ volume of fluid） model and ＲNG （ ＲeNormalization Group ） k － ε turbulence flow model in FLUNET，and setting boundary and solution conditions，the appropriate simulation model is established． At first，the result of simulation of the geometric model could not meet the requirement． After several improvements on the geometric model ，the final result would meet the requirement of
doi：2014． 02． 004
基于 Fluent 仿真的 OＲVＲ 加油管液封设计
汪 智， 何 仁
（ 江苏大学 汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212003 ） 摘 要： 车载加油蒸气回收系统（ OＲVＲ） 能减少 90% 以上的汽车加油油气排放。 OＲVＲ 系
图2 模型 1 的网格
［4 ］
Minimum face area （ m2 ） ： 1． 635 104 e － 07 Maximum face area （ m2 ） ： 2． 761472e － 04 模型的网格质量非常好， 完全能够 由此可见， 满足 Fluent 计算要求。 1． 3 1． 3． 1 仿真模型设定 模型设置 一般加油前， 燃油箱内底部会有一定量的汽 油液体， 液体之上是汽油蒸气。 本模型中假设燃 油箱内加油前全部充满汽油蒸气， 加油时加入的 汽油是 100% 的液体， 没有空气进入燃油箱， 燃油 箱内的汽油蒸气从排气口排向炭罐。 加油过程一 般仅 1 2 min， 因此可以假设整个模型在等温环
。2011 年美国加利福利亚州开始实施零
排放汽车（ ZEV） 计划， 而 OＲVＲ 系统是 ZEV 计划 中重要的一部分。 近年来， 随着国内空气质量的 恶化， 国内法规对汽车排放的要求也越来越严格， 许多学者和企业也开始研究和关注国外先进的排 放控 制 技 术， 其 中 OＲVＲ 技 术 更 是 得 到 学 界 的 重视。 OＲVＲ 系统与现有的燃油系统相比， 需要对 一些部件做出改进。 其中， 汽车加油管是重要的 一部分。OＲVＲ 系统要求在加油时， 加油管内必 须密封， 以阻止油箱内的汽油蒸气经过加油管从 加油口逃逸到大气中。 加油管密封主要有 2 种方 法： 机械密封和液封， 目标都是在加油过程中让汽 油在加油管内部形成一段液体密封， 使气体不能 通过。液封有 2 种形成方式： 第一是安装单向阀。 安装单向阀后， 加油时在单向阀上方会有一定的 汽油， 当汽油量达到一定值时， 才会打开单向阀； 第二是利用加油管自身在加油时产生液封。 利用 加油管的内径和结构， 在加油时使汽油在加油管 内部形成一 段 液 封。 这 种 液 封 不 需 要 使 用 单 向 阀， 不仅能降低成本， 而且能避免因单向阀的损坏 而造成的损失和危险。 在利用加油管的结构形成液封时， 目前主要 依靠多次试验的方法和设计工程师的经验来确定 加油管的结构， 因而会增加试验成本以及延长开 发周期。福特公司早在 1997 年就对汽车燃油系 统和加油管进行了数值仿真， 并将其引入设计过 程中 析
［5 ］
， 网格如图 2
境下进行， 各部分之间没有能量的交换
。
Fluent 中多相流模型中的 VOF 模型适用于分 层流、 自由面流动、 灌注、 晃动、 液体中大气泡的流 动等。在 VOF 模型中， 气液两相共用压力和速度 等体积 平 均 变 量， 因此本模型多相流模型使用 VOF 模型。Fluent 湍流模型中的 ＲNG k － ε 模型 适用于急转弯、 高湍流的情况。 考虑到加油速度