VirtualFlow案例|油箱燃油晃动模拟，高效分析管路及油箱内油面变化

在探索流体行为模拟的领域，CFD技术为油箱燃油晃动模拟带来了革命性的转变。通过高精度的数值模拟，它不仅揭示了燃油在不同工况下的复杂动态，还为油箱设计的优化提供了关键洞察。这一技术在航空航天、汽车制造、船舶与海洋工程等多个行业中展现出广泛的应用价值，从确保飞机油箱的安全稳定，到提升汽车燃油系统的效率与舒适性，再到保障大型油轮和海洋平台的运营安全，CFD技术都在默默地发挥着不可替代的作用。

1、项目背景

在航空工程中，飞行器结构复杂，即使在现有成熟条件下，部分结构的设计制造仍然存在很大的困难。如在飞机燃油箱设计制造过程中，为了适配结构复杂的飞行器而设计的特殊结构燃油箱，其加油过程需要精细设计。另外，在飞行过程中，由于飞机姿态变化导致燃油在燃油箱中的分布状态变化，其对于油箱结构受载的影响也需要考虑。

某飞机工业有限责任公司具备独立设计，工程试验，飞行试验以及理化计量等飞行器设计制造能力。然而，面对日益复杂的飞行器结构，尤其是燃油箱这类既需满足容量需求又需承受复杂力学环境的部件，该公司也面临诸多挑战。传统的设计方法往往依赖于经验积累与反复试验，不仅耗时长、成本高，且难以全面捕捉流体流动的细微变化，从而限制了设计精度的进一步提升。

· 项目目标

为了加快设计效率，节省试验成本，该飞机公司考虑在各飞行器制造环节中，大力引进行业优秀流体仿真软件。在上述飞机燃油箱设计过程中，通过积鼎自主研发的CFD软件VirtualFlow，实现精确的燃油油面变化及重量特性分析、油箱内流口设计和燃油管路内油流特性分析、系统及结构受载情况分析、加油过程中油箱姿态变化分析以及油箱热模型计算分析等设计过程，为燃油箱设计提供科学依据。

2、解决方案及优势

核心方法——界面追踪技术

VirtualFlow拥有的Level Set模型非常适用于燃油晃动领域。Level Set 方法是通过距离函数直接追踪界面，而非VOF模型需要重构界面。其优势在于界面拥有明确的定义，且能够很好地处理界面出现剧烈拓扑变化的情况，例如液面破碎、聚并等。

对于Level Set 方法可能带来的质量守恒性方面，VirtualFlow针对性采用Local+Global补偿修正，避免了早期Level Set方法的质量守恒性较差的问题，解决了相体积不守恒的数值问题。因此，Level Set方法对于相界面的跟踪识别的优势尤为明显，尤其是燃油晃动这种存在大尺度界面的应用领域。

计算过程及结果

通过VirtualFlow软件的刚体运动功能，实现对该用户某型飞机油箱燃油晃动的分析。该飞机的油箱组成如图所示。

图1 飞机油箱组成

在该算例中，我们提取右侧的机翼油箱作为主要计算域。其尺寸如图所示。

图2 机翼油箱尺寸

如图所示，初始时刻，油箱内填充约一半的燃油（红色部分）。

图3 油箱初始状态

该算例的主要参数如下表所示

表1 算例参数

下方给出了VirtualFlow软件计算得到的燃油晃动结果。通过VirtualFlow，用户可以轻松地获得晃动过程中油箱内的油面形态分布（左）以及燃油速度（右）等参数。

用户还可以设定任意截面以获取其上的详细参数分布

此外，通过压力的积分，用户可以轻松提取燃油晃动对油箱壁面的冲击力
 

图4 油箱冲击载荷

软件优势体现

1.简化复杂几何的前处理难度
VirtualFlow具备特有的浸没边界（IST）网格技术。在IST技术的支持下，软件能够自动识别燃油箱的复杂结构，极大地减少设计人员在前处理网格剖分工作中所用的时间与精力，对于快速设计迭代过程尤为重要。

2.多相流清晰界面
航空燃油箱仿真计算过程属于典型的多相流计算问题。使用上述VirtualFlow中的Level-Set两相流经典界面追踪方法，能够快速进行模拟分析航空燃油在重力作用下的流动变化及其与液面形态。

3.支持耦合多物理场计算
IST技术同时支持多物理场耦合计算。能够实时进行流动分析以及计算固体结构的受力。对于飞行过程中的油箱晃动过程，能够精确计算其结构受载情况。

4.强耦合共轭传热计算
VirtualFlow同时支持共轭传热分析计算，并且在求解方式上属于强耦合计算，计算精度较高。对于高温下的燃油箱受热分析也能够轻松处理。

成果及效益

通过对VirtualFlow的熟练使用，该飞机公司基本实现了从燃油管路内的油流特性分析，到快速的油箱内流口设计，再到油箱内油面变化的准确计算，以及结构受载情况分析这一完整燃油箱的设计计算过程。通过提升专业的研发设计手段，达到了提高效率、降低成本、促进设计能力提升、保障飞机顺利研制的目标。

 · 用户评价：“积鼎科技公司一直专注于流体仿真领域，在配合过程中感受到了公司的专业。VirtualFlow软件的IST网格技术能精准识别复杂结构，简化了工程师的设计流程，大幅提升了计算的效率。多相流模型也比较全面，对于飞行中燃油箱动态变化可以做到精准可靠的模拟。整个服务团队配合程度高，能够响应及时，助力我们高效推进项目完成。”

方案总结

VirtualFlow软件凭借其Level Set界面追踪技术，在燃油晃动模拟中展现了卓越性能，不仅精确捕捉燃油动态变化，包括液面的破碎与聚并，还通过Local+Global补偿修正确保了质量守恒性。软件的IST网格技术简化了复杂几何前处理，可支持多物理场耦合计算，实现实时结构受力分析。这些优势同样适用于汽车、船舶等行业的油箱晃动模拟，具备跨行业的广泛应用前景，为各类油箱设计提供强有力的技术支撑。