CN108681624A - 一种基于fluent软件的新结构油箱晃动仿真方法 - Google Patents

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杨图旺
吕梦杨
倪润宇
邓俊
李理光
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Abstract

本发明涉及一种基于fluent软件的新结构油箱晃动仿真方法，具体为：一、构建自定义函数UDF；二、建立油箱模型；三、划分网格；四、将msh文件导入到fluent软件中；五、检测网格；六、设定单位；七、选择正确模拟油箱晃动的模型；八、导入自定义函数UDF；九、设置材料属性；十、相选择；十一、域条件设置；十二、设置边界条件；十三、求解法的选择；十四、边界初始化并设置迭代参数；十五、后处理及结果分析。本发明解决现有静态仿真只能检验在恒定加速度下油箱吸油情况，无法模拟在交变加速度下油液的晃动从而校核吸油的问题，适用于油箱晃动仿真数值模拟。

Description

一种基于fluent软件的新结构油箱晃动仿真方法
技术领域
本发明涉及一种仿真方法，尤其是涉及一种基于fluent软件的新结构油箱晃动仿真方法。
背景技术
随着技术的不断发展，燃油机的油箱日益趋于轻量化、高燃油利用率、持续稳定吸油等。挡板和单向门等内置件应运而生，挡板疏导油液，单向门将油液分隔，形成独特的小油室，再配上适合的外形，达到所需的设计目标。目前对油箱外形及内置件设计通常采用静态仿真方法模拟，但现有的静态仿真只能检验在恒定加速度下油箱吸油情况，无法模拟在交变加速度下油液的晃动从而校核吸油的问题，无法对油箱外形及内置件的设计提供准确指导。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种基于fluent软件的新结构油箱晃动仿真方法，从而对油箱外形及内置件设计提供指导。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一、构建自定义函数UDF：
(1)根据数据采集软件得到车辆实际加速度的变化曲线，构建油箱的加速度随时间变化的自定义函数；
(2)根据单向门的性质运动情况，构建包含单向门的质量、转动惯量以及平动转动自由度的6DOF自定义函数；
(3)根据单向门的碰撞特性，构建单向门碰撞的接触检测(contact detection)自定义函数；
二、建立油箱模型，以确定最终制造的油箱模型：利用catia软件进行建模；
三、利用ICEM软件划分网格，根据最终制造的油箱模型的结构特点，设置边界条件，选取网格类型划分网格，输出msh文件；
四、打开fluent软件，将msh文件导入到fluent软件中；
五、检测网格，以检测步骤三中划分的网格是否正确；
六、设定单位：根据最终制造的油箱的真实尺寸设定单位；
七、选择正确模拟油箱晃动的模型：选用多相流模型中的VOF模型，湍流模型中的k-epsilon Realizable模型和动网格模型；
八、导入自定义函数UDF，真实模拟油箱晃动过程：依次导入加速度自定义函数，6DOF自定义函数和contact detection自定义函数；
九、设置材料属性：根据实际物体测量参数设置空气属性和汽油属性；
十、相选择，以真实模拟油箱晃动：在相里设置第一相为空气，第二相为汽油；
十一、域条件设置，设置油箱内部区域的形态：在域条件设置中，选择当前域为流体域；
十二、设置边界条件，在此预设才条件下进行模拟油箱晃动：根据模拟参数进行设定，对单向门进行定义时，分别定义旋转中心并分别调用不同的6DOF自定义函数；
十三、求解法的选择，确定求解精度：压力速度耦合选择PISO模式，梯度选项采用Green-Gauss Node-Based法，压力修正方程采用Body Force Weighted模式，选用modifiedHRIC离散策略，动量方程选择二阶迎风，其他方程的差分格式选择一阶迎风；
十四、边界初始化并设置迭代参数，进行计算；
十五、查看残差图，对速度和相体积分数的云图和矢量图进行结果分析，并生成动画进行分析，改变数模，优化得到最佳的布置形式及工艺参数。
进一步地，步骤三中计算网格单位数为1323418。
进一步地，步骤六中设定单位为mm。
进一步地，步骤七中所述的动网格模型选用扩散光顺和网格重构。
进一步地，步骤九中材料属性为密度和粘度。
进一步地，步骤十一中域条件设置为移动网格。
进一步地，步骤十二中边界条件设置为移动壁面。
进一步地，步骤十四中边界初始化标记了两项区域：根据油箱内的汽油量设置添加汽油的区域，并在初始化后将区域标记出。
进一步地，步骤十四中迭代参数的步长设置为0.001s，步数设置为10000。
进一步地，步骤十五中生成动画使用fluent软件中的solution playback功能。
本发明提供的油箱晃动仿真方法，能够高效率、低成本、快速获取最优的油箱模型，可模拟在交变加速度下油液的晃动从而校核吸油，对油箱外形及内置件的设计提供准确指导。
具体原理及优点为：
1、本发明采用的fluent模拟软件是基于计算流体动力学方法求解流动问题的通用软件，调用fluent软件的多项流和动网格模型，可模拟流体内含动网格部件的流动过程；利用fluent模拟软件含有的用户自定义函数UDF的功能模块，借助构建加速度随时间变化的自定义函数；含单向门特征的6DOF自定义函数；单向门碰撞的接触检测的自定义函数；并在fluent软件相应设置中调用这些程序，即可实现油箱晃动过程的仿真数值模拟，得到极其复杂的速度和相体积分数分布等变化情况，进而直观分析油箱晃动过程油液的流动与单向门的运动情况，最终实现工艺参数的优化。
2、相比传统静态仿真只能检验在恒定加速度下油箱吸油情况，无法对在交变加速度下油液的晃动进行模拟，同时也无法模拟油箱内活动部件的运动情况，不能得到较为准确的结果，不适用于油箱晃动过程的仿真数值模拟，本发明可模拟在交变加速度下油液的晃动从而校核吸油，对油箱外形及内置件的设计提供准确指导。
3、本发明借助fluent软件中的多项流和动网格模型，并利用fluent软件用户自定义函数的功能，通过自定义加速度随时间变化的函数、含单向门特征的函数、单向门运动的函数，实现了含单向门的油箱晃动过程的流动数值模拟，模拟过程更接近实际情况，误差较小，适用于含单向门动网格油箱晃动过程仿真数值模拟。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明，但绝不是对本发明的限制。
实施例
一种基于fluent软件的新结构油箱晃动仿真方法，具体包括以下步骤：
一、构建自定义函数UDF：
(1)根据数采软件得到实车加速度的变化曲线，利用C语言编写油箱的加速度随时间变化的自定义函数UDF_gravity；
步骤(1)中油箱的加速度随时间变化的部分自定义函数关系为gravity[1]＝19.6*sin(3.14*time)，gravity[2]＝-9.8，其中gravity[1]为y方向加速度，gravity[2]为y方向加速度，单位m/s^2；time为当前时间，单位为s；
(2)根据单向门的性质运动情况，利用C语言编写包含单向门的质量、转动惯量以及平动转动自由度的6DOF自定义函数；
步骤(2)中包含单向门的质量、转动惯量以及平动转动自由度的6DOF的部分自定义函数关系为：M＝0.02，IX＝5E-6，其中M为单向门质量，单位kg；IX为单向门绕X轴的转动惯量，单位kg·m^2；
(3)根据单向门的碰撞特性，利用C语言编写单向门碰撞的接触检测自定义函数UDF_contact detection；
二、建立油箱模型，以确定最终制造的油箱模型：利用catia软件进行建模；
三、利用ICEM软件划分网格，根据最终制造的油箱模型的结构特点，设置边界条件，选取网格类型划分网格，计算网格数为1323418，输出msh文件；
四、打开fluent软件，将msh文件导入到fluent软件中；
五、检测网格，以检测步骤三中划分的网格是否正确；
六、设定单位：根据最终制造的油箱的真实尺寸设定单位，设定单位为mm；
七、选择正确模拟油箱晃动的模型：选用多相流模型中的VOF模型，湍流模型中的k-epsilon Realizable模型和选用扩散光顺(Smoothing)和网格重构(Remeshing)的动网格模型；
八、导入自定义函数UDF，真实模拟油箱晃动过程：依次导入加速度自定义函数，6DOF自定义函数和contact detection自定义函数；
九、设置材料属性，根据实际物体测量参数设置空气的属性和汽油属性，材料属性为密度和粘度；
十、相选择，以真实模拟油箱晃动：在相里设置第一相为空气，第二相为汽油；
十一、域条件设置，设置油箱内部区域的形态：在域条件设置中，选择当前域为流体域并把网格区域设置为移动网格(Mesh Motion)；
十二、设置边界条件，在此预设才条件下进行模拟油箱晃动：根据模拟参数进行设定，对单向门进行定义时，分别定义旋转中心并分别调用不同的6DOF自定义函数，并把单向门边界设置为移动壁面(Moving Wall)；
十三、求解法的选择，确定求解精度：压力速度耦合选择PISO模式，梯度选项采用Green-Gauss Node-Based法，压力修正方程采用Body Force Weighted模式，选用modifiedHRIC离散策略，动量方程选择二阶迎风，其他方程的差分格式选择一阶迎风；
十四、边界初始化并设置迭代参数，并根据油箱内的汽油量，将添加汽油和空气的区域标记出，进行计算，迭代步长设置为0.001s，步数设置为10000；
十五、查看残差图，对速度和相体积分数的云图和矢量图进行结果分析，并使用了fluent软件中的solution playback功能生成动画进行分析，改变数模，优化得到最佳的布置形式及工艺参数。
本实施例中fluent软件的版本为fluent17.0。
本实施例可实现含单向门动网格的油箱晃动仿真数值模拟，同时考虑油箱加速的的瞬时变化和油箱内运动部件的随动，即添加加速度随时间变化函数、单向门特征函数以及接触检测函数，模拟结果结构更为准确和可靠。

Claims (10)

1.一种基于fluent软件的新结构油箱晃动仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、构建自定义函数UDF，具体步骤为：
(1)根据数据采集软件得到车辆实际加速度的变化曲线，构建油箱的加速度随时间变化的自定义函数；
(2)根据单向门的性质运动情况，构建包含单向门的质量、转动惯量以及平动转动自由度的6DOF自定义函数；
(3)根据单向门的碰撞特性，构建单向门碰撞的接触检测自定义函数；
二、建立油箱模型，以确定最终制造的油箱模型：利用catia软件进行建模；
三、利用ICEM软件划分网格，根据最终制造的油箱模型的结构特点，设置边界条件，选取网格类型划分网格，输出msh文件；
四、打开fluent软件，将msh文件导入到fluent软件中；
五、检测网格，以检测步骤三中划分的网格是否正确；
六、设定单位：根据最终制造的油箱的真实尺寸设定单位；
七、选择正确模拟油箱晃动的模型：选用多相流模型中的VOF模型，湍流模型中的k-epsilon Realizable模型和动网格模型；
八、导入自定义函数UDF，真实模拟油箱晃动过程：依次导入加速度随时间变化的自定义函数、6DOF自定义函数和接触检测自定义函数；
九、设置材料属性：根据实际物体测量参数设置空气属性和汽油属性；
十、相选择，以真实模拟油箱晃动：在相里设置第一相为空气，第二相为汽油；
十一、域条件设置，设置油箱内部区域的形态：在域条件设置中，选择当前域为流体域；
十二、设置边界条件，在此预设条件下进行模拟油箱晃动：根据模拟参数进行设定，对单向门进行定义时，分别定义旋转中心并分别调用不同的6DOF自定义函数；
十三、求解法的选择，确定求解精度：压力速度耦合选择PISO模式，梯度选项采用Green-Gauss Node-Based法，压力修正方程采用Body Force Weighted模式，选用modifiedHRIC离散策略，动量方程选择二阶迎风，其他方程的差分格式选择一阶迎风；
十四、边界初始化并设置迭代参数，进行计算；
十五、查看残差图，对速度和相体积分数的云图和矢量图进行结果分析，并生成动画进行分析，改变数模，优化得到最佳的布置形式及工艺参数。
2.根据权利要求1所述的一种基于fluent软件的新结构油箱晃动仿真方法，其特征在于，步骤三中计算网格单位数为1323418。
3.根据权利要求1所述的一种基于fluent软件的新结构油箱晃动仿真方法，其特征在于，步骤六中设定单位为mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于fluent软件的新结构油箱晃动仿真方法，其特征在于，步骤七中所述的动网格模型选用扩散光顺和网格重构。
5.根据权利要求1所述的一种基于fluent软件的新结构油箱晃动仿真方法，其特征在于，步骤九中材料属性为密度和粘度。
6.根据权利要求1所述的一种基于fluent软件的新结构油箱晃动仿真方法，其特征在于，步骤十一中域条件设置为移动网格。
7.根据权利要求1所述的一种基于fluent软件的新结构油箱晃动仿真方法，其特征在于，步骤十二中边界条件设置为移动壁面。
8.根据权利要求1所述的一种基于fluent软件的新结构油箱晃动仿真方法，其特征在于，步骤十四中边界初始化标记了两项区域：根据油箱内的汽油量设置添加汽油的区域，并在初始化后将区域标记出。
9.根据权利要求1所述的一种基于fluent软件的新结构油箱晃动仿真方法，其特征在于，步骤十四中迭代参数的步长设置为0.001s，步数设置为10000。
10.根据权利要求1所述的一种基于fluent软件的新结构油箱晃动仿真方法，其特征在于，步骤十五中生成动画使用fluent软件中的solution playback功能。
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