积鼎CFD VirtualFlow：航空及汽车燃油晃动流体仿真计算及试验对比

燃油晃动，作为航空、航海及汽车工业中一个重要的物理现象，一直以来都受到广泛关注。在飞行器、船舶或汽车的运行过程中，由于外部扰动或内部燃料的消耗，油箱内的燃油会产生晃动。这种晃动不仅会影响燃油的供应稳定性，还可能对整体结构的安全性造成威胁。积鼎科技致力于在多相流，流体仿真（cfd），流体力学等研究中起到一定实用作用，VirtualFlow作为主要产品，具有极高的实用性，接下来我们将运用VirtualFlow来对具体问题进行分析。

图1 汽车储液罐内的液体晃动

为了更加准确地预测和控制燃油晃动现象，工程师们一直在寻求高效的数值模拟方法。而VirtualFlow，作为一款流体仿真软件，在该邻域拥有强大的潜力。

界面追踪模型

VirtualFlow拥有的Level Set模型可以很好地应用于燃油晃动领域。关于Level Set 方法，往期文章已做过介绍：界面追踪：Level Set 与 VOF

Level Set 方法通过距离函数直接追踪界面，而非VOF模型需要重构界面。因此，其优势在于界面拥有明确的定义，且可以很好地处理界面出现剧烈拓扑变化的情况（例如液面破碎、聚并等）。对于Level Set 方法可能带来的质量守恒性方面，VirtualFlow针对性采用Local+Global补偿修正，避免了早期LevelSet方法的质量守恒性较差的问题，解决了相体积不守恒的数值问题。总之，VirtualFlow软件提供的Level Set方法对于相界面的跟踪识别的优势是非常明显的，非常适用于燃油晃动这种存在大尺度界面的应用领域。

算例一：某型飞机油箱燃油晃动的分析算例

本节提供了VirtualFlow软件通过刚体运动功能实现的某型飞机油箱燃油晃动的分析算例，该飞机的油箱组成如图所示。

图2 飞机油箱组成

在该算例中，我们提取右侧的机翼油箱作为主要计算域。其尺寸如图所示。

图3 机翼油箱尺寸

如图所示，初始时刻，油箱内填充约一半的燃油（红色部分）。

图4 油箱初始状态

该算例的主要参数如下表所示：

下面给出了VirtualFlow软件计算得到的燃油晃动结果。通过VirtualFlow，用户可以轻松地获得晃动过程中油箱内的油面形态分布（左）以及燃油速度（右）等参数。

图5

用户还可以设定任意截面以获取其上的详细参数分布。

图6

此外，通过压力的积分，用户可以轻松提取燃油晃动对油箱壁面的冲击力

算例二：汽车刹车和加速过程中燃油箱晃动的数值模拟

汽车在刹车和加速过程中，油箱内的燃油将前后剧烈运动，燃油对油箱壁撞击所产生的压力影响到整个燃油系统的稳定性，此外，燃油与油箱外壳或其他内部零件碰撞产生额外的振动噪声危害行车安全。本节提供了某型油箱在汽车刹车和加速过程中燃油箱晃动的数值模拟研究。通过该算例可以得到燃油晃动过程中油箱壁的压力变化以及燃油液面晃动情况，为油箱优化设计提供理论指导。

除了刚体运动外，通过VirtualFlow的体积振荡力模块，用户也可以快速完成燃油晃动问题的分析。如图所示，体积振荡力模块支持用户自由设置晃动的频率、相位、幅值和起止时间等参数。该模块可以在固体静止的前提下将平移晃动力等效至流场内，从而避免了刚体运动可能带来的动网格问题并大幅降低了计算成本。

图8 体积振荡力模块

下图给出了汽车油箱的晃动算例的几何模型，该油箱通过隔板将油箱分为5个腔室。各腔室通过隔板上的孔洞相连。油箱的晃动频率为5 Hz，振幅为1.5 m，总计算时长为2.5 s。通过该算例，可以分析隔板对燃油晃动冲击力的降低效果。

图9 汽车油箱内部结构

下面给出了上述油箱的燃油晃动结果。可以看出，VirtualFlow软件可以很好的模拟出油箱晃动的液面波动效果和隔板孔洞之间的流动。此外，对于燃油的贴壁流动，本软件也可以较好地计算。

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图8给出了0.8 s时，燃油箱内部的压力和速度结果，结果中液面波动对壁面的压力冲击不太明显，这主要是因为有油箱设计了三道隔板，大幅的减小了燃油晃动的冲击力。从速度分布图也可知，燃油通过隔板时最大速度仅为1.3 m/s。因此，燃油晃动的冲击很小，说明隔板对冲击力起到了很好的降低效果。

图11 0.8s燃油箱内部压力（左侧）和速度（右侧）

实验验证

本节通过与某油箱晃动实验的对比，验证了VirtualFlow软件计算精度。该实验来自于马德里理工大学的晃动实验室（http://canal.etsin.upm.es/archives/2276/laboratorio-de-sloshing/?lang=en）。

下面给出了不同时刻实验摄影图和计算结果的对比。总体上，在相同的输入条件下，VirtualFlow软件能较好地还原油面形状，计算精度较高。

图12

结 论

通过上述案例介绍，我们可以看出VirtualFlow软件在燃油晃动模拟方面展现出了卓越的适用性。无论是对于简单的燃油晃动现象，还是对于复杂的、涉及多种物理效应的晃动问题，该软件都能够提供稳定、可靠的解决方案。综上所述，VirtualFlow软件在燃油晃动领域的应用具有广阔的前景和巨大的潜力。我们期待该软件在未来能够为燃油晃动及相关领域的研究和应用带来更多的创新和突破。

审核编辑 黄宇