湯水清+陳家慶+劉美麗+侯燕

摘 要：車載加油油氣回收（Onboard Refueling Vapor Recovery，ORVR）是一種新近出現(xiàn)的加油油氣排放控制技術(shù)。為研究ORVR加油管的液封性能和機(jī)理，借助商業(yè)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件Ansys Fluent及后處理軟件Tecplot，建立三維加油管數(shù)值模擬模型，分析加油管內(nèi)部流場(chǎng)及汽油體積分布，討論了加油管直徑和加油速度對(duì)液封形成的影響，針對(duì)現(xiàn)有的加油管結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)嘗試，并對(duì)其液封性能進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，減小加油管直徑有利于液封形成，加油速度越大，形成液封所需的時(shí)間越短，所提出的新型結(jié)構(gòu)能夠快速形成有效液封。為國(guó)內(nèi)自主研發(fā)設(shè)計(jì)ORVR加油管奠定了一定的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：車載加油油氣回收；計(jì)算流體力學(xué)；加油管液封；氣液兩相流動(dòng)

中圖分類號(hào)： U464.136+.5文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.03.06

Abstract：To investigate the liquid seal performance and mechanism of the ORVR （On-board Refueling Vapor Recovery） filler pipe， with the help of commercial CFD（Computational Fluid Dynamics） software ANSYS FLUENT and post-processing software TECPLOT， a three-dimensional model of filler pipe was established. The flow field inside the filler pipe and gasoline volume distribution were analyzed， the impacts of the pipe diameter and filling velocity on liquid seal formation were discussed， an improved structure was proposed， and its performance of liquid seal was verified. The results demonstrate that reducing the diameter of the filler pipe is beneficial to forming a liquid seal. The greater the rate of fuel， the shorter the time required to form a liquid seal will be. The proposed improved structure is verified to be effective in the formation of a liquid seal. Generally speaking， this study laid a certain foundation for autonomous research and development of the ORVR filler pipe.

Keywords：on-board refueling vapor recovery ； computational fluid dynamics； filler pipe liquid seal； gas-liquid two phase flow

汽車蒸發(fā)排放產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)物（Volatile Organic Compounds，VOCs）不僅是大氣中VOCs的重要源頭之一，而且會(huì)造成巨大的能源損失[1-3]，僅加油過程的蒸發(fā)排放所造成的能源損失就占中國(guó)每年能源損失的0.26%[4]。隨著汽車排放標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)境保護(hù)法規(guī)日趨嚴(yán)格，基于機(jī)動(dòng)車加油油氣排放控制的ORVR系統(tǒng)逐漸受到人們的重視[5-8]。一般而言，ORVR系統(tǒng)借助加油過程中在加油管內(nèi)所形成的液封結(jié)構(gòu)，使揮發(fā)性油氣通過“加油管—燃油箱—活性碳罐—發(fā)動(dòng)機(jī)”的路徑被回收利用，而非通過加油口無(wú)組織地排放到車身之外或被回抽到地下儲(chǔ)油罐。加油管內(nèi)形成有效的液封結(jié)構(gòu)是ORVR系統(tǒng)得以正常工作的前提和保障，對(duì)其進(jìn)行分析研究和有效預(yù)測(cè)就顯得尤為重要。雖然汽車加油看似是一個(gè)很普通、很簡(jiǎn)單的過程，但從流體力學(xué)的角度來(lái)看卻非常復(fù)雜，涉及到三維瞬態(tài)流動(dòng)、相變、自由表面紊流和氣液兩相流動(dòng)。也正因其復(fù)雜性，目前可供參考的研究工作較少，研究手段也不外乎分為解析分析、試驗(yàn)測(cè)試和CFD數(shù)值模擬三大類。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，CFD數(shù)值模擬日益引起業(yè)界的關(guān)注。美國(guó)福特公司的Stoneman等最早于1997年利用CFD數(shù)值模擬手段研究了加油管內(nèi)徑對(duì)汽油流動(dòng)的影響，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了CFD數(shù)值模擬的可靠性[9-10]。隨后美國(guó)Missouri-Rolla大學(xué)的Banerjee等于2001年針對(duì)汽車加油管中的流動(dòng)進(jìn)行了可視化觀測(cè)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，通過流動(dòng)可視化手段，觀察得到了加油管中旋流、卷吸和混合等氣液兩相流動(dòng)特征，并且強(qiáng)調(diào)了CFD在加油管分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的重要作用[11-13]。加拿大溫莎大學(xué)的Gary M. Rankin教授課題組于2002年針對(duì)燃油系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，證明了借助數(shù)值模擬手段可以更加深刻地理解加油過程的本質(zhì)，其結(jié)果與試驗(yàn)研究結(jié)果相吻合[14-15]。相比之下，國(guó)內(nèi)在這方面的研究工作起步較晚，直到2008年才有少數(shù)研究人員針對(duì)加油過程中燃油箱系統(tǒng)的燃油流動(dòng)問題進(jìn)行了相關(guān)CFD數(shù)值模擬研究。張杰山等提出了防止加油槍提早跳槍和燃油反噴的相關(guān)改進(jìn)設(shè)計(jì)[16-18]。北京石油化工學(xué)院陳家慶教授等于2011年對(duì)機(jī)動(dòng)車加油過程中氣液兩相流動(dòng)特性進(jìn)行了CFD數(shù)值模擬，得出了油箱內(nèi)液面的波動(dòng)情況、氣相空間壓力變化等，但其采用的是二維模型，且未考慮加油管的空間扭曲布局，與工程實(shí)踐存在一定差距[19-20]。江蘇大學(xué)何仁教授等于2014年對(duì)加油過程進(jìn)行了仿真計(jì)算，將Ansys Fluent軟件應(yīng)用于ORVR系統(tǒng)自液封加油管設(shè)計(jì)，但其研究?jī)H從仿真云圖對(duì)有無(wú)液封的形成進(jìn)行了定性分析，未對(duì)汽油的流動(dòng)及液封形成機(jī)理進(jìn)行深入研究[21]。

本研究借助商業(yè)CFD數(shù)值模擬軟件Ansys Fluent，

針對(duì)不同內(nèi)徑加油管在不同加油速度情況下的液封性能進(jìn)行數(shù)值模擬，分析研究了加油管內(nèi)徑和加油速度對(duì)液封性能的影響，同時(shí)提出了一種促進(jìn)液封形成的新型結(jié)構(gòu)，旨在為國(guó)內(nèi)自主設(shè)計(jì)研發(fā)ORVR液封加油管提供一定的參考。

1 模型介紹

1.1 數(shù)學(xué)模型

1.1.1 多相流模型

加油管中的流動(dòng)是氣液兩相湍流流動(dòng)。Ansys Fluent軟件中提供的多相流模型包括流體體積模型（Volume of Fluid Model，VOF）、歐拉模型（Eulerian Model）和混合模型（Mixture Mode）。其中VOF模型是一種在固定歐拉網(wǎng)格下的表面跟蹤方法，通過求解單獨(dú)的動(dòng)量方程和處理穿過流體區(qū)域每一流體的體積分?jǐn)?shù)來(lái)模擬兩種或三種不相溶的流體，適用于分層流、自由面流動(dòng)、灌注、晃動(dòng)、液體中大氣泡的流動(dòng)、水壩決堤時(shí)的水流以及對(duì)噴射衰竭（表面張力）的預(yù)測(cè)等場(chǎng)合，并且能夠明確地鑒定氣液兩相的界面，因此非常適用于計(jì)算汽車的加油過程[13， 22-23]。在VOF模型中，氣相和液相共用一套動(dòng)量方程，計(jì)算時(shí)在全流場(chǎng)的每個(gè)計(jì)算單元內(nèi)都記錄下各流體組分所占有的體積率。兩相互不相溶、不可壓縮流體的體積平均質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程分別為：

1.1.2 湍流模型

在CFD分析中最重要的環(huán)節(jié)之一就是湍流模型的選擇。在Ansys Fluent中提供的湍流模型有標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型及其變型RNG k-ε模型、雷諾應(yīng)力模型（Reynolds Stress Model，RSM）和大渦模擬（Large Eddy Simulation，LES）模型。k-ε模型是目前使用最廣泛的湍流模型，RNG k-ε模型中使用的常量是在各向同性的湍流中應(yīng)用統(tǒng)計(jì)原則和重整化群理論（Renormalization-Group Theory，RNG）得到，RNG k-ε模型在ε方程中增加了一個(gè)條件以考慮湍流漩渦，能夠更好地預(yù)測(cè)漩渦的形成，提高了計(jì)算精度。RSM模型中需要單獨(dú)求解所有的雷諾應(yīng)力張量項(xiàng)，對(duì)于本文研究的三維流動(dòng)需要額外求解另外七個(gè)方程，使計(jì)算時(shí)間增加。Fluent中提供的多相流模型不支持LES湍流模型，故本文采用RNG k-ε模型，動(dòng)能方程和能量耗散方程分別為[25]：

1.2 幾何模型

某代表性車型的非ORVR汽車燃油系統(tǒng)如圖1所示，主要由燃油箱、加油管、活性炭罐、通風(fēng)管路等組成。加油時(shí)汽油從加油槍管口噴射流出，以一定的速度進(jìn)入加油管，在加油管喉管處汽油與通風(fēng)管處的汽油蒸氣混合，并伴隨有空氣的卷吸與汽油的相變，氣液兩相混合物在重力的作用下流入燃油箱中。鑒于ORVR系統(tǒng)要求加油管能夠在其內(nèi)部某處完全充滿汽油以形成液體密封，從而使油氣只能被燃油帶入燃油箱內(nèi)，因此本研究以其為原型，對(duì)加油管結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)改變和簡(jiǎn)化，得到如圖2所示的加油過程數(shù)值模擬研究用幾何模型[9]。圖中加油管入口根據(jù)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上普遍使用的加油槍噴嘴直徑設(shè)計(jì)為D20 mm[26]，入口到第三拐角間的管道軸線位于一個(gè)平面內(nèi)，第二拐角與第三拐角間的直段管保持水平，第三拐角到出口間的管道軸線與水平面成36°，各個(gè)拐角的角度依次設(shè)計(jì)為44°、80°、20°和60°，加油管的直徑D28 mm，汽油從加油管入口注入系統(tǒng)，并沿著加注管流向加油管第一個(gè)拐角處，在重力作用下順流而下，依次流過第二至第四拐角，最后注入燃油箱。

1.3 邊界條件及求解器設(shè)置

本文將邊界條件設(shè)置為速度入口（Velocity Inlet）和壓力出口（Pressure Outlet），對(duì)控制方程采用有限體積法進(jìn)行離散，在Ansys Fluent中提供的離散方法有半隱式連接壓力方程算法（Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations，SIMPLE）、SIMPLEC（SIMPLE-Consistent）、壓力隱式分裂算法

（Pressure Implicit Split Operator，PISO）和COUPLED算法。因?yàn)镻ISO算法在傳統(tǒng)SIMPLE算法的每一時(shí)間步添加了多步校正的算法，其在每一時(shí)間步計(jì)算精度高于SIMPLE算法，能夠獲得更準(zhǔn)確的速度和壓強(qiáng)值，并且可以加快收斂速度，因此，本研究采用PISO算法求解。此外，本研究利用PRESTO算法對(duì)壓力方程進(jìn)行離散化，Second Order Upwind算法對(duì)動(dòng)量方程進(jìn)行差分，體積分?jǐn)?shù)、湍動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散率采用QUICK算法[19]。計(jì)算材料設(shè)置為空氣和汽油，其中，空氣的密度為1.225 kg/m3，粘度為1.789 4×10-5 （kg·m-1·s-1）；汽油的密度為720 kg/m3，粘度為5.4×10-4 （kg·m-1·s-1），暫不考慮汽油的揮發(fā)或氣液傳質(zhì)現(xiàn)象。

2 數(shù)值求解

2.1 網(wǎng)格劃分與獨(dú)立性驗(yàn)證

在數(shù)值模擬計(jì)算中，網(wǎng)格質(zhì)量直接決定計(jì)算精度和效率，因此，首先要確定計(jì)算所用網(wǎng)格的網(wǎng)格數(shù)量與計(jì)算結(jié)果之間的無(wú)關(guān)聯(lián)性，即要進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)聯(lián)性驗(yàn)證。本文全部采用精度最高的六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，采用相同的網(wǎng)格劃分方式，改變壁面邊界層厚度、入口段軸向網(wǎng)格疏密程度和加油管軸向網(wǎng)格尺寸大小，尤其是拐角和喉管等流動(dòng)變化劇烈區(qū)域的網(wǎng)格尺寸，劃分出四種不同數(shù)量的網(wǎng)格，其中網(wǎng)格數(shù)量為101萬(wàn)個(gè)時(shí)的加油管網(wǎng)格模型如圖3所示。在相同參數(shù)條件下對(duì)四種網(wǎng)格數(shù)量下迭代3 s內(nèi)管內(nèi)總體靜壓和質(zhì)量加權(quán)平均速度隨時(shí)間的變化情況進(jìn)行計(jì)算比較，結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)從101萬(wàn)個(gè)增加至112萬(wàn)個(gè)時(shí)，靜壓和速度的變化很小，說明112萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響很小，因而認(rèn)為101萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格數(shù)已經(jīng)可以保證足夠的計(jì)算精度。

2.2 非ORVR車輛加油管內(nèi)流動(dòng)情況的分析

通過模擬非ORVR車輛加油過程中汽油的流動(dòng)情況來(lái)驗(yàn)證本模型的可靠性，相關(guān)參數(shù)設(shè)置為：加油管內(nèi)徑28 mm，加油速度2 m/s（對(duì)應(yīng)的流量為37.68 L/min），加油管入口周圍的油帽部分與大氣聯(lián)通，相對(duì)壓力為0?？紤]到加油管和燃油箱中空氣和油氣的阻力，加油管出口的相對(duì)壓力為30 Pa[14]。圖5給出了利用Tecplot軟件截取的加油管入口到第三拐角間在加油過程中4個(gè)特定時(shí)刻汽油體積分?jǐn)?shù)的云圖。由圖5可知，在t0.2 s時(shí)汽油從加油槍管口噴射流出，碰到加油管壁面后一部分碰撞反彈，一部分沿管壁下流，在t1 s時(shí)，管內(nèi)汽油呈強(qiáng)湍流流動(dòng)狀態(tài)，伴隨有碰撞、旋流等現(xiàn)象，在t3 s以后，管中汽油開始累積，整體流動(dòng)趨于穩(wěn)定，但沒有全部充滿加油管的內(nèi)徑。圖6給出了加油過程中前10 s內(nèi)第二拐角與第三拐角間加油管徑向截面處的汽油與空氣混合物的密度、速度、靜壓及汽油體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化曲線。由圖6可知，由于汽油在第一拐角和第二拐角間經(jīng)過垂直加速后突然改變方向，在第二拐角處產(chǎn)生強(qiáng)烈的能量耗散，速度迅速減小，在前3 s內(nèi)管內(nèi)的靜壓受強(qiáng)湍流流動(dòng)影響而變化劇烈，在3 s后加油管內(nèi)的流場(chǎng)趨于穩(wěn)定，非ORVR汽車加油管在加油過程中汽油充滿量在80%以下，不能形成有效液封。汽油在加油管中出現(xiàn)的噴濺、碰撞、旋流等現(xiàn)象符合流體動(dòng)力學(xué)的規(guī)律，并且與機(jī)動(dòng)車加油過程的特性基本吻合，因此可以認(rèn)為本模型可靠。

3 結(jié)果與討論

汽車在加油過程中，因?yàn)榧佑凸艿慕Y(jié)構(gòu)被車身環(huán)境所限制，所以主要是在規(guī)范要求的加油流量范圍內(nèi)，通過控制加油管的內(nèi)徑來(lái)實(shí)現(xiàn)液封這一性能要求，當(dāng)加油管橫截面的汽油體積分?jǐn)?shù)大于95%時(shí)視為能夠形成液封。

3.1 加油管直徑的影響

圖7給出了五種不同內(nèi)徑的加油管在入口加油速度均為2.5 m/s、加油時(shí)間為5 s時(shí)的汽油體積分布云圖。圖8給出了五種不同內(nèi)徑加油管的監(jiān)測(cè)橫截面汽油體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化曲線。由圖可知，加油過程經(jīng)過5 s后，內(nèi)徑D20 mm的加油管中幾乎全部充滿汽油，由于管徑過小，在加油冒段處（圖7中A處）出現(xiàn)汽油回濺現(xiàn)象，可能導(dǎo)致加油槍提早跳槍，使加油過程停止；內(nèi)徑D25 mm的加油管中第三拐角與第四拐角之間形成大段的液封區(qū)域，從橫截面汽油體積分?jǐn)?shù)云圖可以看出，管內(nèi)完全充滿汽油；內(nèi)徑為28 mm、32 mm和36 mm的三種加油管中沒有出現(xiàn)完全充滿汽油的區(qū)域，并且隨著加油過程的進(jìn)行，汽油的體積分?jǐn)?shù)都在80%以下，不能形成有效液封。

3.2 加油速度的影響

根據(jù)GB 50156—2012《汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》，汽油加油槍汽油的流量不應(yīng)大于50 L/min，流速不應(yīng)大于4.5 m/s。在本研究中，加油入口直徑為20 mm，換算得到最大速度不超過2.65 m/s。

圖9給出了直徑為25 mm的加油管在加油速度分別為0.5 m/s、1 m/s、2 m/s、2.5 m/s條件下，經(jīng)CFD數(shù)值模擬分析得到的加油過程中加油管第二拐角和第三拐角之間汽油體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化曲線。由圖9可知，四種工況下汽油體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化曲線相似，在3 s后趨于穩(wěn)定，管內(nèi)的汽油體積占有率隨加油速度的增大而增大，加油速度為2 m/s和2.5 m/s時(shí)，在加油3 s后第二拐角與第三拐角之間的汽油體積分?jǐn)?shù)均大于95%，能夠形成有效液封；但當(dāng)加油速度為1 m/s和0.5 m/s時(shí)，管內(nèi)汽油體積分?jǐn)?shù)最高僅為85%和65%左右，不能形成有效液封。

3.3 促進(jìn)液封形成的嘗試

為了改進(jìn)現(xiàn)有車型加油管的設(shè)計(jì)，更有利于形成有效液封，特意嘗試在不改變加油管整體三維結(jié)構(gòu)和直徑的前提下，在第二拐角和第三拐角之間的加油管中設(shè)計(jì)一個(gè)阻流環(huán)，使加油管局部的流通直徑由28 mm減少至25 mm，如圖10所示。利用上文中相同的網(wǎng)格劃分方法和求解設(shè)置，對(duì)改進(jìn)后的物理模型進(jìn)行仿真模擬。當(dāng)入口邊界條件的速度為2 m/s時(shí)，在1 s時(shí)從入口到阻流環(huán)處的汽油體積分布云圖如圖11所示。由圖11可知，由于流道變窄，汽油在阻流環(huán)上游處強(qiáng)制性收聚匯集，形成液封。改變?nèi)肟诘募佑退俣?，記錄阻流環(huán)處流道中的汽油體積分?jǐn)?shù)隨加油時(shí)間的變化，如圖12所示。由圖12可知，改進(jìn)后的模型在四種工況下汽油體積分?jǐn)?shù)的變化曲線趨勢(shì)相同，在低速加油時(shí)（v=1 m/s），管內(nèi)的汽油體積分?jǐn)?shù)達(dá)到95%所需時(shí)間為2 s，其余三種速度下均只需1 s，最后都能形成有效液封。加油速度越大，加油管中的汽油體積流率越大，形成液封所需的時(shí)間越短。圖13給出了直徑為28 mm的常規(guī)加油管與新型加油管在加油速度為2.5 m/s的工況下前3 s加油過程中管中的汽油體積分?jǐn)?shù)變化曲線。由圖13可知，新型加油管在常規(guī)加油管的基礎(chǔ)上大大提高了管中汽油的空間占有率（即體積分?jǐn)?shù)），能夠快速形成有效液封。

4 結(jié)論

基于Ansys Fluent數(shù)值模擬，對(duì)比分析了不同加油流量和不同加油管直徑對(duì)加油管中液封形成的影響，探討了一種有利于形成有效液封的新型加油管結(jié)構(gòu)，獲得主要結(jié)論如下。

（1）在加油管結(jié)構(gòu)保持不變的情況下，減少加油管內(nèi)徑和增大加油流量有利于液封形成。加油管內(nèi)徑越小，越易于形成液封。但加油管內(nèi)徑過小，將引起加油過程中燃油回濺，產(chǎn)生加油槍提早跳槍等負(fù)面影響。而當(dāng)加油管內(nèi)徑過大時(shí)，則使汽油無(wú)法充滿加油管，導(dǎo)致液封無(wú)法形成，較為合理的加油管內(nèi)徑為25 mm左右。

（2）與常規(guī)加油管相比，本文提出的新型加油管結(jié)構(gòu)不需要改變加油管的三維空間布局和直徑，并且能夠快速形成有效液封，為ORVR加油管設(shè)計(jì)提供了一種新思路。

（3）在汽車工業(yè)生產(chǎn)中，加油管設(shè)計(jì)主要基于純粹試驗(yàn)研究和工程師個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，由于影響參數(shù)眾多，這種方法會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高和生產(chǎn)周期較長(zhǎng)。利用本文所建立的CFD數(shù)值模擬方法，可有效降低加油管研發(fā)成本并縮短研發(fā)周期，值得推廣應(yīng)用。

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