基于CFD仿真的液壓油箱隔板改進(jìn)方法

張順?shù)h，何曉暉，王強(qiáng)，張勝

（中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇南京210007）

基于CFD仿真的液壓油箱隔板改進(jìn)方法

張順?shù)h，何曉暉，王強(qiáng)，張勝

（中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇南京210007）

基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）對(duì)某型液壓油箱內(nèi)壓力分布進(jìn)行仿真分析。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，采用SIMPLE算法求解速度、應(yīng)力。利用這種建模和求解算法對(duì)油箱內(nèi)隔板的形狀、數(shù)量進(jìn)行仿真得到油箱內(nèi)液壓油的流場(chǎng)以及內(nèi)壁受到的應(yīng)力，為油箱的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

液壓油箱；隔板；CFD；k-ε湍流模型；仿真試驗(yàn)

在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，油箱的主要功能是貯存液壓系統(tǒng)循環(huán)所需的油液，同時(shí)兼有散熱和分離油液中的水、氣體以及沉淀雜質(zhì)等作用，油箱中的油液必須是符合液壓系統(tǒng)要求的清潔油液。在液壓油箱設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)油箱隔板的研究較少，存在油箱隔板變形、隔板孔堵塞的問(wèn)題，改進(jìn)方法不足[1，2]。

計(jì)算流體力學(xué)（CFD）是借助計(jì)算機(jī)對(duì)流體流動(dòng)相關(guān)物理現(xiàn)象進(jìn)行模擬計(jì)算的方法，隨著液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜、集成化程度越來(lái)越高，液壓油在系統(tǒng)中流動(dòng)產(chǎn)生的能量損失和噪聲也更加明顯，因此計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)在液壓元件及系統(tǒng)仿真方面越來(lái)越得到重視[3，4]。從結(jié)構(gòu)特征看，油箱可以分為開(kāi)式油箱和閉式油箱。開(kāi)式油箱中油液的液面與大氣相通，而閉式油箱中油液的液面與大氣隔絕[5-7]。閉式液壓油箱不僅僅是儲(chǔ)存的作用，液壓油箱基本是密閉空間，只有通過(guò)呼吸閥與外間通氣，整個(gè)液壓系統(tǒng)在郵箱內(nèi)的量不是固定的，油箱也基本是擴(kuò)大和縮小的一個(gè)過(guò)程，所以油箱的強(qiáng)度問(wèn)題就顯得比較重要。

1 油箱隔板幾何模型和網(wǎng)絡(luò)劃分

1.1 幾何模型和網(wǎng)格劃分

油箱由底板、側(cè)板、蓋板和隔板等主要構(gòu)件組成。油箱中的隔板是插入油液中的擋板，起到引導(dǎo)油液流動(dòng)的作用，由于油箱中油液流動(dòng)的速度很低，擋板兩邊的油液壓力差較小，通過(guò)設(shè)計(jì)隔板的形狀和數(shù)量設(shè)置分析其應(yīng)力和流速變化，從而為最優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)。用隔板隔開(kāi)吸油口和回油口，因此增加或者減少隔板數(shù)量，可以控制油液循環(huán)的距離，使油液充分時(shí)間沉淀污物、排除氣泡和冷卻。隔板高度一般取油面高度的3/4，上隔板用于隔開(kāi)氣泡及浮渣，下隔板用于隔開(kāi)沉渣。隔板能夠提高油箱剛度，隔板的安排要防止形成堵塞或死角，要能分離出最清潔的油層，要考慮泄油與通風(fēng)的便利。

利用CFD-ACE+的前處理軟件GEOM建立液壓油箱幾何模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于油箱結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，為使計(jì)算結(jié)果更加精確，采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分?；诰W(wǎng)格分塊的思想，為提高計(jì)算精度，對(duì)隔板孔處進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化。在大量試算的基礎(chǔ)上，最終確定了三個(gè)隔板的網(wǎng)格劃分，圖1為液壓油箱模型（尺寸：92 3mm×330 mm×606 mm）；模型1：加置隔板后，油液如圖所示的流向流動(dòng)，隔板厚度為5 mm，寬度為600 mm，高度為300 mm；模型2：加置隔板后，油液如圖所示的流向流動(dòng)，隔板Ⅰ、隔板Ⅱ厚度為5 mm，寬度為600 mm，高度為300 mm；模型3：加置隔板后，隔板Ⅰ、隔板Ⅱ、隔板Ⅲ厚度為5mm，寬度為600 mm，高度為300 mm.

圖1 油箱隔板模型

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、回游管路表層以及隔板表層邊緣層需要至少4層網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)格劃分直接影響到計(jì)算精度和效率，網(wǎng)格過(guò)于稀疏會(huì)使精度降低，過(guò)于密集會(huì)使效率降低。根據(jù)研究對(duì)象的特點(diǎn)，本文采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分采用前處理軟件GEOM實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。

圖2 油箱結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

1.3 計(jì)算模型及方法

湍流運(yùn)動(dòng)是研究裝備風(fēng)致振動(dòng)中的關(guān)鍵所在。湍流的雷諾時(shí)均模擬、大渦模擬和直接模擬是計(jì)算流體力學(xué)中對(duì)湍流運(yùn)動(dòng)的三種主要模擬方法。湍流的雷諾時(shí)均模擬是通過(guò)定義和假設(shè)，建立雷諾時(shí)均的N-S方程，進(jìn)一步建立其二階封閉模型進(jìn)行模擬。這種方法是現(xiàn)在裝備風(fēng)工程中主要的研究方法，也是本文所采用的研究方法。本文所采用的CDFACE+計(jì)算平臺(tái)中使用的k-ε模型、k-ω模型等都屬于湍流雷諾時(shí)均模擬。

CFD-ACE+軟件平臺(tái)計(jì)算壓力速度耦合格式使用的是SIMPLE算法。

1.4 計(jì)算參數(shù)設(shè)置

根據(jù)液壓油箱使用的一般工況，重點(diǎn)研究油箱隔板的設(shè)置，其邊界條件和參數(shù)設(shè)置如下：

入口條件：壓力入口，選取6 MPa.

出口條件：速度出口，選取速度為0.54 m/s（由泵的流量計(jì)算所得）。

液壓油：按VG46選取，密度ρ=890 kg/m3；動(dòng)力粘度為μ=46 mm2/s，設(shè)為不可壓縮流體。

湍流模型：采用k-ε湍流模型，仿真步長(zhǎng)為10-5s.采用選取計(jì)算時(shí)，試驗(yàn)用液壓油的牌號(hào)為L(zhǎng)-HM46，油液密度為889 kg/m3，動(dòng)力粘度0.035 56 kg/m·s，油液溫度為40℃.進(jìn)口邊界條件為壓力進(jìn)口，相對(duì)壓力為0 MPa；出口設(shè)置邊界條件為速度出口，速度為0.54 m/s（由泵的流量計(jì)算所得）。收斂殘差精度取10-6.

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 1擋板仿真結(jié)果分析

以模型的內(nèi)流場(chǎng)受力分布為例，分析不同隔板設(shè)置的分布特點(diǎn)。油液由回游口沖入郵箱，在郵箱底部形成漩渦。從而在隔板孔出受到阻礙，隔板孔出流速增加，從而使用CFD軟件對(duì)油箱隔板的內(nèi)壁受力進(jìn)行了仿真分析，分別得到了油箱的內(nèi)壓力，油箱設(shè)置1，2，3個(gè)隔板的馮米塞斯應(yīng)力，內(nèi)部流場(chǎng)的流線和截面流速液壓油流速趨于穩(wěn)定后，油箱隔板數(shù)為1時(shí)內(nèi)壓力分布、馮米塞斯應(yīng)力（等效應(yīng)力）、流速流線如圖3所示。

圖3 油箱隔板1云圖

2.22 擋板仿真結(jié)果分析

液壓油流速趨于穩(wěn)定后，油箱隔板數(shù)為2時(shí)內(nèi)壓力分布、馮米塞斯應(yīng)力（等效應(yīng)力、流速流線）如圖4所示。

圖4 油箱隔板2云圖

2.3 3擋板仿真結(jié)果分析

液壓油流速趨于穩(wěn)定后，油箱隔板數(shù)為3時(shí)內(nèi)壓力分布、馮米塞斯應(yīng)力（等效應(yīng)力、流速流線）如圖5所示。

（續(xù)下圖）

（續(xù)上圖）

圖5 油箱隔板3云圖

從以上增加隔板數(shù)量和改善形狀數(shù)值仿真圖分析，整體油箱內(nèi)壓力有所減小，等效應(yīng)力也適當(dāng)降低，油箱內(nèi)流速降低，并在油箱內(nèi)分布趨于平穩(wěn)。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)油箱增加隔板的數(shù)量和改善隔板的形狀，油箱內(nèi)壓力、等效應(yīng)力、流速等參數(shù)總體趨于下降，因此增加隔板對(duì)油箱的性能有一定提高。增加隔板后，會(huì)增加焊接產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，但是會(huì)減小油液內(nèi)應(yīng)力，具體的油箱還應(yīng)具體分析，增加隔板數(shù)量可以增加油液循環(huán)距離，使油液有充分時(shí)間沉淀污物，排除氣泡和冷卻。但同時(shí)隔板的安排要防止形成堵塞和死角，要能分離出清潔的油層，采用隔板的作用可以將回油室和吸油室分開(kāi)。

[1]王緒橋.淺議移動(dòng)工程機(jī)械開(kāi)式液壓油箱研發(fā)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2014.

[2]彭阿靜．液壓系統(tǒng)閉式油箱設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2013，01（16）：10-14.

[3]郭軍良.民用飛機(jī)燃油箱數(shù)值仿真[J].航空計(jì)算技術(shù)，2013，01（43）：10-14

[4]Johannes Untch，Thees Vollmer，Thorsten Lang.Approach for the investigation and evaluation of hydraulic tank designs re garding air in oil behavior[C]//9th International Fluid Power Conference.

[5]Liu Chengqiang，Jiang Jihai，School of Mechatronics Engi neering，Harbin Institute of Technology.Effect of plunger number on hydraulic transformer’s flow pulsation rate[J]. High Technology Letters，2013，19（01）：30-36.

[6]文子軍.淺談變壓器油箱機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)[J].變壓器，1999，36（3）：21-24.

[7]安利強(qiáng)，王孟，郭鐵橋.變壓器上節(jié)油箱變形與應(yīng)力分析[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，47（8）：31-34.

Simulation and Improvement of Hydraulic Oil Container’s Internal Separator Based on CFD Method

ZHANG Shun-feng，HE Xiao-hui，WANG Qiang，ZHANG Sheng
（Field Engineering College，PLA University of Science and Technology，Nanjing Jiangsu 210007，China）

The internal pressure of a certain type hydraulic oil container has been simulated and analyzed by the computation fluid dynamics（CFD），meanwhile use the k-ε turbulent model simulate the flow field，the equation was discretized using a finite volume method，adopting the simple algorithm solving the problem of velocity and stress.The method of creating hydraulic oil container model and finite element analysis aim at simulating the numbers and shape of internal separator，so the flow field of hydraulic and the stress

by the wall can be obtained，and provide foundation for improve design of hydraulic oil container.

hydraulic tank；bulkhead；CFD；k-ε epsilon turbulence model；simulation test

TH137.51

A < class="emphasis_bold">文章編號(hào)：1

1672-545X（2017）05-0162-04

2017-02-11

張順?shù)h（1993-），男，河南洛陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向：液壓傳動(dòng)與流體仿真。