مکانیک مواد پیشرفته و هوشمند
فصلنامه

طراحی، ساخت و ارزیابی عملکرد یک واحد جداساز هوا از روغن در سامانه‌های انتقال توان هیدرولیکی: مطالعه‌ی تجربی و عددی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

مجید شوکت زاده 1
پژمان نیک اندیش 2

1 دانش آموخته، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی جندی‌شاپور دزفول، دزفول، ایران،

2 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی‌ جندی‌شاپور دزفول، دزفول، ایران،

https://doi.org/10.66224/masm.5.1.88
چکیده
ورود هوا به سامانه‌های انتقال توان هیدرولیکی، چالشی بنیادین در ماشین‌های ثابت و متحرک به شمار می‌رود. از آنجا که، روش‌های متداول هواگیری برخط سامانه‌های انتقال توان هیدرولیکی، با محدودیت‌های عملکردی مواجه‌اند، این پژوهش با هدف طراحی، ساخت و بهینه‌سازی یک واحد جداساز هوا-روغن انجام گردید. به منظور شبیه‌سازی جریان آشفته، و ساز و کار فیزیکی جداسازی هوا از روغن، یک مدل عددی سه‌بعدی دوفازی، مبتنی بر ترکیب رویکردهای حجم سیال (VOF) و فاز گسسته (DPM)، توسعه یافت. برای اعتبارسنجی مدل عددی، یک مدار هیدروپنوماتیک آزمایشگاهی، طراحی و ساخته شد. مقایسه‌ی میان نتایج حاصل از اندازه‌گیری‌های تجربی، با نتایج عددی، حاکی از اختلافی معادل، 2/5 درصد برای راندمان جداسازی، و 5/6 درصد برای افت فشار، بود. این امر، اعتبار مدل را برای تحلیل متغیرهای مؤثر بر عملکرد واحد جداساز هوا-روغن تایید کرد. نتایج نشان داد که راندمان جداسازی، رفتاری غیرخطی دارد و محدوده‌ی سرعت بهینه 5/3 تا 5/5 متر بر ثانیه، توازنی میان راندمان بالا (90-5/87%) و افت فشار مناسب (1150-735 پاسکال)، برقرار می‌سازد. علاوه بر این، تحلیل هندسی واحد جداساز، بازه‌های بهینه‌ی کمیت‌های کلیدی را مشخص نمود. بر این اساس، مقادیر بهینه‌ی شیب بخش مخروطی (5-6 درجه)، قطر بخش استوانه‌ای (36-40 میلی‌متر) و قطر خروجی هوا (18 میلی‌متر)، به ترتیب، به راندمان‌هایی معادل، 89%، 90% و 90%، منجر شدند. بر این اساس، با انتخاب پارامترهای هندسی مناسب، می‌توان به توازنی مؤثر میان راندمان و مصرف انرژی در واحد جداساز هوا-روغن دست یافت که پیاده‌سازی آن، ارتقای قابلیت اطمینان و عمر مفید سامانه‌های هیدرولیکی را به همراه خواهد داشت.

کلیدواژه‌ها

جداساز هوا-روغن
سامانه‌های هیدرولیکی
اعتبارسنجی تجربی

عنوان مقاله English

Design, Fabrication, and Performance Evaluation of an Air-Oil Separation Unit in Hydraulic Power Transmission Systems: A Numerical and Experimental Study

نویسندگان English

Majid Shokatzadeh 1
pezhman nikandish 2
1 Department of Mechanical Engineering, Faculty of Mechanical Engineering, Jundi-Shapur University of Technology, Dezful, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, Faculty of Mechanical Engineering, Jundi-Shapur University of Technology, Dezful, Iran
چکیده English

The entry of air into hydraulic power systems presents a key challenge for both stationary and mobile machinery. Given the performance limitations of conventional online deaeration methods, this research was conducted to design, fabricate, and optimize an air-oil separator unit. To simulate the turbulent flow and the physical separation mechanism, a three-dimensional, two-phase numerical model was developed, integrating the Volume of Fluid (VOF) and Discrete Phase Model (DPM) approaches. A laboratory-scale hydro-pneumatic test rig was designed and fabricated to validate the numerical model. A comparison between experimental and numerical results revealed a discrepancy of approximately 2.5% for separation efficiency and 5.6% for pressure drop, thereby confirming the model's validity for analyzing the variables affecting the separator's performance. The results indicated that separation efficiency exhibits a non-linear behavior, with an optimal inlet velocity range of 3.5 to 5.5 m/s establishing a balance between high efficiency (87.5–90%) and an acceptable pressure drop (735–1150 Pa). Furthermore, the geometric analysis identified optimal ranges for key parameters. Accordingly, optimal values for the conical section angle (5–6°), cylindrical diameter (36–40 mm), and air outlet diameter (18 mm) yielded separation efficiencies of 89%, 90%, and 90%, respectively. These findings provide a quantitative and reliable framework for the optimal design of air-oil separators, demonstrating that an effective balance between efficiency and energy consumption can be achieved by selecting appropriate geometric parameters. The implementation of this approach is expected to enhance the reliability and service life of hydraulic systems significantly.

کلیدواژه‌ها English

Air-Oil Separator
Experimental Validation
Hydraulic Systems
[1] Nikandish P. Actuators and Hydrostatic Transmission Systems; Jundi-Shapur University of Technology, 2023.
[2] He Q, Zhang L, Wang Y. Dynamic interaction between cavitation and valve motion in hydraulic systems. Journal of Fluids and Structures. 2025; 138: 104982.
[3] Liu M, Wu D, Chen J. Design of a novel pump cavitation valve and study of its cavitation characteristics. Water. 2025; 17: 1503.
[4] Seon G, Ahn J, Hwang W. Analysis of the impact of flow characteristics on the separation efficiency and pressure drop of a cyclone-type oil separator. Journal of Mechanical Science and Technology. 2022; 36: 273– 283.
[5] Silva A.R, Li D, On the bubble breakup dynamics in high-shear swirling flows within cyclonic separators. Chemical Engineering Science. 2023; 269:118646.
[6] Wang C, Ma Y, Sui W. The secondary flows in cyclone separators: a comprehensive review. Processes. 2023;11: 2935.
[7] Syuriadi A, Identifying the influence of inlet velocity changes on pressure drop and collecting efficiency in Stairmand and Lapple type cyclone separators. Eastern European Journal of Enterprise Technologies. 2024; 4: 22-28.
[8] Bai Y, Ji H, Liu Y, Li L, Yang S. Analysis of bubble flow mechanism and characteristics in gas–liquid cyclone separators. Processes. 2021; 9:123.
[9] Zhang Z. Experimental study on the separation performance of a novel gas–liquid separator. Separation and Purification Technology. 2022; 289: 120736.
[10] Chen J, Jiang Z.A, Chen J. Effect of inlet air volumetric flow rate on the performance of a two-stage cyclone separator. ACS Omega. 2018; 3: 13219–13226.
[11] Kumar S, Banerjee C, Saha S. Effect of cone angle on the performance of hydrocyclones. Powder Technology. 2018; 335: 273–285.
[12] Zhang P, Duan J, Chen G, Wang W. Numerical investigation of gas–solid flow characteristics in a circumfluent cyclone separator. Advanced Powder Technology. 2019; 30: 2221-2234.
[13] Li C, Li Z, Zhang Y, Li B. Numerical simulation and experimental study of two-phase flow in a downhole spiral gas–liquid separator. Frontiers in Earth Science. 2023; 11: 1209743.
[14] Xie X, Liu Y, Zhang H, Wang S. Investigation on the formation mechanism and flow characteristics of liquid carry-over in gas–liquid cyclone separators. Physics of Fluids. 2023; 35: 123317.
[15] Barua S, Batcha M.F.M., Mohammed A.N, Saif Y, Al-Alimi S, Al-Fakih M.A.M, Zhou W. Numerical investigation of inlet height and width variations on separation performance and pressure drop of multi-inlet cyclone separators. Processes. 2024; 12:1820.
[16] Chen S, Li D, Li J, Zhang Y, Wang X. Optimization design of hydrocyclone with overflow slit structure based on experimental investigation and numerical simulation analysis. Scientific Reports. 2024; 14: 18410.
[17] Mao Y, Chertovskih R, Cai L. Numerical study of the gas–solid separation performance of axial flow cyclone separators. Inventions. 2024; 9: 34.
مکانیک مواد پیشرفته و هوشمند
دوره 5، شماره 1
بهار 1404
صفحه 88-112

  • تاریخ دریافت 06 دی 1404
  • تاریخ بازنگری 13 بهمن 1404
  • تاریخ پذیرش 04 اسفند 1404

صفحه اصلی

راهنمای نویسندگان

ارسال مقاله

تماس با ما