韓鋒鋼，王 方，張功元，彭 倩，鐘穎強(qiáng)

(1.廈門理工學(xué)院，福建 廈門 361024；2.福建僑龍專用車有限公司，福建 龍巖 364000)

液壓油冷卻的熱流固耦合分析

韓鋒鋼1，王 方1，張功元2，彭 倩1，鐘穎強(qiáng)1

(1.廈門理工學(xué)院，福建 廈門 361024；2.福建僑龍專用車有限公司，福建 龍巖 364000)

通過建立排水泵新型液壓冷卻裝置中水、液壓油管及液壓油之間的耦合傳熱仿真模型，分析水泵在排水流量為1 500 m3/h的工況下其液壓系統(tǒng)中液壓油的冷卻情況，得到水、液壓油、液壓油管的溫度場和排水管進(jìn)出口端壓強(qiáng)。結(jié)果表明：液壓油溫度由338 K降低到325 K，冷卻效果理想；排水管進(jìn)出口端的壓強(qiáng)差為3 518 Pa，計(jì)算得出局部阻力系數(shù)為0.349；將液壓油管置于水管中冷卻，對排水管的能量損耗小。

液壓油；冷卻；熱流固耦合分析

0 引言

液壓油是工業(yè)發(fā)展的血液，是實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的性能和可靠運(yùn)行的重要保證。但液壓系統(tǒng)的能量損失很嚴(yán)重，一般有大于20%的輸入功率轉(zhuǎn)化為熱能，其中的一小部分熱能被周圍的大氣吸收，大部分滯留在液壓油與系統(tǒng)元件中，使其溫度升高。當(dāng)液壓油溫度高于328 K時(shí)，油液黏度顯著下降，氧化速度加快，這時(shí)溫度每升高8 K～10 K，液壓油的使用壽命就會縮短一半，并且系統(tǒng)泄漏量增加，容積效率明顯降低，橡膠密封件加速老化，失去密封功效[1-2]，因此，必須對其進(jìn)行有效的冷卻。

液壓油的冷卻問題一直以來就是工業(yè)界的一個(gè)研究熱點(diǎn)，人們經(jīng)過長期的探索，已取得了豐碩的研究成果。文獻(xiàn)[3-5]研究的冷卻系統(tǒng)能有效解決液壓油冷卻不足及冷啟動(dòng)困難的問題。文獻(xiàn)[6]對不同配置裝載機(jī)液壓系統(tǒng)的過熱問題提出相應(yīng)改進(jìn)方案，且通過計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果證明方案的可行性。文獻(xiàn)[7]中論述的新型冷卻裝置能產(chǎn)生很好的冷卻效果。

液壓油的冷卻有兩種方式：一種是由冷卻器冷卻，并配備獨(dú)立的冷卻水泵及動(dòng)力；另一種是將冷卻管外置，但需要將其全部浸沒在冷卻液中，并至少應(yīng)達(dá)到2 m才能達(dá)到冷卻效果。在某疏浚車作業(yè)過程中，給排水管道供能的液壓油泵的液壓油油溫不得超過333 K才能保證油泵的正常工作，因此必須對其進(jìn)行有效的冷卻?；谔坠苁綋Q熱器原理，設(shè)計(jì)出一種新型的液壓油冷卻裝置，將回油管一部分加工成S型，再巧妙地將S型部分置于排水車的排水管內(nèi)，利用工作時(shí)的抽水水流對液壓油冷卻，將油管內(nèi)的液壓油溫度降低到333 K以下，省去了其余散熱裝置，簡化了排水車的構(gòu)造。本文利用Fluent軟件，對裝置里的水、液壓油管及液壓油三者之間進(jìn)行熱流固耦合傳熱分析。

1 流固耦合傳熱分析及基本原理

流固耦合傳熱分析是把流體與固體作為一個(gè)整體進(jìn)行仿真，國內(nèi)有大量的研究成果，為流固耦合傳熱分析打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[8-11]。新型的液壓油冷卻裝置的工作原理是通過油管將液壓油的熱量傳給排水管內(nèi)的水來冷卻液壓油，對于液壓油-油管-水三者之間的耦合傳熱分析采用了第三類邊界條件，即給定傳熱系數(shù)與流體溫度。表1為主要材料的性能參數(shù)。

表1 主要材料的性能參數(shù)

1.1 CFD分析的數(shù)學(xué)模型

由于排水管受熱影響很小，且不是考慮對象，故只考慮以下3個(gè)問題：①液壓油和水在管程和殼程內(nèi)的湍流流動(dòng)過程；②液壓油和水與油管內(nèi)外壁面之間的對流傳熱過程；③溫度從油管壁面?zhèn)鲗?dǎo)到油管的每一個(gè)固體單元的過程。其CFD 分析的數(shù)學(xué)模型[12]是基于質(zhì)量、動(dòng)能、能量守恒的3個(gè)基本傳遞方程，將水、液壓油假設(shè)為湍流模式下的不可壓縮流體，采用基于湍流動(dòng)能κ和耗散率ε的標(biāo)準(zhǔn)κ-ε兩方程模型進(jìn)行分析。

(1) 連續(xù)性方程：

(1)

其中：ρ為流體介質(zhì)密度；u、v、w為介質(zhì)在x、y和z三軸向的流動(dòng)速度。

(2)x、y、z三軸向的動(dòng)量守恒方程分別如下：

(2)

(3)

(4)

其中：p為介質(zhì)壓力；μ為介質(zhì)黏度；Su、Sv、Sw為動(dòng)量守恒方程的廣義源項(xiàng)。

(3) 湍流動(dòng)能κ輸運(yùn)方程：

(5)

其中：κ為流體的湍動(dòng)強(qiáng)度；ε為流體的湍流耗散率；σκ為湍流動(dòng)能κ對應(yīng)的Prandtl數(shù)，其值取1.0；μt為流體湍流黏性系數(shù)；Gκ為由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能κ的產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為由于浮力引起的湍動(dòng)能κ的產(chǎn)生項(xiàng)；YM為湍流膨脹耗散項(xiàng)；Sκ為用戶定義的源項(xiàng)，其值取0。

(4) 湍流耗散率ε輸運(yùn)方程：

(6)

其中：σε為耗散率ε對應(yīng)的Prandtl數(shù)，其值取1.3；C1ε、C2ε和C3ε均為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，其值分別取1.44、1.92和0.09；Sε為用戶定義的源項(xiàng)，其值取0。

1.2 對流換熱基本方程

對流換熱系數(shù)的取值與換熱過程中流體的物理性質(zhì)、換熱表面的形狀和部位、換熱表面與流體之間的溫差以及流體的流速等都有密切關(guān)系。換熱表面附近的流速愈大，其表面對流換熱系數(shù)也愈大；流體與固體壁面之間對流傳熱的熱流與它們的溫度差成正比。

對流換熱方程為：

q=a(Ts-Tf).

(7)

qA=aA(Ts-Tf).

(8)

其中：q為熱流密度，W/m2；Ts、Tf分別為固體表面和流體的溫度，K；A為壁面面積，m2；qA為面積A上的傳熱熱量，W；a為表面對流傳熱系數(shù)，W/(K-1·m2)。

由式(7)、式(8)可以求得對流系數(shù)a，然后通過耦合將流體表面溫度耦合到固體表面。熱流固耦合傳熱計(jì)算的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)流體與固體邊界上的熱量傳遞。由能量守恒原理可知，在流體與固體的耦合交界面處，固體傳出的熱量應(yīng)等于流體吸收的熱量。因此，可用下式表示流體與固體邊界面上的熱量傳遞過程：

(9)

其中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)。

1.3 熱傳導(dǎo)基本方程

流體表面溫度被耦合添加到固體表面以后，溫度通過熱傳導(dǎo)添加到固體單元的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，得到固體零件的溫度場分布。熱傳導(dǎo)的基本公式[13]為：

qA1=λ(Ts-Tf)tA1·δ-1.

(10)

其中：δ為殼體厚度，就是傳導(dǎo)媒介長度；t為傳導(dǎo)時(shí)間；A1為接觸面積。

2 有限元模型的建立

使用UG三維設(shè)計(jì)軟件建立新型冷卻裝置各部分的三維模型，如圖1所示。

圖1 冷卻裝置三維模型

2.1 網(wǎng)格劃分

高的網(wǎng)格質(zhì)量是得到準(zhǔn)確和可靠計(jì)算結(jié)果的先決條件[14]，ANSYS Workbench具有良好的網(wǎng)格劃分能力，可采用自適應(yīng)網(wǎng)格、四面體網(wǎng)格、六面體網(wǎng)格和掃描網(wǎng)格等，并可以對其劃分過程和劃分參數(shù)進(jìn)行控制。本文采用Hypermesh 11.0前處理軟件對水、液壓油流體域和液壓油管結(jié)構(gòu)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到水域的網(wǎng)格、液壓油域的網(wǎng)格和液壓油管的網(wǎng)格，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格模型

2.2 邊界條件

由于水管的內(nèi)徑是油管外徑的7倍，所以做如下簡化：忽略水與水管之間的對流換熱，并直接把水管去掉，只分析水、液壓油流體域與油管三者的耦合傳熱。初始條件為：水溫295 K，流速4.485 m/s；液壓油溫度338 K，流速3.2 m/s。

3 結(jié)果與分析

把劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent，創(chuàng)建邊界條件，計(jì)算，得到水與液壓油的溫度云圖、液壓油管壁的溫度云圖、水和液壓油的速度云圖以及水管中水的壓力變化云圖，如圖3～圖7所示。

圖3 液壓油與水的溫度云圖

由圖3可知，水管中水的溫度變化微小，可以忽略不計(jì)，油管出口的油溫為325 K，即液壓油的溫度從338 K降到了325 K，表明該散熱裝置的散熱效果很好。從圖4可看出，液壓油管由于發(fā)生對流換熱，溫度從300 K降低到295 K，有效地防止了油管的熱應(yīng)力變形。由圖5可以看出，液壓油的速度在冷卻前后保持不變，始終為3.2 m/s。從圖6中可以看出，位置1、2和3的水流速度由于液壓油管的影響而降低，且水管的其他位置的水流速度均上升。由圖7可以看出，水壓從入口到出口呈下降的趨勢，入口處的水壓為13 682 Pa，出口處的水壓為10 164 Pa，壓強(qiáng)差Δp=3 518 Pa，可計(jì)算局部損失系數(shù)ξ=2Δp/pv2=0.349，該新型結(jié)構(gòu)對水流的流速和水管出入端口的壓強(qiáng)差的影響不太明顯。

圖4 液壓油管壁的溫度云圖

圖5 液壓油的速度云圖

圖6 水流的速度云圖

4 結(jié)論

(1) 液壓油冷卻裝置將液壓油溫度從338 K冷卻到325 K，液壓油管溫度從300 K降低到295 K，有效地防止了油管的熱應(yīng)力變形。說明該新型冷卻裝置的冷卻效果很理想，可以保證疏浚車的工作質(zhì)量與時(shí)間，

有利于抗洪救險(xiǎn)工作。

(2) 該新型結(jié)構(gòu)(把液壓油管設(shè)計(jì)于排水管中)，不需要單獨(dú)的冷卻系統(tǒng)，簡化了疏浚車的局部結(jié)構(gòu)，降低了整車質(zhì)量。

(3) 該新型結(jié)構(gòu)對水流的流速和水管出入端口的壓強(qiáng)差的影響不太明顯，表明該設(shè)計(jì)思路正確合理，值得借鑒與推廣。

圖7 水管中水的壓力變化云圖

[1] 游善蘭,唐文紅.行走機(jī)械的液壓冷卻系統(tǒng)[J].工程機(jī)械,2001(6):36-37.

[2] 郭健名.液壓系統(tǒng)溫度控制方案[J].自動(dòng)化應(yīng)用,2013(2):30-31.

[3] 尹靜.筑路機(jī)械電液混合智能冷卻系統(tǒng)的研制[D].泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué),2004:55-56.

[4] 吳海榮.筑路機(jī)械冷卻裝置液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué),2005:70-71.

[5] 劉永進(jìn).工程機(jī)械電液混合驅(qū)動(dòng)冷卻裝置控制系統(tǒng)研究[D].泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué),2006:53-55.

[6] 王劍鵬.50型裝載機(jī)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性與熱平衡研究[D].長春：吉林大學(xué),2011:115-123.

[7] 唐志平.一種應(yīng)用于液壓閉式回路的冷卻裝置[J].液壓與氣動(dòng),2011(10):40-41.

[8] 駱清國，劉紅彬，龔正波.柴油機(jī)氣缸蓋流固耦合傳熱分析研究[J].兵工學(xué)報(bào)，2008，29(7)：769-773.

[9] 周稹，薛冬新，唐斌，等.某中速柴油機(jī)冷卻液流動(dòng)及流固耦合傳熱計(jì)算分析[J].柴油機(jī)，2013，35(1)：27-31.

[10]陳紅巖,李婷.柴油機(jī)活塞-缸套-冷卻水系統(tǒng)固流耦合傳熱研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2006,37(5):37-40.

[11]李迎.內(nèi)燃機(jī)流固耦合傳熱問題數(shù)值仿真與應(yīng)用研究[D].杭州：浙江大學(xué),2006:30-31.

[12]陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2004.

[13]皮茨·西索姆.傳熱學(xué)[M].葛新石，譯.北京：科學(xué)出版社，2002.

[14]董亮，劉厚林,王勇，等.一種驗(yàn)證網(wǎng)格質(zhì)量與CFD計(jì)算精度關(guān)系的方法[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,43(11)：4293-4299.

Hydraulic Oil Cooling Heat-Fluid-Solid Coupling Analysis

HAN Feng-gang1, WANG Fang1, ZHANG Gong-yuan2, PENG Qian1, ZHONG Ying-qiang1

(1.Xiamen University of Technology, Xiamen 361024, China; 2.Fujian Qiaolong Special Purpose Vehicle Co., Ltd., Longyan 364000, China)

By establishing the coupling finite element model of heat-fluid-solid, the cooling problem of the hydraulic oil is analyzed under the conditions of the pump’s drain water flow of 1 500 m3/h, the temperature fields of water, hydraulic oil and hydraulic tube are got, and the pressure difference between inlet and outlet of drain pipe is obtained. The result indicates that the temperature of hydraulic oil is reduced from 338 K to 325 K, which shows the cooling effect of the new type of hydraulic oil cooling installation is very good; the pressure difference between inlet and outlet of drain pipe is 3 518 Pa，the coefficient of partial flow resistance is 0.349，which shows the design putting the hydraulic tube into the drain pipe has small effect on the drainage energy loss.

hydraulic oil; cooling; heat-fluid-solid coupling analysis

1672- 6413(2015)06- 0067- 03

2015- 08- 14；

2015- 10- 25

韓鋒鋼(1965-)，男，陜西臨潼人，高級工程師，碩士，主要從事車輛整車及過程質(zhì)量評價(jià)方法、客車研發(fā)質(zhì)量控制及項(xiàng)目管理研究。

TP391.7

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