液压油箱内部隔板对气泡分离的作用

液压油箱内部隔板对气泡分离的作用液压油箱内部隔板对气泡分离的作用 2016/12/07 甘肃科学学报2016年第5期摘要：利用中的欧拉欧拉多相流模型，对一种液压油箱内部流场进行气液两相流三维数值计算，验证了气泡在油液中上浮的时间随其直径的增大而缩短的变化规律，对比分析了有无隔板以及隔板位置不同时，油液中不同直径气泡的分离特点。结果表明：隔板对直径为的气泡分离影响明显，通过隔板延长油液流动距离，有利于气泡的上浮分离；直径为的气泡，本身上浮时间比较短，几乎完全可以从油液中分离，隔板对大气泡分离影响很小。关键词：液压油箱；上浮时间；隔板；气泡直径；气泡分离在液压系统中，油箱是液压系统的重要组成部分，其主要作用是储存液压系统循环所需的油液、散热以及分离油液中的空气等，。而油液中气泡的存在会导致系统出现气穴、噪声等问题，严重危害着系统的可靠性和稳定性。因此，分离油液中的空气是十分必要的，近年来国内外针对气泡分离方法的研究，主要采用强制式气泡去除方法，例如通过气液旋流分离器、油液流动扰流器来分离气泡。目前，液压系统向着小型化方向发展，但液压系统的小型化离不开液压油箱的小型化。液压油箱的小型化意味着油液在油箱内循环的时间变短，并且油液中气泡的分离时间也缩短，因此，为了避免这些问题，必须重视油箱的结构设计。在油箱中设置隔板，可延长油液在油箱内的停留时间并引导液压油在油箱中的合理流向，使气泡有更多的时间浮出，以免被泵再次吸入。气泡作为分散相，在粘性液体中的运动分布是一个典型的气液两相流动现象。研究利用中的欧拉欧拉多相流模型对液压油箱内部流场进行气液两相流三维数值计算，分析了不同直径的气泡在油箱内的分布特点，对比三种隔板设置方式对泵吸油口气泡含量的影响，为液压油箱内隔板的设置提供参考依据。油箱的计算模型与计算条件计算模型图为液压油箱（尺寸：）的三维几何模型，计算区域为油箱回油口到油箱吸油口的流体区域。模型：油箱内不加隔板；模型：加置隔板后，油液如图（）所示的流向流动，隔板、隔板厚度为，宽度为，高度为；模型：加置隔板后，油液如图（）所示的流向流动，隔板、隔板厚度为，宽度为，高度为；模型：隔板长度为，厚度为，高度为。网格划分为了获得较为准确的计算结果，网格需进行局部细化，吸油管路、回油管路表面以及隔板表面边界层都需要至少层网格，计算模型的网格单元总数大约为万，网格质量为左右。模型的网格生成模型如图所示。计算条件提供的多相流模型中，欧拉模型适用于弥散相集中于计算域的局部和有一相混合或分离的场合，采用欧拉欧拉模型的湍流模型对主相（液压油）和离散相（气泡）进行仿真计算。在该模型中，气泡也作为连续相处理并占有一定的体积分数。混入液压油中的空气主要是以气泡形式存在，假设气泡为理想球体，气泡大小通过在分相中设置直径大小来确定，气泡参数按理想气体取值。介质物性参数：油液密度为，动力粘度为，运动粘度为，油液温度为。边界条件设置：进口边界条件为压力进口，相对压力为，气泡的体积分数为，气体密度设为，气体粘度为；出口边界条件为速度出口，速度为；油箱流域上表面设置排气条件，排气代替自由表面流动。该计算采用三维瞬态计算，收敛残差精度取，进、出口流量误差小于时认为计算收敛。气泡在油箱内的分布不同直径气泡的分布特点以图（）所示模型的内流场分布为例，分析不同直径气泡的分布特点。进口气体体积分数为，气泡直径分别取为、。图为模型气泡直径取时的气体体积分数分布云图。油液由回油口冲入油箱，在油箱底部形成漩涡，气泡随着油液一部分上浮出液面，一部分被带入吸油口。由图可知，油箱内气体体积分数平均值约为；与油箱内其他区域相比，油液上表面气体体积分数偏大，油箱底部气泡含量最低，气体体积分数最小值为；吸油管上表面气泡聚集最多，气体体积分数约为。为了定量分析不同直径的气泡的分布特点，取吸油口截面处的气体体积分数平均值进行统计分析，如图所示。图给出了吸油口截面处的气体体积分数随气泡直径的变化情况。由图可以看出，当气泡直径在之间增大时，吸油口截面处的气体体积分数随之减小；气泡直径为、时，吸油口截面处的气体体积分数平均值分别为、，与进口气体体积分数相比，气体体积分数平均值分别降低了、；当气泡直径在之间增大时，吸油口截面处的气体体积分数减小幅度变小；气泡直径为、时，吸油口截面处的气体体积分数平均值几乎为零。液压系统工作时，回油油液会携带空气流入到油箱内，油箱内油液的紊流流动和局部的气穴都会促使油液中的空气形成气泡，部分气泡会上浮到液面，从油液中逸出，其上升时间会受到直径大小、油液粘度等因素的影响。一般地，气泡上浮所需的时间为，（）其中：为气泡上浮所需时间（）；为常量；为气泡直径（）；为重力加速度（）；为运动粘度（）。由式（）可知，气泡上浮所需的时间与其直径的平方成反比，即气泡直径越大，上浮所需的时间越短。根据前述可知，由式（）可得，当气泡直径为、时，气泡在油液中上浮所用时间分别为、。油液中气泡上浮所需时间随气泡直径大小的变化规律如图所示。结合图与图知，随着气泡直径在之间增大，气泡上浮的时间缩短，进口气体体积分数一定时，随着油液到达吸油口的气泡就会减少，即吸油口截面处的气体体积分数减小。隔板位置对气泡分离的影响图为气泡直径取时模型、模型、模型的气体体积分数分布云图。由图可知，模型、模型、模型中，油箱内气体体积分数平均值分别约为、；油箱底部气泡含量最低，气体体积分数最小值分别为、；吸油管上表面气泡聚集最多，气体体积分数分别约为、。结合图中模型与图中模型、模型、模型的内流场分布，对比分析无隔板与隔板在不同位置时气泡的分离特点。模型、模型、模型均取吸油口截面处的气体体积分数平均值，模型取吸油口截面处的气体体积分数平均值，对以上四种模型指定截面处的气体体积分数平均值进行对比分析。图给出了四种模型吸油口指定截面处的气体体积分数随气泡直径的对比变化情况，每条曲线上的个点分别代表气泡直径为、时，吸油口指定截面处的气体体积分数平均值。将图中模型与模型、模型、模型对比可得：气泡直径在之间增大时，四种模型吸油口截面处的气体体积分数均减小，且加置隔板时，吸油口截面处的气体体积分数平均值均小于无隔板时的气体体积分数平均值；气泡直径在范围内增大时，加置隔板的模型对气泡分离的影响显著；当气泡直径为时，模型吸油口截面处的气体体积分数平均值约为，模型吸油口截面处的气体体积分数平均值为，吸油口截面处的气体体积分数平均值最高可减小；气泡直径在之间增大时，四种模型吸油口截面处的气体体积分数平均值几乎为零。因为由图可得，气泡直径大于时，气泡浮出液面的时间比较短，油液中的气泡几乎完全可以依靠自身上浮得以分离，所以吸油口处的气泡含量几乎为零。由模型、模型与模型可得：隔板位置不同，气泡直径在之间增大时，吸油口截面处的气体体积分数也不同，模型吸油口截面处的气体体积分数平均值均比模型、模型吸油口截面处的气体体积分数平均值低，因为模型中，油液在油箱中停留的时间最长，气泡有更多时间上浮，所以吸油口截面处的气体体积分数平均值会更小；当气泡直径为时，模型、模型吸油口截面处的气体体积分数平均值分别为、，模型吸油口截面处的气体体积分数平均值为，这三种模型吸油口截面处的气体体积分数平均值最大相差；气泡直径在之间增大时，隔板位置对气泡分离的影响不太明显，因为油液中气泡已靠自身上浮得以分离。结论对一种尺寸为油箱内的气液两相流进行流场仿真计算，验证了气泡在油液中上升的时间随其直径的增大而缩短的变化规律，对比分析了有无隔板以及隔板位置不同时，油液中气泡的分离特点，得到以下结论：（）隔板对直径为的气泡分离影响明显，通过隔板延长流动距离，有利于气泡的分离；（）直径为的气泡本身上浮时间比较短，几乎完全可以从油液中分离，隔板对大气泡分离影响很小；（）为了提高油液中气泡的分离效率，可以考虑将小直径气泡积聚成大直径气泡。参考文献：李玉琳液压元件与系统设计北京：北京航空航天大学出版社，.王得胜，周爱平液压系统油箱的优化设计方法研究河南理工大学学报：自然科学版，（）：孙东宁，刘新强，王金林，等一体化电动液压动力单元内气泡分布及气泡分离方法的研究甘肃科学学报，（）：祁冠芳，张蕉蕉，孙家根液压油箱小型化及研发新动向机床与液压，（）：，王焕然，李彦鹏，杨栋，等黏性液体中单个气泡上升的形状特性工程热物理学报，（）：