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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(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0.3~1.0mm的氣泡分離影響明顯,通過隔板延長(zhǎng)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(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,例如通過氣液旋流分離器[4-6]、油液流動(dòng)擾流器[7]來(lái)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(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[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(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
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(zhǎng)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(wàn),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(chǎng)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?,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(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(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??;氣泡直徑為0.3mm、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)減小幅度變小;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(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(wú)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?;氣泡直徑在1.0~2.0mm之間增大時(shí),四種模型吸油口截面處的氣體體積分?jǐn)?shù)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(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(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:(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(zhǎng)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?。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。
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