液压油作为液压系统的传动介质，其含气率和颗粒物含量直接影响液压系统的性能以及液压元件的寿命。当液压油含气率过高时液压系统作业稳定性变差，散热效率会降低，并且液压元件容易产生汽蚀而烧损。液压油油箱作为液压系统的重要组成部件，起着联通液压系统、储存液压油、给液压油散热以及为液压油中气体析出和固体颗粒物沉降提供空间的作用，其内部结构设计的合理性直接影响液压油中气体的析出和混入，目前针对液压油箱内稳态流场研究较多，Vollmer和Frerichs等人采用CFD技术对比了油箱内有无隔板时油液中气泡的行为，提出了油箱设计合理性的评价标准[1]。张顺丰、何晓晖等人基于CFD方法对油箱内隔板形状和数量对油箱内流场和内壁受力进行了研究，结果表明合理的增加隔板数量，虽然会增加焊接产生的内应力，但会有利于减小油液内应力，并且有利于油液中气体的析出和颗粒物的沉降[2]。Singal V采用多相流仿真方法研究了隔板对油箱内油液晃动情况的影响，发现隔板的存在可以明显减弱油箱内的晃动[3]。李超通过仿真和实验相结合的方式对小型液压油箱的设计进行研究，从油液流动特性、颗粒沉降率、气泡去除率的角度对比了三款油箱的性能，为小空间油箱的设计提供了宝贵的设计经验和技术支撑[4]。目前主要是针对油箱内油液流域的稳态流场以及空气析出过程进行研究，但液压系统工作是瞬态过程，并且液压油箱设计不合理时油箱内可能会有空气再次混入油液中，因此对油箱内气液两相进行瞬态研究，能更准确的预测油箱的除气性能。
目前受流场测试技术限制，CFD仿真分析技术在内流域复杂的流场研究领域表现出明显的优势，以其成本低，全局可视化等优点，成为液压油箱内除气过程优化研究的重要研究手段。本文借助CFD仿真分析手段，针对液压油箱从开始回油至含气率稳定的回油过程过程进行瞬态仿真，研究扩散筒和隔板设计对该瞬态过程中吸油口含气率的影响，并对油箱内部结构进行优化后的对比分析，提高气液分离效率，减少空气混入油液，降低吸油口
含气率。
1 CFD计算模型与边界条件
1.1 计算模型
图1为某型液压油箱模型，由箱体、回油组件、吸油组件、隔板、呼吸阀组成，计算域为油箱回油入口至油箱吸油管路结束。吸油和回油滤芯对油箱内流场影响较小，简化成多孔圆筒。
图1 油箱模型
1.1 网格划分
采用Hypermesh对流域进行面网格划分，控制面网格尺寸和质量，在滤芯的孔处进行网格加密。采用Fluent meshing生成体网格，网格增长率为1.2，控制网格Skew小于0.8。面网格如图2所示。
图2 油箱面网格
1.3 模型设计及边界条件
本文采用瞬态计算方法,瞬态时间步长0.01s.湍流模型为k-epsilon Realizable，多相流模型为Vof，根据油箱内流场特性，相界面模型选择Sharp/dispersed。液压油为46#抗磨液压油，油箱回油温度为60℃，密度857Kg/m3，粘度为0.0146Pa·s。油箱回油口和吸油口均为速度入口（保持回油和吸油体积流量相同），呼吸阀为压力出口，压力为呼吸阀开启压力。油箱外壁面为对流边界，对流换热系数为10w/(m2·k)。数值求解计算方法选用Simplic算法，二阶迎风差分格式。
油箱回油口液压油含气率为8%，油箱初始液面高度为油箱内流域总高度的70%。流场初始相状态云图如图3所示，上部为空气域，下部为液压油区域。
图3 油箱内初始相云图
2 数值结果分析
2.1 初始模型结果分析
图4所示为液压油箱从初始回油至吸油口含气率稳定状态油箱内相分布云图，回油瞬间，油液冲击回油桶内空气（1s），将空气混入油液中流进油箱回油区（2s），混入空气的液压油向上流动，跨过隔板上方流入油箱吸油区（10s）。15s左右回油桶内初始存在的空气完全被携带至油箱内。
液压油流经隔板后进入吸油区，因隔板高度过高，隔板顶部和液面距离较近，导致横向流速较大，造成液面波动，相界面处空气再次混入液压油中。液面越低，隔板顶部流速越快，液面波动越大，混入的空气也越多（20~65S）。分析原因为回油过程中一部分空气在油箱内从液压油中析出，进入油箱上部空气域中，导致液压油体积减小，保证回油和吸油体积流量相同的边界条件下，油箱内液面会降低。实际工作过程中回油和吸油量随工况和液压泵转速而改变，油箱内液面高度也是不断变化的。
整个过程中回油区内和吸油口处液压油的含气率先上升后下降。当达到稳定后，回油桶内的平均含气率等于回油含气率8%。液压油流至隔板附近时平均含气率约为4%，吸油口液压油含气率约为4.2%。吸油口含气率低于回油口处的含气率，但高于回油区内隔板附近液压油的含气率是因为回油经过回油区时部分空气逐渐从液压油中析出，但是经过隔板后，因液面波动又有空气再次混入导致。
图4 不同时刻油箱内相云图
图5所示为达到稳定状态后油箱内速度云图和迹线图，从图中可以看出液压油经回油组件的扩散筒进入回油区时，速度是向上倾斜的，这样会导致油液冲击液面，并缩短液压油在油箱内停留时间，不利于空气的析出。液压油流经隔板上方时横线流速约0.45m/s，速度较大，造成液面波动，使空气再次混入液压油中。
图5 稳定状态油箱内速度云图
2.2 优化改进后结果分析
针对初始油箱的仿真分析结果发现的问题，提出改进方案：第一，优化回油组件扩散筒的孔数、布局和尺寸，降低扩散孔的扩散流流速，改变扩散孔出口流向。第二，降低隔板高度，在保持液面高度不变的前提下增加隔板顶端和液面之间的距离，减小隔板顶端的横向流速。结合整车布局，回油管路和吸油管路走向进行了改变，但管路走向对油箱内流场的影响可忽略不计。
图6为改进后液压油箱内速度云图，改进后回油组件扩散筒的扩散孔流速明显降低，只有最下部的扩散孔的流速较高，且流向为水平方向，不再冲击液面。隔板高度降低后顶部和液面距离增加，隔板顶部流域横向流速为0.25m/s，比初始模型的流速降低约42%。
（a）A-A截面示意图
（b）正视速度云图（回油组件中心面）
（c）A-A截面速度云图
图6 改进后稳定状态油箱内速度云图
图7为改进后液压油箱从初始回油至吸油口含气率稳定状态油箱内相分布云图，因扩散筒的扩散孔数量和直径增加，回油组件内压力减小，在回油组件内气液分离程度比初始模型增加，气体开始凝聚，进入液压油箱后可以更快的从液压油中上浮排出。因此，达到稳定状态后回油区的液压油流至隔板附近时含气率比初始模型更低。隔板高度的降低，使隔板顶部速度的降低，减小了液面的波动，没有空气二次混入液压油中，稳定后吸油口液压油含气率约为1.3%，比初始油箱吸油口液压油含气率降低约69%。
图7不同时刻油箱内相云图
3结语
通过对某液压油箱从初始回油至吸油口含气率稳定的瞬态过程进行仿真，分析扩散筒和隔板对油箱内流场和油箱除气效率的影响，并提出改进方案进行对比分析，总结设计经验：
1） 降低扩散筒的扩散孔流速，可以降低回油组件内的压力，有利于液压油中气液分离；
2） 控制扩散孔出口流向，延长液压油在油箱内停留时间，提高气液分离效率；
3） 油箱内隔板高度不宜过高，隔板顶部和液面之间留有一定的距离，减小液压油横向流动造成的液面波动，避免空气二次混入液压油中。
[参考文献]
[1] Vollmer T, Frerichs L. Development of Hydraulic Tanks by Multi-phase CFD Simulation[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2016, 12(6):132-142.
[2] 张顺锋, 何晓晖, 王强, 等. 基于CFD仿真的液压油箱隔板改进方法[J]. 装备制造技术, 2017(05): 162-165.
[3] Singal V, Bajaj J, Awalgaonkar N, et al. CFD Analysis of a Kerosene Fuel Tank to Reduce Liquid Sloshing[J]. Procedia Engineering, 2014,18(12): 44-50.
[4] 李超.空间约束下小型化液压油箱布局设计与性能数值模拟[D]. 河北：燕山大学，2021:8-23.
热门推荐