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：利用中的歐拉歐拉多相流模型，對(duì)一種液壓油箱內(nèi)部流場(chǎng)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(wú)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)直徑為的氣泡分離影響明顯，通過(guò)隔板延長(zhǎng)油液流動(dòng)距離，有利于氣泡的上浮分離；直徑為的氣泡，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，。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(wèn)題，嚴(yán)重危害著系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。因此，分離油液中的空氣是十分必要的，近年來(lái)國(guó)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(guò)氣液旋流分離器、油液流動(dòng)擾流器來(lái)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(kāi)液壓油箱的小型化。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(wèn)題，必須重視油箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在油箱中設(shè)置隔板，可延長(zhǎng)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。研究利用中的歐拉歐拉多相流模型對(duì)液壓油箱內(nèi)部流場(chǎng)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，為液壓油箱內(nèi)隔板的設(shè)置提供參考依據(jù)。油箱的計(jì)算模型與計(jì)算條件計(jì)算模型圖為液壓油箱（尺寸：）的三維幾何模型，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：油箱內(nèi)不加隔板；模型：加置隔板后，油液如圖（）所示的流向流動(dòng)，隔板、隔板厚度為，寬度為，高度為；模型：加置隔板后，油液如圖（）所示的流向流動(dòng)，隔板、隔板厚度為，寬度為，高度為；模型：隔板長(zhǎng)度為，厚度為，高度為。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層網(wǎng)格，計(jì)算模型的網(wǎng)格單元總數(shù)大約為萬(wàn)，網(wǎng)格質(zhì)量為左右。模型的網(wǎng)格生成模型如圖所示。計(jì)算條件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(chǎng)合，采用歐拉歐拉模型的湍流模型對(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(guò)在分相中設(shè)置直徑大小來(lái)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，動(dòng)力粘度為，運(yùn)動(dòng)粘度為，油液溫度為。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，氣泡的體積分?jǐn)?shù)為，氣體密度設(shè)為，氣體粘度為；出口邊界條件為速度出口，速度為；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，收斂殘差精度取，進(jìn)、出口流量誤差小于時(shí)認(rèn)為計(jì)算收斂。氣泡在油箱內(nèi)的分布不同直徑氣泡的分布特點(diǎn)以圖（）所示模型的內(nèi)流場(chǎng)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，氣泡直徑分別取為、。圖為模型氣泡直徑取時(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。由圖可知，油箱內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)平均值約為；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；吸油管上表面氣泡聚集最多，氣體體積分?jǐn)?shù)約為。為了定量分析不同直徑的氣泡的分布特點(diǎn)，取吸油口截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖所示。圖給出了吸油口截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)隨氣泡直徑的變化情況。由圖可以看出，當(dāng)氣泡直徑在之間增大時(shí)，吸油口截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)隨之減?。粴馀葜睆綖?、時(shí)，吸油口截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)平均值分別為、，與進(jìn)口氣體體積分?jǐn)?shù)相比，氣體體積分?jǐn)?shù)平均值分別降低了、；當(dāng)氣泡直徑在之間增大時(shí)，吸油口截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)減小幅度變??；氣泡直徑為、時(shí)，吸油口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，氣泡上浮所需的時(shí)間為，（）其中：為氣泡上浮所需時(shí)間（）；為常量；為氣泡直徑（）；為重力加速度（）；為運(yùn)動(dòng)粘度（）。由式（）可知，氣泡上浮所需的時(shí)間與其直徑的平方成反比，即氣泡直徑越大，上浮所需的時(shí)間越短。根據(jù)前述可知，由式（）可得，當(dāng)氣泡直徑為、時(shí)，氣泡在油液中上浮所用時(shí)間分別為、。油液中氣泡上浮所需時(shí)間隨氣泡直徑大小的變化規(guī)律如圖所示。結(jié)合圖與圖知，隨著氣泡直徑在之間增大，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，即吸油口截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)減小。隔板位置對(duì)氣泡分離的影響圖為氣泡直徑取時(shí)模型、模型、模型的氣體體積分?jǐn)?shù)分布云圖。由圖可知，模型、模型、模型中，油箱內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)平均值分別約為、；油箱底部氣泡含量最低，氣體體積分?jǐn)?shù)最小值分別為、；吸油管上表面氣泡聚集最多，氣體體積分?jǐn)?shù)分別約為、。結(jié)合圖中模型與圖中模型、模型、模型的內(nèi)流場(chǎng)分布，對(duì)比分析無(wú)隔板與隔板在不同位置時(shí)氣泡的分離特點(diǎn)。模型、模型、模型均取吸油口截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)平均值，模型取吸油口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，每條曲線上的個(gè)點(diǎn)分別代表氣泡直徑為、時(shí)，吸油口指定截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)平均值。將圖中模型與模型、模型、模型對(duì)比可得：氣泡直徑在之間增大時(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(wú)隔板時(shí)的氣體體積分?jǐn)?shù)平均值；氣泡直徑在范圍內(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)氣泡直徑為時(shí)，模型吸油口截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)平均值約為，模型吸油口截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)平均值為，吸油口截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)平均值最高可減??；氣泡直徑在之間增大時(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D可得，氣泡直徑大于時(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、模型與模型可得：隔板位置不同，氣泡直徑在之間增大時(shí)，吸油口截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)也不同，模型吸油口截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)平均值均比模型、模型吸油口截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)平均值低，因?yàn)槟Ｐ椭?，油液在油箱中停留的時(shí)間最長(zhǎng)，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)更小；當(dāng)氣泡直徑為時(shí)，模型、模型吸油口截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)平均值分別為、，模型吸油口截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)平均值為，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；氣泡直徑在之間增大時(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。結(jié)論對(duì)一種尺寸為油箱內(nèi)的氣液兩相流進(jìn)行流場(chǎng)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(wú)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：（）隔板對(duì)直徑為的氣泡分離影響明顯，通過(guò)隔板延長(zhǎng)流動(dòng)距離，有利于氣泡的分離；（）直徑為的氣泡本身上浮時(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；（）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)：李玉琳液壓元件與系統(tǒng)設(shè)計(jì)北京：北京航空航天大學(xué)出版社，.王得勝，周愛(ài)平液壓系統(tǒng)油箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，（）：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甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，（）：祁冠芳，張蕉蕉，孫家根液壓油箱小型化及研發(fā)新動(dòng)向機(jī)床與液壓，（）：，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工程熱物理學(xué)報(bào)，（）：