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1、液壓油箱內(nèi)部隔板對(duì)氣泡分離的作用 液壓油箱內(nèi)部隔板對(duì)氣泡分離的作用 2016/12/07 《甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)》2016年第5期 摘要： 利用Ｆｌｕｅｎｔ中的歐拉－歐拉多相流模型，對(duì)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(jì)算，驗(yàn)證了氣泡在油液中上浮的時(shí)間隨其直徑的增大而縮短的變化規(guī)律，對(duì)比分析了有無隔板以及隔板位置不同時(shí)，油液中不同直徑氣泡的分離特點(diǎn)。結(jié)果表明：隔板對(duì)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(dòng)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(shí)間比較短，幾乎完全可以從油液中分離，隔板對(duì)大氣泡分離影響很小。 關(guān)鍵詞： 液壓油箱；上浮時(shí)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(chǔ)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(huì)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(duì)氣泡分離方法的研究，主要采用強(qiáng)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(dòng)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(shí)間變短，并且油液中氣泡的分離時(shí)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(jì)［９］。在油箱中設(shè)置隔板，可延長油液在油箱內(nèi)的停留時(shí)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(shí)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(yùn)動(dòng)分布是一個(gè)典型的氣液兩相流動(dòng)現(xiàn)象［１０］。研究利用Ｆｌｕ－ｅｎｔ中的歐拉－歐拉多相流模型對(duì)液壓油箱內(nèi)部流場進(jìn)行氣液兩相流三維數(shù)值計(jì)算，分析了不同直徑的氣泡在油箱內(nèi)的分布特點(diǎn)，對(duì)比三種隔板設(shè)置方式對(duì)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(jì)算模型與計(jì)算條件 １．１計(jì)算模型 圖１為液壓油箱（尺寸：５００ｍｍ２００ｍｍ３００ｍｍ）的三維ＣＦＤ幾何模型，計(jì)算區(qū)域?yàn)橛拖浠赜涂诘接拖湮涂诘牧黧w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(dòng)，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(dòng)，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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(duì)主相（液壓油）和離散相（氣泡）進(jìn)行仿真計(jì)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且詺馀菪问酱嬖冢僭O(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(dòng)力粘度為０．０３９５６ｋｇ／ｍｓ，運(yùn)動(dòng)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(duì)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(dòng)。該計(jì)算采用三維瞬態(tài)計(jì)算，收斂殘差精度?。保埃?，進(jìn)、出口流量誤差小于５％時(shí)認(rèn)為計(jì)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(diǎn) 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(diǎn)。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?。埃担恚頃r(shí)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(diǎn)，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(jì)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(shí)，吸油口Ａ－Ａ截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)隨之減?。粴馀葜睆綖椋埃常恚?、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ時(shí)，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(shí)，吸油口Ａ－Ａ截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)減小幅度變??；氣泡直徑為１．５ｍｍ、２．０ｍｍ時(shí)，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(shí)，回油油液會(huì)攜帶空氣流入到

9、油箱內(nèi)，油箱內(nèi)油液的紊流流動(dòng)和局部的氣穴都會(huì)促使油液中的空氣形成氣泡，部分氣泡會(huì)上浮到液面，從油液中逸出，其上升時(shí)間會(huì)受到直徑大小、油液粘度等因素的影響。一般地，氣泡上浮１ｍ所需的時(shí)間為［９］Ｔ＝１８ｖｇｄ２，（１）其中：Ｔ為氣泡上浮１ｍ所需時(shí)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(yùn)動(dòng)粘度（ｍｍ２／ｓ）。由式（１）可知，氣泡上浮１ｍ所需的時(shí)間與其直徑ｄ的平方成反比，即氣泡直徑越大，上?。保硭璧臅r(shí)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(shí)，氣泡在油液中上?。保硭脮r(shí)

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(shí)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(shí)間縮短，進(jìn)口氣體體積分?jǐn)?shù)一定時(shí)，隨著油液到達(dá)吸油口的氣泡就會(huì)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(duì)氣泡分離的影響 圖６為氣泡直徑ｄ?。埃担恚頃r(shí)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(duì)比分析無隔板與隔板在不同位置時(shí)氣泡的分離特點(diǎn)。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(duì)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(duì)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(duì)比變化情況，每條曲線上的５個(gè)點(diǎn)分別代表氣泡直徑為０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍ時(shí)，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(duì)比可得：氣泡直徑在０．３～２．０ｍｍ之間增大時(shí)，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(shí)，吸油口截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)平均值均小于無隔板時(shí)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(shí)，加置隔板的模型對(duì)氣泡分離的影響顯著；當(dāng)氣泡直徑為０．５ｍｍ時(shí)，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埃保ィ粴馀葜睆皆冢保啊玻埃恚碇g增大時(shí)，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?yàn)橛蓤D５

13、可得，氣泡直徑大于１ｍｍ時(shí)，氣泡浮出液面的時(shí)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(shí)，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?yàn)槟Ｐ停粗?，油液在油箱中停留的時(shí)間最長，氣泡有更多時(shí)間上浮，所以吸油口截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)平均值會(huì)更??；當(dāng)氣泡直徑為０．５ｍｍ時(shí)，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(shí)，隔板位置對(duì)氣泡分離的影響不太明顯，因?yàn)橛鸵褐袣馀菀芽孔陨砩细〉靡苑蛛x。 ３結(jié)論 對(duì)一種尺寸為５００ｍｍ２００ｍｍ３００ｍｍ油箱內(nèi)的氣液兩相流進(jìn)行流場仿真計(jì)算，驗(yàn)證了氣泡在油液中上升的時(shí)間隨其直徑的增大而縮短的變化規(guī)律，對(duì)比分析了有無隔板以及隔板位置不同時(shí)，油液中氣泡的分離特點(diǎn)，得到以下結(jié)論：（１）隔板對(duì)直徑為０．３～１．０ｍｍ的氣泡分離影響明顯，通過隔板延長流動(dòng)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(shí)間比較短，幾乎完全

15、可以從油液中分離，隔板對(duì)大氣泡分離影響很??；（３）為了提高油液中氣泡的分離效率，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(jì)［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(jì)方法研究［Ｊ］．河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，２０１２，３０（６）：６９０－６９４． ［７］孫東寧，劉新強(qiáng)，王金林，等．一體化電動(dòng)液壓動(dòng)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(bào)，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(dòng)向［Ｊ］．機(jī)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(gè)氣泡上升的形狀特性［Ｊ］．工程熱物理學(xué)報(bào)，２００９，３０（９）：１４９２－１４９４．