在探索流體行為模擬的領(lǐng)域，CFD技術(shù)為油箱燃油晃動模擬帶來了革命性的轉(zhuǎn)變。通過高精度的數(shù)值模擬，它不僅揭示了燃油在不同工況下的復(fù)雜動態(tài)，還為油箱設(shè)計的優(yōu)化提供了關(guān)鍵洞察。這一技術(shù)在航空航天、汽車制造、船舶與海洋工程等多個行業(yè)中展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用價值，從確保飛機油箱的安全穩(wěn)定，到提升汽車燃油系統(tǒng)的效率與舒適性，再到保障大型油輪和海洋平臺的運營安全，CFD技術(shù)都在默默地發(fā)揮著不可替代的作用。

1、項目背景

在航空工程中，飛行器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，即使在現(xiàn)有成熟條件下，部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計制造仍然存在很大的困難。如在飛機燃油箱設(shè)計制造過程中，為了適配結(jié)構(gòu)復(fù)雜的飛行器而設(shè)計的特殊結(jié)構(gòu)燃油箱，其加油過程需要精細設(shè)計。另外，在飛行過程中，由于飛機姿態(tài)變化導(dǎo)致燃油在燃油箱中的分布狀態(tài)變化，其對于油箱結(jié)構(gòu)受載的影響也需要考慮。

某飛機工業(yè)有限責(zé)任公司具備獨立設(shè)計，工程試驗，飛行試驗以及理化計量等飛行器設(shè)計制造能力。然而，面對日益復(fù)雜的飛行器結(jié)構(gòu)，尤其是燃油箱這類既需滿足容量需求又需承受復(fù)雜力學(xué)環(huán)境的部件，該公司也面臨諸多挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的設(shè)計方法往往依賴于經(jīng)驗積累與反復(fù)試驗，不僅耗時長、成本高，且難以全面捕捉流體流動的細微變化，從而限制了設(shè)計精度的進一步提升。

· 項目目標

為了加快設(shè)計效率，節(jié)省試驗成本，該飛機公司考慮在各飛行器制造環(huán)節(jié)中，大力引進行業(yè)優(yōu)秀流體仿真軟件。在上述飛機燃油箱設(shè)計過程中，通過積鼎自主研發(fā)的CFD軟件VirtualFlow，實現(xiàn)精確的燃油油面變化及重量特性分析、油箱內(nèi)流口設(shè)計和燃油管路內(nèi)油流特性分析、系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)受載情況分析、加油過程中油箱姿態(tài)變化分析以及油箱熱模型計算分析等設(shè)計過程，為燃油箱設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

2、解決方案及優(yōu)勢

核心方法——界面追蹤技術(shù)

VirtualFlow擁有的Level Set模型非常適用于燃油晃動領(lǐng)域。Level Set 方法是通過距離函數(shù)直接追蹤界面，而非VOF模型需要重構(gòu)界面。其優(yōu)勢在于界面擁有明確的定義，且能夠很好地處理界面出現(xiàn)劇烈拓撲變化的情況，例如液面破碎、聚并等。

對于Level Set 方法可能帶來的質(zhì)量守恒性方面，VirtualFlow針對性采用Local+Global補償修正，避免了早期LevelSet方法的質(zhì)量守恒性較差的問題，解決了相體積不守恒的數(shù)值問題。因此，Level Set方法對于相界面的跟蹤識別的優(yōu)勢尤為明顯，尤其是燃油晃動這種存在大尺度界面的應(yīng)用領(lǐng)域。

計算過程及結(jié)果

通過VirtualFlow軟件的剛體運動功能，實現(xiàn)對該用戶某型飛機油箱燃油晃動的分析。該飛機的油箱組成如圖所示。

圖1飛機油箱組成

在該算例中，我們提取右側(cè)的機翼油箱作為主要計算域。其尺寸如圖所示。

圖2機翼油箱尺寸

如圖所示，初始時刻，油箱內(nèi)填充約一半的燃油（紅色部分）。

圖3油箱初始狀態(tài)

該算例的主要參數(shù)如下表所示

表1 算例參數(shù)

下方給出了VirtualFlow軟件計算得到的燃油晃動結(jié)果。通過VirtualFlow，用戶可以輕松地獲得晃動過程中油箱內(nèi)的油面形態(tài)分布（左）以及燃油速度（右）等參數(shù)。

用戶還可以設(shè)定任意截面以獲取其上的詳細參數(shù)分布

此外，通過壓力的積分，用戶可以輕松提取燃油晃動對油箱壁面的沖擊力

圖4油箱沖擊載荷

軟件優(yōu)勢體現(xiàn)

1.簡化復(fù)雜幾何的前處理難度
VirtualFlow具備特有的浸沒邊界（IST）網(wǎng)格技術(shù)。在IST技術(shù)的支持下，軟件能夠自動識別燃油箱的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，極大地減少設(shè)計人員在前處理網(wǎng)格剖分工作中所用的時間與精力，對于快速設(shè)計迭代過程尤為重要。

2.多相流清晰界面
航空燃油箱仿真計算過程屬于典型的多相流計算問題。使用上述VirtualFlow中的Level-Set兩相流經(jīng)典界面追蹤方法，能夠快速進行模擬分析航空燃油在重力作用下的流動變化及其與液面形態(tài)。

3.支持耦合多物理場計算
IST技術(shù)同時支持多物理場耦合計算。能夠?qū)崟r進行流動分析以及計算固體結(jié)構(gòu)的受力。對于飛行過程中的油箱晃動過程，能夠精確計算其結(jié)構(gòu)受載情況。

4.強耦合共軛傳熱計算
VirtualFlow同時支持共軛傳熱分析計算，并且在求解方式上屬于強耦合計算，計算精度較高。對于高溫下的燃油箱受熱分析也能夠輕松處理。

成果及效益

通過對VirtualFlow的熟練使用，該飛機公司基本實現(xiàn)了從燃油管路內(nèi)的油流特性分析，到快速的油箱內(nèi)流口設(shè)計，再到油箱內(nèi)油面變化的準確計算，以及結(jié)構(gòu)受載情況分析這一完整燃油箱的設(shè)計計算過程。通過提升專業(yè)的研發(fā)設(shè)計手段，達到了提高效率、降低成本、促進設(shè)計能力提升、保障飛機順利研制的目標。

·用戶評價：“積鼎科技公司一直專注于流體仿真領(lǐng)域，在配合過程中感受到了公司的專業(yè)。VirtualFlow軟件的IST網(wǎng)格技術(shù)能精準識別復(fù)雜結(jié)構(gòu)，簡化了工程師的設(shè)計流程，大幅提升了計算的效率。多相流模型也比較全面，對于飛行中燃油箱動態(tài)變化可以做到精準可靠的模擬。整個服務(wù)團隊配合程度高，能夠響應(yīng)及時，助力我們高效推進項目完成。”

方案總結(jié)

VirtualFlow軟件憑借其Level Set界面追蹤技術(shù)，在燃油晃動模擬中展現(xiàn)了卓越性能，不僅精確捕捉燃油動態(tài)變化，包括液面的破碎與聚并，還通過Local+Global補償修正確保了質(zhì)量守恒性。軟件的IST網(wǎng)格技術(shù)簡化了復(fù)雜幾何前處理，可支持多物理場耦合計算，實現(xiàn)實時結(jié)構(gòu)受力分析。這些優(yōu)勢同樣適用于汽車、船舶等行業(yè)的油箱晃動模擬，具備跨行業(yè)的廣泛應(yīng)用前景，為各類油箱設(shè)計提供強有力的技術(shù)支撐。