馬曉霞,冀 宏,鄭 直,張繼銘

(1.蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,甘肅蘭州 730050; 2.甘肅省液壓氣動工程技術(shù)研究中心,甘肅蘭州 730050)

液壓油箱內(nèi)部隔板對氣泡分離的影響

馬曉霞1,2,冀 宏1,2,鄭 直1,2,張繼銘1,2

(1.蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,甘肅蘭州 730050; 2.甘肅省液壓氣動工程技術(shù)研究中心,甘肅蘭州 730050)

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(jì)算,驗(yàn)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(diǎn)。結(jié)果表明:隔板對直徑為0.3～1.0 mm的氣泡分離影響明顯,通過隔板延長油液流動距離,有利于氣泡的上浮分離;直徑為1～2 mm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。

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(qiáng)制式氣泡去除方法,例如通過氣液旋流分離器[4-6]、油液流動擾流器[7]來分離氣泡。

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(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(yùn)動分布是一個典型的氣液兩相流動現(xiàn)象[10]。研究利用Fluent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(jì)算,分析了不同直徑的氣泡在油箱內(nèi)的分布特點(diǎn),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:500 mm×200 mm× 300 mm)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,隔板1、隔板2厚度為3 mm,寬度為195 mm,高度為200 mm;

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3 mm,寬度為165 mm,高度為295 mm;

模型4:隔板長度為435 mm,厚度為3 mm,高度為295 mm。

圖1 三維CFD幾何模型Fig.1 3D CFD geometry model

1.2 網(wǎng)格劃分

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。

圖2 模型3的網(wǎng)格生成模型Fig.2 Model diagram of mesh generation of Model 3

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)。

混入液壓油中的空氣主要是以氣泡形式存在,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860 kg/m3,動力粘度為0.039 56 kg/m·s,運(yùn)動粘度為46 mm2/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1.225 kg/m3,氣體粘度為1×10－5kg/m·s;出口邊界條件為速度出口,速度為0.54 m/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(jì)算采用三維瞬態(tài)計(jì)算,收斂殘差精度取10－6,進(jìn)、出口流量誤差小于5%時認(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0.3 mm、0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm。圖3為模型1氣泡直徑d取0.5 mm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%。

圖3 模型1氣體體積分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.3 Cloud chart of gas volume fraction distribution of Model 1

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所示。

圖4 氣體體積分?jǐn)?shù)隨氣泡直徑的變化曲線Fig.4 Changing curve of gas volume fraction with bubble diameter

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0.3～1.0 mm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0.3 mm、0.5 mm、1.0 mm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1～2 mm之間增大時,吸油口A-A截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)減小幅度變小;氣泡直徑為

1.5 mm、2.0 mm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,氣泡上浮1 m所需的時間為[9]

其中:T為氣泡上浮1 m所需時間(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)動粘度(mm2/s)。

由式(1)可知,氣泡上浮1 m所需的時間與其直徑d的平方成反比,即氣泡直徑越大,上浮1 m所需的時間越短。

根據(jù)前述可知v＝46 mm2/s,由式(1)可得,當(dāng)氣泡直徑d為0.3 mm、0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm時,氣泡在油液中上浮1 m所用時間分別為15.63 min、5.63 min、1.41 min、0.63 min、0.35 min。油液中氣泡上浮1 m所需時間隨氣泡直徑大小的變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 氣泡上浮時間隨其直徑的變化曲線Fig.5 Changing curve of bubble floating time with their diameter

結(jié)合圖4與圖5知,隨著氣泡直徑d在0.3～2 mm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取0.5 mm時模型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%。

圖6 氣體體積分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.6 Cloud chart of gas volume fraction distribution

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(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(diǎn)分別代表氣泡直徑為0.3 mm、0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm時,吸油口指定截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)平均值。

圖7 氣體體積分?jǐn)?shù)隨氣泡直徑的變化曲線Fig.7 Changing curve of gas volume fraction with the bubble diameter

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0.3～2.0 mm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0.3～1.0 mm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0.5 mm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)平均值最高可減小3.01%;氣泡直徑在1.0～2.0 mm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?yàn)橛蓤D5可得,氣泡直徑大于1 mm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0.3～1.0 mm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?yàn)槟Ｐ?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)平均值會更小;當(dāng)氣泡直徑為0.5 mm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1.0～2.0 mm之間增大時,隔板位置對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

對一種尺寸為500 mm×200 mm×300 mm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(diǎn),得到以下結(jié)論:

(1)隔板對直徑為0.3～1.0 mm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1.0～2.0 mm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;

(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。

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The Influence of Hydraulic Oil Container＇s Internal Separator on Bubble Separatio

Ma Xiaoxia1,2,Ji Hong1,2,Zheng Zhi1,2,Zhang Jiming1,2
(1.College of Energy and Power Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou730050,China; 2.Research Center for Hy draulics and Pneumatics Engineering of Gansu Province,Lanzhou730050,China)

This papers uses the Euler-Euler Multiphase Model in the Fluent to make gas liquid two-phase flow three dimensional numerical calculation on a certain hydraulic oil tank inner flow field,verifying the change rule that bubble＇s ascent time in the oil will shorten with its diameter increase.It also makes comparative analysis of the separation characteristics of different diameter bubbles in the oil with or without separator and in different separator positions.The results shows that:the separator has great influence on the 0.3～1.0 mm diameter of bubbles.Extend the oil flow distance through the separator can help bubbles float separation.

Hydraulic reservoir;Floating time;Baffle;Bubble diameter;Bubble separation

TH137

:A

:1004-0366(2016)05-0051-05

2015-03-23;

:2015-05-16.

國家自然科學(xué)基金(51465033).

馬曉霞(1989-),女,甘肅張掖人,碩士,研究方向?yàn)榱黧w傳動與控制技術(shù).E-mail:mxx_410＠163.com.

Ma Xiaoxia,Ji Hong,Zheng Zhi,et al.The Influence of Hydraulic Oil Container＇s Internal Separator on Bubble Separatio[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(5):51-55.[馬曉霞,冀宏,鄭直,等.液壓油箱內(nèi)部隔板對氣泡分離的影響[J].甘肅科學(xué)學(xué)報,2016,28(5):51-55.]

10.16468/j.cnkii.ssn1004-0366.2016.05.013.