液壓油箱內(nèi)部隔板對氣泡分離的作用

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1、液壓油箱內(nèi)部隔板對氣泡分離的作用 液壓油箱內(nèi)部隔板對氣泡分離的作用 2016/12/07 《甘肅科學(xué)學(xué)報》2016年第5期 摘要： 利用Ｆｌｕｅｎｔ中的歐拉－歐拉多相流模型，對一種液壓油箱內(nèi)部流場進(jìn)行氣液兩相流三維數(shù)值計算，驗證了氣泡在油液中上浮的時間隨其直徑的增大而縮短的變化規(guī)律，對比分析了有無隔板以及隔板位置不同時，油液中不同直徑氣泡的分離特點。結(jié)果表明：隔板對直徑為０．３～１．０ｍｍ的氣泡分離影響明顯，通過隔板延長油液流動距離，

2、有利于氣泡的上浮分離；直徑為１～２ｍｍ的氣泡，本身上浮時間比較短，幾乎完全可以從油液中分離，隔板對大氣泡分離影響很小。 關(guān)鍵詞： 液壓油箱；上浮時間；隔板；氣泡直徑；氣泡分離 在液壓系統(tǒng)中，油箱是液壓系統(tǒng)的重要組成部分，其主要作用是儲存液壓系統(tǒng)循環(huán)所需的油液、散熱以及分離油液中的空氣等［１，２］。而油液中氣泡的存在會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)氣穴、噪聲等問題，嚴(yán)重危害著系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性［３］。因此，分離油液中的空氣是十分必要的，近年來國內(nèi)外針對氣泡分離方法的研究，主要采用強制式氣泡去除方法，例如通過氣液旋流分離器［４－６］、油液流動擾流器［７］來分離氣泡。

3、目前，液壓系統(tǒng)向著小型化方向發(fā)展，但液壓系統(tǒng)的小型化離不開液壓油箱的小型化［８］。液壓油箱的小型化意味著油液在油箱內(nèi)循環(huán)的時間變短，并且油液中氣泡的分離時間也縮短，因此，為了避免這些問題，必須重視油箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計［９］。在油箱中設(shè)置隔板，可延長油液在油箱內(nèi)的停留時間并引導(dǎo)液壓油在油箱中的合理流向，使氣泡有更多的時間浮出，以免被泵再次吸入。氣泡作為分散相，在粘性液體中的運動分布是一個典型的氣液兩相流動現(xiàn)象［１０］。研究利用Ｆｌｕ－ｅｎｔ中的歐拉－歐拉多相流模型對液壓油箱內(nèi)部流場進(jìn)行氣液兩相流三維數(shù)值計算，分析了不同直徑的氣泡在油箱內(nèi)的分布特點，對比三種隔板設(shè)置方式對泵吸油口氣泡含量的影響，為液壓油

4、箱內(nèi)隔板的設(shè)置提供參考依據(jù)。 １油箱的ＣＦＤ計算模型與計算條件 １．１計算模型 圖１為液壓油箱（尺寸：５００ｍｍ２００ｍｍ３００ｍｍ）的三維ＣＦＤ幾何模型，計算區(qū)域為油箱回油口到油箱吸油口的流體區(qū)域。模型１：油箱內(nèi)不加隔板；模型２：加置隔板后，油液如圖１（ｂ）所示的流向流動，隔板１、隔板２厚度為３ｍｍ，寬度為１９５ｍｍ，高度為２００ｍｍ；模型３：加置隔板后，油液如圖１（ｃ）所示的流向流動，隔板Ⅰ、隔板Ⅱ厚度為３ｍｍ，寬度為１６５ｍｍ，高度為２９５ｍｍ；模型４：隔板長度為４３５ｍｍ，厚度為３ｍｍ，高度為２９５ｍｍ。 １．２網(wǎng)格劃分

5、 為了獲得較為準(zhǔn)確的計算結(jié)果，網(wǎng)格需進(jìn)行局部細(xì)化，吸油管路、回油管路表面以及隔板表面邊界層都需要至少５層網(wǎng)格，計算模型的網(wǎng)格單元總數(shù)大約為３５０萬，網(wǎng)格質(zhì)量為０．８左右。模型３的網(wǎng)格生成模型如圖２所示。 １．３計算條件 Ｆｌｕｅｎｔ提供的多相流模型中，歐拉模型適用于彌散相集中于計算域的局部和有一相混合或分離的場合，采用Ｆｌｕｅｎｔ歐拉－歐拉模型的ＳＳＴ湍流模型對主相（液壓油）和離散相（氣泡）進(jìn)行仿真計算。在該模型中，氣泡也作為連續(xù)相處理并占有一定的體積分?jǐn)?shù)?；烊胍簤河椭械目諝庵饕且詺馀菪问酱嬖?，假設(shè)氣泡為理想球體，氣泡大小通過在分相中設(shè)置直徑大小

6、來確定，氣泡參數(shù)按理想氣體取值。介質(zhì)物性參數(shù)：油液密度為８６０ｋｇ／ｍ３，動力粘度為０．０３９５６ｋｇ／ｍｓ，運動粘度為４６ｍｍ２／ｓ，油液溫度為４０℃。邊界條件設(shè)置：進(jìn)口邊界條件為壓力進(jìn)口，相對壓力為０，氣泡的體積分?jǐn)?shù)為８％，氣體密度設(shè)為１．２２５ｋｇ／ｍ３，氣體粘度為１１０－５ｋｇ／ｍｓ；出口邊界條件為速度出口，速度為０．５４ｍ／ｓ；油箱流域上表面設(shè)置排氣條件，排氣代替自由表面流動。該計算采用三維瞬態(tài)計算，收斂殘差精度?。保埃?，進(jìn)、出口流量誤差小于５％時認(rèn)為計算收斂。 ２氣泡在油箱內(nèi)的分布 ２．１不同直徑氣泡的分布特點 以圖１（ａ）所示模型

7、１的內(nèi)流場分布為例，分析不同直徑氣泡的分布特點。進(jìn)口氣體體積分?jǐn)?shù)為８％，氣泡直徑ｄ分別取為０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍ。圖３為模型１氣泡直徑ｄ取０．５ｍｍ時的氣體體積分?jǐn)?shù)分布云圖。油液由回油口沖入油箱，在油箱底部形成漩渦，氣泡隨著油液一部分上浮出液面，一部分被帶入吸油口。由圖３可知，油箱內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)平均值約為７％；與油箱內(nèi)其他區(qū)域相比，油液上表面氣體體積分?jǐn)?shù)偏大，油箱底部氣泡含量最低，氣體體積分?jǐn)?shù)最小值為０．５％；吸油管上表面氣泡聚集最多，氣體體積分?jǐn)?shù)約為６．５％。為了定量分析不同直徑的氣泡的分布特點，取吸油口Ａ－Ａ截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)平均值進(jìn)行統(tǒng)計分析，如圖４

8、所示。圖４給出了吸油口Ａ－Ａ截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)隨氣泡直徑的變化情況。由圖４可以看出，當(dāng)氣泡直徑在０．３～１．０ｍｍ之間增大時，吸油口Ａ－Ａ截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)隨之減小；氣泡直徑為０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ時，吸油口Ａ－Ａ截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)平均值分別為７．７３％、６．７２％、０．２９％，與進(jìn)口氣體體積分?jǐn)?shù)８．００％相比，氣體體積分?jǐn)?shù)平均值分別降低了０．２７％、１．２８％、７．７１％；當(dāng)氣泡直徑在１～２ｍｍ之間增大時，吸油口Ａ－Ａ截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)減小幅度變?。粴馀葜睆綖椋保担恚?、２．０ｍｍ時，吸油口Ａ－Ａ截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)平均值幾乎為零。液壓系統(tǒng)工作時，回油油液會攜帶空氣流入到

9、油箱內(nèi)，油箱內(nèi)油液的紊流流動和局部的氣穴都會促使油液中的空氣形成氣泡，部分氣泡會上浮到液面，從油液中逸出，其上升時間會受到直徑大小、油液粘度等因素的影響。一般地，氣泡上?。保硭璧臅r間為［９］Ｔ＝１８ｖｇｄ２，（１）其中：Ｔ為氣泡上?。保硭钑r間（ｍｉｎ）；１８為常量；ｄ為氣泡直徑（ｍｍ）；ｇ為重力加速度（ｍ／ｓ２）；ｖ為運動粘度（ｍｍ２／ｓ）。由式（１）可知，氣泡上?。保硭璧臅r間與其直徑ｄ的平方成反比，即氣泡直徑越大，上浮１ｍ所需的時間越短。根據(jù)前述可知ｖ＝４６ｍｍ２／ｓ，由式（１）可得，當(dāng)氣泡直徑ｄ為０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍ時，氣泡在油液中上浮１ｍ所用時

10、間分別為１５．６３ｍｉｎ、５．６３ｍｉｎ、１．４１ｍｉｎ、０．６３ｍｉｎ、０．３５ｍｉｎ。油液中氣泡上?。保硭钑r間隨氣泡直徑大小的變化規(guī)律如圖５所示。結(jié)合圖４與圖５知，隨著氣泡直徑ｄ在０．３～２ｍｍ之間增大，氣泡上浮的時間縮短，進(jìn)口氣體體積分?jǐn)?shù)一定時，隨著油液到達(dá)吸油口的氣泡就會減少，即吸油口Ａ－Ａ截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)減小。 ２．２隔板位置對氣泡分離的影響 圖６為氣泡直徑ｄ?。埃担恚頃r模型２、模型３、模型４的氣體體積分?jǐn)?shù)分布云圖。由圖６可知，模型２、模型３、模型４中，油箱內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)平均值分別約為７．７％、７．５％、６．０％；油箱底部氣泡含量最低，氣體體積

11、分?jǐn)?shù)最小值分別為２．０％、０．５％、０．５％；吸油管上表面氣泡聚集最多，氣體體積分?jǐn)?shù)分別約為６．９％、６．０％、５．５％。結(jié)合圖３中模型１與圖６中模型２、模型３、模型４的內(nèi)流場分布，對比分析無隔板與隔板在不同位置時氣泡的分離特點。模型１、模型２、模型３均取吸油口Ａ－Ａ截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)平均值，模型４取吸油口Ｂ－Ｂ截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)平均值，對以上四種模型指定截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)平均值進(jìn)行對比分析。圖７給出了四種模型吸油口指定截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)隨氣泡直徑的對比變化情況，每條曲線上的５個點分別代表氣泡直徑為０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍ時，吸油口指定截面處的氣體體積

12、分?jǐn)?shù)平均值。將圖７中模型１與模型２、模型３、模型４對比可得：氣泡直徑在０．３～２．０ｍｍ之間增大時，四種模型吸油口截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)均減小，且加置隔板時，吸油口截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)平均值均小于無隔板時的氣體體積分?jǐn)?shù)平均值；氣泡直徑在０．３～１．０ｍｍ范圍內(nèi)增大時，加置隔板的模型對氣泡分離的影響顯著；當(dāng)氣泡直徑為０．５ｍｍ時，模型１吸油口Ａ－Ａ截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)平均值約為６．７２％，模型４吸油口Ｂ－Ｂ截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)平均值為３．７１％，吸油口截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)平均值最高可減?。常埃保?；氣泡直徑在１．０～２．０ｍｍ之間增大時，四種模型吸油口截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)平均值幾乎為零。因為由圖５

13、可得，氣泡直徑大于１ｍｍ時，氣泡浮出液面的時間比較短，油液中的氣泡幾乎完全可以依靠自身上浮得以分離，所以吸油口處的氣泡含量幾乎為零。由模型２、模型３與模型４可得：隔板位置不同，氣泡直徑在０．３～１．０ｍｍ之間增大時，吸油口截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)也不同，模型４吸油口截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)平均值均比模型２、模型３吸油口截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)平均值低，因為模型４中，油液在油箱中停留的時間最長，氣泡有更多時間上浮，所以吸油口截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)平均值會更??；當(dāng)氣泡直徑為０．５ｍｍ時，模型２、模型３吸油口Ａ－Ａ截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)平均值分別為５．１７％、４．７１％，模型４吸油口Ｂ－Ｂ截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)平均值

14、為３．７１％，這三種模型吸油口截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)平均值最大相差１．４６％；氣泡直徑在１．０～２．０ｍｍ之間增大時，隔板位置對氣泡分離的影響不太明顯，因為油液中氣泡已靠自身上浮得以分離。 ３結(jié)論 對一種尺寸為５００ｍｍ２００ｍｍ３００ｍｍ油箱內(nèi)的氣液兩相流進(jìn)行流場仿真計算，驗證了氣泡在油液中上升的時間隨其直徑的增大而縮短的變化規(guī)律，對比分析了有無隔板以及隔板位置不同時，油液中氣泡的分離特點，得到以下結(jié)論：（１）隔板對直徑為０．３～１．０ｍｍ的氣泡分離影響明顯，通過隔板延長流動距離，有利于氣泡的分離；（２）直徑為１．０～２．０ｍｍ的氣泡本身上浮時間比較短，幾乎完全

15、可以從油液中分離，隔板對大氣泡分離影響很?。唬ǎ常榱颂岣哂鸵褐袣馀莸姆蛛x效率，可以考慮將小直徑氣泡積聚成大直徑氣泡。 參考文獻(xiàn)： ［１］李玉琳．液壓元件與系統(tǒng)設(shè)計［Ｍ］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，１９９１. ［２］王得勝，周愛平．液壓系統(tǒng)油箱的優(yōu)化設(shè)計方法研究［Ｊ］．河南理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，２０１２，３０（６）：６９０－６９４． ［７］孫東寧，劉新強，王金林，等．一體化電動液壓動力單元內(nèi)氣泡分布及氣泡分離方法的研究［Ｊ］．甘肅科學(xué)學(xué)報，２０１５，２７（２）：８８－９２． ［８］祁冠芳，張蕉蕉，孫家根．液壓油箱小型化及研發(fā)新動向［Ｊ］．機床與液壓，２０１２，３９（２４）：６６－６８，１０４． ［１０］王煥然，李彥鵬，楊棟，等．黏性液體中單個氣泡上升的形狀特性［Ｊ］．工程熱物理學(xué)報，２００９，３０（９）：１４９２－１４９４．