在探索流體行為模擬的領域，CFD技術為油箱燃油晃動模擬帶來了革命性的轉變。通過高精度的數值模擬，它不僅揭示了燃油在不同工況下的復雜動態(tài)，還為油箱設計的優(yōu)化提供了關鍵洞察。這一技術在航空航天、汽車制造、船舶與海洋工程等多個行業(yè)中展現出廣泛的應用價值，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，飛行器結構復雜，即使在現有成熟條件下，部分結構的設計制造仍然存在很大的困難。如在飛機燃油箱設計制造過程中，為了適配結構復雜的飛行器而設計的特殊結構燃油箱，其加油過程需要精細設計。另外，在飛行過程中，由于飛機姿態(tài)變化導致燃油在燃油箱中的分布狀態(tài)變化，其對于油箱結構受載的影響也需要考慮。

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

· 項目目標

為了加快設計效率，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計過程中，通過積鼎自主研發(fā)的CFD軟件VirtualFlow，實現精確的燃油油面變化及重量特性分析、油箱內流口設計和燃油管路內油流特性分析、系統(tǒng)及結構受載情況分析、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計過程，為燃油箱設計提供科學依據。

2、解決方案及優(yōu)勢

核心方法——界面追蹤技術

VirtualFlow擁有的Level Set模型非常適用于燃油晃動領域。Level Set 方法是通過距離函數直接追蹤界面，而非VOF模型需要重構界面。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方法的質量守恒性較差的問題，解決了相體積不守恒的數值問題。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用領域。

計算過程及結果

通過VirtualFlow軟件的剛體運動功能，實現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)

該算例的主要參數如下表所示

表1 算例參數

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

用戶還可以設定任意截面以獲取其上的詳細參數分布

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

1.簡化復雜幾何的前處理難度
VirtualFlow具備特有的浸沒邊界（IST）網格技術。在IST技術的支持下，軟件能夠自動識別燃油箱的復雜結構，極大地減少設計人員在前處理網格剖分工作中所用的時間與精力，對于快速設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技術同時支持多物理場耦合計算。能夠實時進行流動分析以及計算固體結構的受力。對于飛行過程中的油箱晃動過程，能夠精確計算其結構受載情況。

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了從燃油管路內的油流特性分析，到快速的油箱內流口設計，再到油箱內油面變化的準確計算，以及結構受載情況分析這一完整燃油箱的設計計算過程。通過提升專業(yè)的研發(fā)設計手段，達到了提高效率、降低成本、促進設計能力提升、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域，在配合過程中感受到了公司的專業(yè)。VirtualFlow軟件的IST網格技術能精準識別復雜結構，簡化了工程師的設計流程，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。整個服務團隊配合程度高，能夠響應及時，助力我們高效推進項目完成。”

方案總結

VirtualFlow軟件憑借其Level Set界面追蹤技術，在燃油晃動模擬中展現了卓越性能，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補償修正確保了質量守恒性。軟件的IST網格技術簡化了復雜幾何前處理，可支持多物理場耦合計算，實現實時結構受力分析。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)的廣泛應用前景，為各類油箱設計提供強有力的技術支撐。