赛道油箱晃动

燃油箱晃动是指部分充装的油箱内自由液面因急加速、制动、转弯及越过路缘而产生的振荡现象。在赛道上，这些瞬态载荷幅度大且突发性强，流动的燃油可能产生波浪、冲击箱壁并瞬间暴露取油口。这种"晃动"导致质量转移，对油箱壁面产生压力载荷，并存在取油口裸露的风险。在赛车运动中，即便是短暂的燃油供给中断，也可能导致动力迟滞、性能下降或机械损坏。为此，油箱通常配备隔板、缓冲壶或防晃泡沫，以抑制液面波动并确保取油口的可靠覆盖。仿真可帮助工程师预测燃油在赛道条件下的行为、评估抑制措施，并优化设计以同时兼顾性能与耐久性。本文所采用的仿真方法建立在此前经过验证的油箱晃动案例基础之上，进一步体现了 shonDy 在预测自由液面动力学方面的可靠性。

案例说明

本研究的驾驶工况基于一次在劳西茨环（Lausitzring）私人赛道测试中记录的加速度数据，该数据由相关方友情提供，专用于仿真研究。数据集通过保时捷赛道精准应用程序（Porsche Track Precision App）采集，代表一圈完整的行驶数据。

分析中采用了来自开源库的通用燃油箱模型，而非原车油箱，以便在不依赖专有几何信息的前提下专注研究晃动行为本身。在后续步骤中，对同一油箱分别增加了两种不同的隔板配置以及多孔介质设置，以模拟防晃泡沫：

• 固定隔板配置：在纵向和横向均加装了隔板，可直接对比有无传统抑制结构时的燃油运动。
• 翻板隔板配置：采用可动翻板作为动态屏障，进一步影响流动。该配置的详细几何结构与工作原理见以下小节。
• 防晃泡沫配置：在整个油箱几何体中加入多孔介质，影响流体运动。

无隔板油箱与固定隔板油箱的几何形状如下图所示。

翻板隔板配置

在固定隔板之外，还研究了采用翻板隔板的第二种配置。横向方向共布置了两块隔板，但与固定设计不同，其下部通过铰接件连接，允许受控旋转；上部保持固定，作为传统固定隔板使用。

翻板的运动并非完全自由，而是根据行驶方向受到约束：

• 顺时针方向（如图所示）：不允许旋转。经过短暂的反向摆动后，翻板有效地作为固定隔板，在右转弯时提供阻力。
• 逆时针方向：
  • Flap 1 允许在 0° 至 90° 之间旋转，
  • Flap 2 允许在 0° 至 45° 之间旋转。

这种非对称特性使翻板能够根据流动方向选择性地开启，在某些情况下提供较小阻力，而在其他情况下仍作为屏障发挥作用。几何形状与配置如下图所示。

防晃泡沫配置

除隔板配置外，还研究了采用防晃泡沫的第三种配置。在整个油箱几何体中加入多孔介质，模拟赛车中使用的防晃泡沫。泡沫特性由三个参数定义：Darcy 系数、Forchheimer 系数和孔隙率。Darcy 系数 $\alpha$ 描述多孔介质中的线性阻力，由渗透率 $K$ 计算得到：

Forchheimer 系数 $\beta$ 描述二次阻力，由形阻常数 $c_F$ 和渗透率 $K$ 计算得到：

泡沫特性参数基于 Hayrullin 等人（2023）的研究成果。所用材料为聚氨酯泡沫（PUF），孔密度为每英寸 20 孔（PPI），孔隙率为 0.97。渗透率 $K = 1.889 \times 10^{-7}\ \text{m}^2$，形阻常数 $c_F = 0.198$，由此得到 Darcy 系数 $\alpha = 5 300 000\ \text{m}^{-2}$，Forchheimer 系数 $\beta = 446\ \text{m}^{-1}$。

仿真结果

第一段视频展示了无隔板配置下的仿真总览。视频从赛车手驶近第一弯（T1）时开始。视频分为两段：第一段涵盖 T1 至 T5，第二段涵盖 T12 至终点线。

在视频上半部分，可以观察到仿真油箱及燃油的运动状态。即便在相对温和的驾驶条件下，赛车手并未将车辆驾驶至极限，燃油也会因赛道力的作用而产生明显的横向运动。

这表明在典型赛道条件下，晃动现象已相当显著。在高性能赛车场景中，每十分之一秒都至关重要，即便是如此微小的质量偏移，也可能对车辆平衡与操控性产生不利影响。

晃动抑制性能

第二、三、四段视频聚焦于第 1 弯至第 5 弯，对比四种配置下的燃油运动：无隔板、固定隔板、翻板隔板及防晃泡沫。

固定隔板

在固定隔板配置下，流体行为的差异一目了然：

• 有隔板：燃油分布更加均匀，运动受到阻尼。质心（CoM）最终到达与无隔板情况相同的位置，但由于隔板的限制，过渡过程更为缓慢。
• 无隔板：燃油保持集中状态，迅速从一侧转移至另一侧。

视频中横向 CoM 的可视化直接印证了这一点：

• 绿色十字：无隔板时的 CoM。
• 黄色十字：固定隔板时的 CoM。

在弯道开始时，绿色十字的移动速度明显快于黄色十字，突出体现了固定隔板在减缓质量快速偏移、提升稳定性方面的作用。

翻板隔板

翻板隔板配置与固定隔板及无隔板情况均呈现出明显不同的行为特征：

• 有翻板隔板：流体在右侧腔室中滞留时间更长，向中部和左侧的偏移更为渐进。
• 对比：
  • 在右转弯时，流体运动受到的阻尼远强于其他任何配置。
  • 在左转弯时，翻板赋予流体更大的运动自由度，流体偏移速度与固定隔板情况相近，甚至在某些情况下略快，但仍慢于无隔板情况。

CoM 可视化印证了上述观察：

• 绿色十字：无隔板时的 CoM。
• 黄色十字：固定隔板时的 CoM。
• 粉色十字：翻板隔板时的 CoM。

这突出表明翻板设计产生了一种中间效果，在一个方向上提供强阻尼，同时允许另一方向上更自由的流动。

防晃泡沫

防晃泡沫配置与其他配置相比，呈现出截然不同的流体动力学特征：

• 有防晃泡沫：油箱内流体运动受到阻碍，在过弯时流体在中央腔室中滞留时间更长。这使得横向流体偏移在所有配置中最为缓慢。
• 对比：与翻板隔板配置不同，流体最终仍会完全偏移至两侧。这清晰地区分了这两种配置的行为特征，尽管两者均呈现出较慢的整体质量转移。

这一行为直接源于 Darcy-Forchheimer 方程，其中阻力大小取决于流体速度。Darcy 项与速度成线性关系（$\propto v$），Forchheimer 项与速度成二次方关系（$\propto v^2$）。当流体接近静止时，阻力极小，流体开始相对自由地加速。随着速度增大，两个阻力项均增大，阻尼效果愈发显著。因此，泡沫并不能阻止流体初始运动，而是随着流体速度的积累逐渐减缓其运动。

CoM 可视化印证了上述观察：

• 绿色十字：无隔板时的 CoM。
• 黄色十字：固定隔板时的 CoM。
• 粉色十字：翻板隔板时的 CoM。
• 蓝色十字：防晃泡沫时的 CoM。

质心速度

下图展示了质心（CoM）速度随时间的变化情况。

• 无隔板：CoM 运动速度明显更快，有时达到有隔板情况下速度的两倍甚至三倍。速度的急剧峰值反映了流体的快速加速与减速。
• 有隔板：固定隔板、翻板隔板以及防晃泡沫均产生更宽且更平滑的速度曲线，体现了这些结构的阻尼效果。
• 翻板隔板：在右转弯（负值）时，速度受到强烈阻尼，流体运动极为微弱；在左转弯时，速度与固定隔板情况相当。
• 防晃泡沫：在左转弯时，速度与翻板隔板配置相当，有时甚至更低；在右转弯时，低于无隔板和固定隔板配置，但高于翻板隔板配置。

随着圈速推进至后段，各配置之间的差异愈发显著，这是四次仿真均从相同初始流体分布出发所导致的结果。

取油口覆盖率

第二张图评估了取油口处的燃油覆盖情况。可靠的覆盖对于确保稳定的燃油供给至关重要。为此，在取油口正前方设置了一个小型采样窗口，以便持续监测该位置是否有流体存在（见下图）。

结果显示：

• 固定隔板：与无隔板情况相比，仅有轻微改善。实际上，取油口覆盖率几乎保持不变。
• 翻板隔板：显著改善。由于取油口位于右侧腔室，翻板配置限制了流体向其他腔室的流出，同时允许流体自由回流。因此，取油口几乎全程处于覆盖状态，整圈仅出现两次短暂中断。
• 防晃泡沫：在总体覆盖率方面，与无隔板情况相比没有改善。这是由于 Darcy-Forchheimer 阻力的速度依赖特性：由于在低速时线性项和二次项均较小，流体初始运动几乎不受阻碍。阻尼效果只有在流体积累起足够速度后才会显现，而此时取油口已经裸露。

总结

本案例研究对劳西茨环（Lausitzring）“大奖赛布局"赛道上部分充装的燃油箱进行了整圈仿真，以研究真实驾驶条件下的油箱晃动现象。仿真采用了一次私人赛道测试中记录的加速度数据，以复现制动、转弯和加速操作。

采用来自开源库的通用油箱模型，在四种配置下进行仿真：无隔板、纵横向均设固定隔板、横向设翻板隔板，以及在整个油箱体积内以多孔介质模拟防晃泡沫。仿真可视化了整圈过程中的燃油运动、横向质量偏移及质心行为，同时通过小型采样窗口持续监测取油口处的燃油覆盖情况，以量化流体可用性随时间的变化。

结果表明，固定隔板能够减缓横向快速偏移并阻尼流体运动，而翻板隔板则提供了一种中间效果：在一个方向上强烈阻尼运动，同时允许另一方向上更自由的流动。翻板隔板还改善了取油口覆盖率，使进油口几乎持续有燃油供给，而固定隔板相比无隔板方案仅有轻微改善。防晃泡沫在所有配置中产生了最慢的整体横向质量转移，在大多数驾驶阶段，CoM 速度与翻板隔板配置相当或更低。然而，由于 Darcy-Forchheimer 阻力的速度依赖特性，泡沫在流体运动初始阶段提供的阻力极小，因此取油口覆盖率相比无隔板情况并未得到改善。

总体而言，这些仿真表明，瞬态自由液面 CFD 能够捕捉真实赛道条件下的动态燃油行为。该方法为评估和优化油箱几何形状、隔板设计及燃油进口布置提供了坚实基础，使工程师能够在制造物理样机之前通过虚拟手段测试和完善改进方案。