何 仁，鄧曉析，丁 浩

基于二維非穩(wěn)態(tài)模型的ORVR加油特性的數(shù)值模擬?

何 仁，鄧曉析，丁 浩

(江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮(zhèn)江 212013)

為揭示車載加油蒸氣回收(ORVR)系統(tǒng)的加油特性，結合VOF模型和多孔介質模型，建立了二維非穩(wěn)態(tài)ORVR的數(shù)值模型，分析了加油速度、加油槍與加油管相對位置和加油管與油箱相對位置等因素對ORVR系統(tǒng)加油特性的影響規(guī)律。結果表明：加油速度v和加油管與油箱底部高度差H為影響加油平順性的主要因素；加油槍與加油管的夾角α、加油槍插入加油管的長度L和加油管與油箱垂向側壁的夾角β為影響加油平順性的一般因素。隨著v，H和L的增大，加油平順性下降；β為15°時，燃油波動最??；夾角α對油箱內燃油的波動影響不大，但對加油管口氣流的擾動有影響。

汽車；ORVR；數(shù)值模擬；加油特性；多孔介質模型；VOF模型

前言

汽油蒸氣的主要成分是碳氫化合物，過多的汽油蒸氣排放會導致低空臭氧的出現(xiàn)，這不僅污染環(huán)境，還會對人體的健康產生影響。為了減少汽車加油過程中產生的碳氫化合物，美國環(huán)保署規(guī)定，1998年后生產的汽車都必須加裝車載油氣回收裝置(onboard refueling vapor recovery system， ORVR)[1]，它可以回收再利用汽車加油過程中產生的汽油蒸氣。我國汽車排放法規(guī)日趨嚴格，輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段征求意見稿)提出，要對汽車加油過程產生的排放加以控制，ORVR系統(tǒng)可以回收汽車加油過程中產生的98%的汽油蒸氣[2]，因此，目前對 ORVR系統(tǒng)的研究顯得尤為重要。

ORVR系統(tǒng)主要包括：能夠在加油過程中形成液封的加油管，收集汽油蒸氣的活性碳罐，安裝在油箱和活性炭罐之間的油量限制排氣閥，裝載液體燃油的油箱。

汽車加油過程是一個瞬態(tài)、多相流并伴有質量傳遞的復雜過程，國內外學者對汽車加油過程多采用數(shù)值分析和仿真模擬的方法進行研究。文獻[3]中建立了油箱中燃油量、泵入燃油的雷德蒸氣壓和溫度、加油方式(底部加油、頂部加油)與汽油蒸發(fā)排放關系的數(shù)學模型；文獻[4]和文獻[5]中根據(jù)傳質原理建立了加載ORVR系統(tǒng)的汽車加油排放的模型，討論了卷入空氣對汽車加油排放的影響；文獻[6]中提出了一種預測具有形狀不規(guī)則油箱的汽車加油蒸發(fā)排放的數(shù)學模型；文獻[7]中福特汽車公司最早利用流體仿真軟件進行加油過程的仿真，并通過實驗驗證仿真結果的可靠性；文獻[8]和文獻[9]中利用Fluent對燃油系統(tǒng)的關鍵部件包括加油管、油箱和活性炭罐進行仿真模擬；文獻[10]中利用Fluent模擬加油過程，討論了加油速度對油箱靜壓的影響，并分析了加油管內的回流現(xiàn)象；文獻[11]中利用STAR CCM+建立加油管模型，模擬加油管中的燃油流動，觀察不同形式的加油管是否出現(xiàn)回流而導致提前跳槍的現(xiàn)象；文獻[12]中利用STAR CCM+對汽車加油過程的跳槍和反噴現(xiàn)象進行分析并提出優(yōu)化方案；文獻[13]中利用Fluent對加油過程中加油管的液封現(xiàn)象進行模擬，得到形成液封的加油管的最佳尺寸；文獻[14]中對ORVR系統(tǒng)加油管液封性能進行數(shù)值模擬，設計了一種能形成液封的加油管?，F(xiàn)有研究都是針對ORVR系統(tǒng)中某個或者幾個部件進行分析，沒有建立完整ORVR系統(tǒng)。

本文中根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，進一步對裝有ORVR系統(tǒng)的汽車加油過程進行分析，建立加油管、活性炭罐、循環(huán)管和油箱為一體的整個ORVR系統(tǒng)模型，將加油過程中的加油速度、加油槍與加油管之間的相對位置、加油管與油箱的相對位置等影響條件納入模型研究，建立ORVR系統(tǒng)二維非穩(wěn)態(tài)計算模型，采用Fluent數(shù)值仿真軟件對多因素影響下的ORVR系統(tǒng)的加油過程展開研究，為今后ORVR系統(tǒng)的設計和應用提供依據(jù)。

1 計算模型

1.1 幾何模型

本文中所建立的ORVR系統(tǒng)模型包括活性炭罐、加油管、油箱、回氣管、通氣管和加油槍噴嘴，如圖1所示。設本模型的油箱容積為72L，將油箱簡化為一個長方體，長寬高分別為A，B和HF，回氣管直徑為d，加油管與燃油箱之間的夾角為β，加油槍插入加油管口長度為L，加油槍與加油管之間夾角為α，加油管相對于油箱底邊的高度為H，簡化后模型的具體尺寸如表1所示。

圖1 ORVR系統(tǒng)模型示意圖

表1 簡化后的ORVR系統(tǒng)模型尺寸參數(shù)

1.2 數(shù)值模型

ORVR系統(tǒng)的加油過程涉及到非穩(wěn)態(tài)、多相流、湍流并伴隨著氣液傳質等多種物理和化學現(xiàn)象，而空氣的卷入、氣液界面上的質量傳遞等因素使得CFD數(shù)值模擬工作非常復雜?？紤]到實際加油過程的復雜性，本文中的仿真過程基于如下假設：

(1)加油前油箱、加油管和回氣管內充滿油氣；

(2)加油前炭罐里沒有殘留的油氣；

(3)整個模型恒溫，各部件之間不存在熱量傳遞；

(4)整個加油過程中，液體汽油和油氣的密度、黏性不變；

(5)不考慮空氣和燃油的自然對流。

1.2.1 多孔介質區(qū)域控制方程

ORVR系統(tǒng)中，活性炭罐的吸附作用主要取決于內部填充的活性炭，對于活性炭罐內流場的模擬，最重要的就是對填充活性炭的部分進行數(shù)值模擬。其中填充的活性炭是由貫通的孔隙材料組成，是一種多孔介質材料[15]。Fluent中的多孔介質模型就是在該區(qū)域采用經驗流動阻力值，實際上，這個模型只是在控制方程的基礎上增加了源項，而這個源項由兩部分組成：黏性損失和內部損失。這種動量源項使多孔介質區(qū)域產生壓力梯度[16]?？刂品匠倘缦?。

動量方程：

黏性阻力系數(shù)：

式中：ρ為流體密度，kg/m3；u 為速度矢量，m/s；t為自變量時間，s；xi為笛卡爾坐標系中空間自變量，m；p 為壓力，Pa；τij為應力張量，N/m2；gi為 i方向的重力加速度，m/s2；ρs為填充活性炭的表觀密度，g/cm3；q為吸附量，g；Si為物質在 i方向上的動量源項，kg/(m2.s2)；μ 為動力學黏度，Pa.S；δij為克羅內克函數(shù)；1/α為黏性阻力系數(shù)，m-2；C2為慣性阻力系數(shù)，m-1；｜v｜為速度的數(shù)值，m/s；ε 為孔隙率；Dp為平均粒子直徑，m；i表示坐標軸x，y或z對應的方向；j表示變量在笛卡爾坐標系中的方向。

1.2.2 流體區(qū)域控制方程

ORVR系統(tǒng)中，除了活性炭罐所在區(qū)域，其他均設為流體區(qū)域(包括液體汽油所在液體區(qū)域和汽油蒸氣所在氣體區(qū)域)。Fluent模型包括Mixture，Eulerian和VOF。其中，VOF模型適用于不可壓縮流體的瞬態(tài)流動，其可以追蹤流體流動的自由表面，因此適用于本文中的加油過程研究?？刂品匠蘙8]如下。

連續(xù)方程：

式中：αq為物質q的體積分數(shù)；Sαq為質量傳遞源項。本文中不考慮質量傳遞過程，因此：

當αq＝0時，表示單元內沒有 q物質；當αq＝1時，表示單元內充滿q物質；當0＜αq＜1時，表示單元內部分填充q物質。

動量方程

式中Fj為基于黏度損耗的源項，kg/(m2.s2)。

1.2.3 湍流模型

在CFD分析中選擇合適的湍流模型非常重要，F(xiàn)luent中提供的湍流模型包括 Spalart-Allmaras模型、標準 k-ε模型、RNG k-ε模型、RSM 模型和 LES模型，考慮到RNG k-ε模型與急彎度、高湍流度情況下的試驗結果更一致，因此本研究選擇RNG k-ε模型，其控制方程[8]如下。

動量方程：

其中：

式中：k 為湍動能，J；μt為湍流黏度，Pa.s；Gk為平均速度梯度產生的湍動能，J；Gb為浮力產生的湍動能，J；ε為湍流耗散率；YM為流體壓縮后產生的能量損耗，J；為擴散速率方程模型系數(shù)；Ωij旋轉張量平均速率，s-1；常量 σk＝ 0.72，C1ε＝ 1.42，Cμ＝0.0845，C2ε＝ 1.42，η0＝4.38，β ＝ 0.012。 考慮到本文中仿真系統(tǒng)是恒溫系統(tǒng)，且流體為不可壓縮流體，因此Gb和YM忽略不計。

1.3 邊界條件

具體設置如下：

(1)加油槍入口處設置為速度入口：速度為加油槍加油速度，速度入口處液態(tài)汽油的體積百分比設為1，本文中模型設置湍流強度5%，水利直徑對應加油槍直徑為17mm；

(2)加油管入口處設定為壓力入口：該壓力為大氣壓，對應的湍流強度為5%，湍流黏度比為10；

(3)活性炭罐通大氣口設定為壓力出口：該壓力也為大氣壓，對應的湍流強度為5%，水利直徑對應活性炭罐通大氣口直徑為15mm；

(4)其他邊界均設為壁面。

1.4 數(shù)值模擬方法

本文中采用ICEM CFD 15.0進行非結構網格劃分，采用四邊形網格，并對加油管、通氣管和活性炭罐等關鍵部位進行網格加密，共得到網格26 611個，如圖2所示。

圖2 ORVR系統(tǒng)的網格劃分示意圖

采用Fluent15.0軟件針對ORVR系統(tǒng)的加油過程特性進行二維數(shù)值仿真和分析。該模型為二維非穩(wěn)態(tài)湍流模型，采用隱式算法進行求解。計算方法采用壓力速度耦合算法中的SIMPLE；壓力差值采用PRESTO，其對具有高渦流數(shù)和多扭轉區(qū)域的計算非常適合，適用于ORVR系統(tǒng)的加油過程；體積分數(shù)方程采用 Geo-reconstruct；湍流方程采用1階迎風格式。殘差值設置為10-5，計算時間步長為0.001s，每步長迭代20次，迭代步數(shù)為105。

1.5 模型驗證

本文中的兩相流物理性質如表2所示。

表2 兩相流物理性質

入口速度根據(jù)加油槍的流速來確定：

式中：v為Fluent中設置的入口速度，m/s；Q為加油槍流速，L/min；S為加油槍橫截面積，m2；Dg為加油槍直徑，取17mm。ORVR加油流速為15.1～37.8L/min[17]，代入式(16)計算得到對應的入口速度為1.1～2.8m/s。

依據(jù)前文介紹的模型和算法，對建立的ORVR系統(tǒng)進行數(shù)值模擬。圖3～圖6分別為v＝1.1m/s，t＝5.0s時，ORVR系統(tǒng)的壓力場等值線圖、汽油體積分數(shù)云圖、流場流線圖和湍流動能等值線圖。從圖中可以看到：活性炭罐內壓力呈現(xiàn)梯度變化，這是由多孔介質材料的性質決定的；在加油管燃油流入油箱處有負壓出現(xiàn)，這是由于燃油的快速流動導致的；加油管和油箱內的燃油出現(xiàn)較大的波動，燃油波動過大會影響加油過程的平順性，且嚴重情況下會有液體汽油飛濺進入活性炭罐內，影響活性炭罐的使用性能和壽命。

圖3 壓力場的等值線

圖4 汽油體積分數(shù)云圖

圖5 ORVR流場流線

圖6 湍流動能等值線

圖7 為活性炭罐壓力場等值線圖，進口壓力為0.808kPa，出口壓力為0.032kPa，則進出口壓力差為0.776kPa。國家環(huán)保部標準HJ/T 390—2007《汽油車燃油蒸發(fā)污染物控制系統(tǒng)(裝置)》中規(guī)定，污染物控制裝置進出口壓力差不得超過0.98kPa[18]，因此，本模型中活性炭罐吸附過程的壓降滿足標準規(guī)定。圖8為“U型”炭罐內流場流線圖，圖中顯示炭罐內部流線分布均勻，且?guī)缀醴植加谡麄€炭罐，活性炭利用率高，可見“U型”炭罐可以很好地滿足ORVR系統(tǒng)的使用性能。

圖7 活性炭罐壓力場等值線

圖8 炭罐內流線

以上分析結果表明，F(xiàn)luent能夠模擬ORVR系統(tǒng)的加油過程中油箱內液面波動的情況和活性炭罐內的壓降變化，不僅符合流體力學的規(guī)律，而且基本與汽車加油過程的特征相吻合，因此可認為本模型是可靠的。下文將以此模型為基礎對影響ORVR系統(tǒng)加油特性的參數(shù)進行分析。

2 仿真結果分析

2.1 ORVR系統(tǒng)加油特性影響因素

2.1.1 加油速度

ORVR的加油速度為15.1～37.8L/min，分別對流速為15.1，27.2和37.8L/min(對應的入口速度為1.1，2和2.8m/s)的加油過程進行分析。在t＝2.5s時，3種速度下對應的體積分布圖如圖9所示。由圖可知：隨著加油速度的增加，油箱內燃油的波動增大，且加油管口氣流的擾動增大，因此加油速度為影響加油管加油平順性的主要因素；且隨著速度增加，部分液體汽油直接進入通氣管路和活性炭罐內，這會導致通氣管路阻塞，活性炭罐失效，因此加油速度也是影響油箱加油平順性的主要因素。

圖9 不同加油速度下汽油體積分數(shù)云圖

為了量化加油過程平順性的表示方法，本文中以圖1中的油箱底邊為參考，通過Fluent后處理得到底邊各處壓力值，分別計算不同速度下油箱底邊壓力方差隨時間的變化，以縱坐標壓力方差的大小表示油箱內燃油的波動程度，數(shù)值越小，表明燃油波動越小，加油過程越平穩(wěn)。

通過計算得到不同加油速度下，油箱底邊的方差隨時間的變化，如圖10所示。從圖中可以看到，隨著加油速度的增加，油箱中的燃油波動值增大，與上述通過體積分布云圖分析結果相一致，因此，下文均通過此方法來分析不同參數(shù)對加油平順性的影響。

圖10 不同速度下油箱底邊的壓力方差隨時間的變化

2.1.2 加油管與油箱的相對位置

(1)加油管與油箱的夾角β

因為本節(jié)只考慮加油管與油箱夾角β對加油過程的影響，所以對模型簡化后進行相應仿真模擬。圖 11 為 t＝0.8s，v＝2.5m/s，加油管與油箱之間的夾角 β 分別為 30°，60°，75°和 90°時，汽油體積分數(shù)云圖。

圖11 不同β下汽油體積分數(shù)云圖

通過計算得到不同夾角β下油箱底邊的壓力方差隨時間的變化，如圖12所示。在加油過程的前段時間，隨著夾角的增大，油箱內燃油的波動變化較大，但隨著加油過程的進行，加油過程均趨于平穩(wěn)，因此夾角β為影響油箱加油平順性的一般因素。

圖12 不同夾角β下油箱底邊的壓力方差隨時間的變化

(2)加油管與油箱底部高度差H

圖13和圖14分別為 t＝3.6s，v＝1.1m/s加油管與油箱底邊高度差分別為50，100，150和200mm時，汽油體積分數(shù)云圖和油箱底邊壓力方差圖。由圖可得：隨著H的增大，油箱內燃油的波動程度增大，油箱內更易出現(xiàn)擾流，因此H為影響加油管加油平順性的主要因素；且加油管口的液封高度增高，易引起燃油飛濺，因此H也為影響油箱加油平順性的主要因素。

圖13 不同H下汽油體積分數(shù)云圖

圖14 不同高度H下油箱底邊的壓力方差隨時間的變化

2.1.3 加油槍與加油管的相對位置

分析加油槍與加油管的相對位置對加油過程的影響，包括加油槍軸線與加油管軸線的夾角α和加油槍插入加油管的長度L。

(1)加油槍軸線與加油管軸線的夾角α

針對加油槍與加油管軸線的夾角分別為0°，15°和30°的模型進行加油模擬，得到當 t＝3.8s，v＝1.1m/s時，汽油體積分數(shù)云圖和加油管口流體速度矢量圖，如圖15和圖16所示。

圖15 不同α下汽油體積分數(shù)云圖

圖16 不同α下加油管口速度矢量圖

由圖15可知，夾角α對油箱內部燃油的波動影響不大，因此夾角α為影響油箱加油平順性的次要因素；由圖16可知，當夾角為15°時，加油管口的燃油擾動最小，最不易出現(xiàn)提前跳槍的情況。

從圖17可以看出：當α為0°時，壓力波動較小，即油箱內燃油波動較小；α值變化對加油管口氣流的擾動影響較為明顯，通過觀察可以看到，當α為0°和30°時，氣流擾動較為明顯，而當α為15°時，入口處擾動較小，加油管中燃油的流動最為平順。因此，加油槍軸線與加油管軸線的夾角α為影響加油管內加油平順性的主要因素。

圖17 不同α下油箱底邊的壓力方差隨時間的變化

(2)加油槍插入加油管長度L

針對L分別為50，75和100mm的模型進行加油模擬，得到不同加油槍插入加油管長度L下加油管入口速度矢量圖和油箱底邊的壓力方差隨時間的變化折線圖，如圖18和圖19所示。分析可得：隨著加油槍插入加油管長度的增加，油箱內燃油波動有所減小，加油管口氣流的擾動減小，即加油時卷入空氣量有所減少。因此L為影響油箱加油平順性的一般因素，為影響加油管加油平順性的主要因素。

圖18 不同L下加油管口速度矢量圖

2.2 小結

本文中對加油平順性的判別是通過分析油箱內燃油的波動程度和加油管處燃油的擾動程度這兩個因素，通過對上述結果進行分析和討論，得到不同因素對汽車加油平順性的影響程度，如表3所示，其中，“++”表示主要影響因素，“+”表示一般影響因素，“-”表示次要影響因素，“×”表示未分析。

圖19 不同L下油箱底邊的壓力方差隨時間的變化

表3 加油特性的影響因素

3 結論

(1)利用Fluent軟件建立了基于多孔介質和兩相流的非穩(wěn)態(tài)二維模型，可以模擬ORVR系統(tǒng)的加油過程，并對其加油特性進行分析。

(2)分析表明：加油速度v和加油管與油箱底部高度差H為影響加油平順性的主要因素；加油管與油箱的夾角β、加油槍插入加油管長度L、加油槍軸線和加油管軸線的夾角α為影響加油平順性的一般因素。

(3)隨著加油速度的增大，加油平順性減??；加油管與油箱的夾角β為15°時，燃油波動最??；隨著加油管與油箱底部高度差H和加油槍插入加油管長度L的增大，加油平順性減?。患佑蜆屳S線與加油管軸線的夾角α對油箱內燃油的波動影響不大，僅對加油管口氣流的擾動有影響。

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Numerical Simulation on the Refueling Characteristics of ORVR Based on Two-dimensional Unsteady Model

He Ren，Deng Xiaoxi＆ Ding Hao

School of Automobile and Traffic Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang 212013

To reveal the refueling characteristics of on-board refueling vapor recovery(ORVR)system，a two-dimensional unsteady numerical model for ORVR system is established，based on VOF model and porous media model.The influences of the system parameters， such as refueling velocity， relative position between filling gun and filler pipe and relative position between filler pipe and fuel tank on the refueling characteristics of ORVR system are analyzed.The results show that refueling velocity v and the height difference between the lower edge of filler pipe and the bottom of fuel tank H are the main factors affecting refueling smoothness，while the angle between the axes of filling gun and filler pipeα，the length of the part of filling gun inserted into filler pipe L and the angle between the axis of filler pipe and the vertical side wall of fuel tankβare only the ordinary influence factors.The refueling smoothness lowers with the increases of v，H and L，and when βis 15°fuel surface has minimum ripple.Angleα has little effect on fuel fluctuation in tank，but has certain influence on the airflow disturbance at the mouth of filler pipe.

vehicles； ORVR； numerical simulation； refueling characteristics； porous media model；VOF model

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.11.017

?江蘇省科技成果轉化項目(BA2016148)和江蘇省產學研合作前瞻性聯(lián)合研究項目(BY2015064-09)資助。原稿收到日期為2016年12月19日，修改稿收到日期為2017年1月9日。

何仁，教授，E-mail：heren1962＠ 163.com。