基于CFD仿真的液壓油箱隔板改進方法

張順鋒，何曉暉，王強，張勝

（中國人民解放軍理工大學野戰(zhàn)工程學院，江蘇南京210007）

基于CFD仿真的液壓油箱隔板改進方法

張順鋒，何曉暉，王強，張勝

（中國人民解放軍理工大學野戰(zhàn)工程學院，江蘇南京210007）

基于計算流體力學（CFD）對某型液壓油箱內壓力分布進行仿真分析。采用標準k-ε湍流模型，采用SIMPLE算法求解速度、應力。利用這種建模和求解算法對油箱內隔板的形狀、數(shù)量進行仿真得到油箱內液壓油的流場以及內壁受到的應力，為油箱的改進設計提供依據(jù)。

液壓油箱；隔板；CFD；k-ε湍流模型；仿真試驗

在液壓傳動系統(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，同時兼有散熱和分離油液中的水、氣體以及沉淀雜質等作用，油箱中的油液必須是符合液壓系統(tǒng)要求的清潔油液。在液壓油箱設計時，對油箱隔板的研究較少，存在油箱隔板變形、隔板孔堵塞的問題，改進方法不足[1，2]。

計算流體力學（CFD）是借助計算機對流體流動相關物理現(xiàn)象進行模擬計算的方法，隨著液壓系統(tǒng)結構越來越復雜、集成化程度越來越高，液壓油在系統(tǒng)中流動產(chǎn)生的能量損失和噪聲也更加明顯，因此計算流體力學技術在液壓元件及系統(tǒng)仿真方面越來越得到重視[3，4]。從結構特征看，油箱可以分為開式油箱和閉式油箱。開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存的作用，液壓油箱基本是密閉空間，只有通過呼吸閥與外間通氣，整個液壓系統(tǒng)在郵箱內的量不是固定的，油箱也基本是擴大和縮小的一個過程，所以油箱的強度問題就顯得比較重要。

1 油箱隔板幾何模型和網(wǎng)絡劃分

1.1 幾何模型和網(wǎng)格劃分

油箱由底板、側板、蓋板和隔板等主要構件組成。油箱中的隔板是插入油液中的擋板，起到引導油液流動的作用，由于油箱中油液流動的速度很低，擋板兩邊的油液壓力差較小，通過設計隔板的形狀和數(shù)量設置分析其應力和流速變化，從而為最優(yōu)化設計提供技術依據(jù)。用隔板隔開吸油口和回油口，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，上隔板用于隔開氣泡及浮渣，下隔板用于隔開沉渣。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行網(wǎng)格劃分。由于油箱結構較為簡單，為使計算結果更加精確，采用六面體結構網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分。基于網(wǎng)格分塊的思想，為提高計算精度，對隔板孔處進行了網(wǎng)格細化。在大量試算的基礎上，最終確定了三個隔板的網(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，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，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

為了獲得較為準確的計算結果，網(wǎng)格需進行局部細化，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，網(wǎng)格劃分直接影響到計算精度和效率，網(wǎng)格過于稀疏會使精度降低，過于密集會使效率降低。根據(jù)研究對象的特點，本文采用結構網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分采用前處理軟件GEOM實現(xiàn)。網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。

圖2 油箱結構網(wǎng)格劃分

1.3 計算模型及方法

湍流運動是研究裝備風致振動中的關鍵所在。湍流的雷諾時均模擬、大渦模擬和直接模擬是計算流體力學中對湍流運動的三種主要模擬方法。湍流的雷諾時均模擬是通過定義和假設，建立雷諾時均的N-S方程，進一步建立其二階封閉模型進行模擬。這種方法是現(xiàn)在裝備風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+計算平臺中使用的k-ε模型、k-ω模型等都屬于湍流雷諾時均模擬。

CFD-ACE+軟件平臺計算壓力速度耦合格式使用的是SIMPLE算法。

1.4 計算參數(shù)設置

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

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（由泵的流量計算所得）。

液壓油：按VG46選取，密度ρ=890 kg/m3；動力粘度為μ=46 mm2/s，設為不可壓縮流體。

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

2 仿真結果與分析

2.1 1擋板仿真結果分析

以模型的內流場受力分布為例，分析不同隔板設置的分布特點。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軟件對油箱隔板的內壁受力進行了仿真分析，分別得到了油箱的內壓力，油箱設置1，2，3個隔板的馮米塞斯應力，內部流場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時內壓力分布、馮米塞斯應力（等效應力）、流速流線如圖3所示。

圖3 油箱隔板1云圖

2.22 擋板仿真結果分析

液壓油流速趨于穩(wěn)定后，油箱隔板數(shù)為2時內壓力分布、馮米塞斯應力（等效應力、流速流線）如圖4所示。

圖4 油箱隔板2云圖

2.3 3擋板仿真結果分析

液壓油流速趨于穩(wěn)定后，油箱隔板數(shù)為3時內壓力分布、馮米塞斯應力（等效應力、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，整體油箱內壓力有所減小，等效應力也適當降低，油箱內流速降低，并在油箱內分布趨于平穩(wěn)。

3 結論

通過對油箱增加隔板的數(shù)量和改善隔板的形狀，油箱內壓力、等效應力、流速等參數(shù)總體趨于下降，因此增加隔板對油箱的性能有一定提高。增加隔板后，會增加焊接產(chǎn)生的內應力，但是會減小油液內應力，具體的油箱還應具體分析，增加隔板數(shù)量可以增加油液循環(huán)距離，使油液有充分時間沉淀污物，排除氣泡和冷卻。但同時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。

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

[2]彭阿靜．液壓系統(tǒng)閉式油箱設計[J].機械工程與自動化，2013，01（16）：10-14.

[3]郭軍良.民用飛機燃油箱數(shù)值仿真[J].航空計算技術，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.淺談變壓器油箱機械強度試驗[J].變壓器，1999，36（3）：21-24.

[7]安利強，王孟，郭鐵橋.變壓器上節(jié)油箱變形與應力分析[J].華北電力大學學報，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：1

1672-545X（2017）05-0162-04

2017-02-11

張順鋒（1993-），男，河南洛陽人，碩士研究生，研究方向：液壓傳動與流體仿真。