VirtualFlow | 汽车燃油箱液体晃动
采用通用流体仿真软件VirtualFlow软件Level Set方法对汽车燃油箱进行汽车刹车和加速过程中燃油晃动模拟，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。
Level Set界面追踪
对于油箱晃动的仿真计算，需要高精度的界面捕捉方法。目前主要有Volume of Fluid（VOF）方法和Level Set（LS）方法，以及一些衍生形式。
其中，VOF方法处理流动界面时依赖网格的细化程度，对复杂尖锐界面的模拟效果并不理想，但计算过程中满足质量守恒；Level Set方法处理复杂界面的能力强，其自由表面的追踪精度远高于VOF方法，但每一个时间步都要重新初始化LS函数，这会导致质量不守恒。
通用计算流体仿真软件VirtualFlow在算法上对Level Set方法进行优化，通过质量重新初始化方法对质量守恒进行修正，在捕捉液舱晃荡具有明显自由表面的界面流方面，具有独特优势。
Level Set方法属于欧拉框架下的界面捕捉方法，最早由Osher和Sethian提出，对处理复杂的拓扑结构具有优势。气液相界面运用较高维的LS函数的零等值轮廓表示。Level Set方法容易追踪界面，容易处理界面的断裂与合并，可以直接拓展到三维，并且曲率和法向矢量等易于计算。另外，距离函数本身是连续函数，对于连续函数的求解已经较为成熟，通过采用连续的距离函数对自由界面法向的求解精度高。
VirtualFlow 前处理
油箱内部有三个隔板，对燃油晃动起到缓冲作用。油箱内部及网格划分如下，总网格数约267万。
图1 油箱内部结构及网格划分
VIrtualFlow软件既可以计算刚体运动，也可以计算坐标系运动。这里通过计算坐标系运动来模拟柴油在油箱内做加减速运动。油箱晃动周期设置为2.5s，两相分别设置为空气和柴油。
VirtualFlow 计算结果
采用VirtualFlow软件计算汽车燃油箱液体晃动，结果如下：
图2 汽车燃油箱液面晃动
不同时刻的液面和压力结果如下：
图3 0.8s时液面和压力云图
图4 1.2s时液面和压力云图
图5 1.7s时液面和压力云图
图6 2.2s时液面和压力云图
可以看到，计算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。从上图的速度分布也可知，燃油通过隔板时候速度最大，可达1.3m/s，与现实中没有隔板的情况速度明显减小，所以燃油晃动的冲击很小，与预期效果相符。
通用流体仿真软件VirtualFlow可以很好的模拟出油箱晃动的液面波动效果，同时可得到预期的油箱晃动带来的冲击压力，有助于研发人员对汽车油箱的设计进行优化。
