温环境下民机自增压液压油箱流场特性与吸回油口布局优化：基于CFD的全工况数值研究

 

摘要： 民用飞机液压系统在低温环境下面临油液黏度升高、流动性下降等严峻挑战，自增压液压油箱的热平衡性能直接影响系统安全。本文以某型35 MPa压力体制民机自增压液压油箱为研究对象，基于计算流体动力学（CFD）方法建立其低压腔热流耦合数值模型，通过试验数据修正仿真边界条件，对比分析了四种不同吸油口和回油口布局方案在低温热平衡状态下的流场特性。从流体域温度场和速度场的多维角度出发，系统探讨了不同系统流量对涡流形成和温度均匀性的影响规律，以及吸回油口几何布局对最短流道、涡流抑制和热交换效率的作用机制。综合评估结果表明，方案3中吸回油口夹角最大、空间距离最远，油液流经的最短路径最长，热交换时间充足，且受涡流影响最小，温度场均匀度最优，为四种方案中的最佳布局。本研究为民机自增压液压油箱的低温特性分析及设计优化提供了可靠的理论依据与技术支撑。

关键词： 民机液压系统；自增压液压油箱；计算流体动力学（CFD）；低温热平衡；吸回油口布局；流场优化

 

一、液压油箱在民机液压系统中的关键地位

液压能源系统是现代民用飞机的核心子系统之一，通过液压泵输出高压油液，为飞行控制系统中的主飞控舵面作动、起落架收放与刹车、高升力装置驱动以及反推力装置控制等关键用户提供稳定的压力能量，直接关系着飞机操纵的安全性、可靠性与飞行品质。液压油箱作为液压系统不可或缺的储油元件，承担着存储系统工作所需油液的基础功能，同时兼具分离油液中混入的气泡和杂质、维持系统正常热平衡、监控油位与温度等多重任务。油箱设计质量的好坏不仅影响液压系统的工作性能，更对液压泵的使用寿命有着关键性的影响。

随着现代民机液压系统向高压化、集成化和高可靠性方向持续发展，对油箱的结构紧凑性、重量控制、散热能力和密封可靠性提出了越来越严苛的要求。自增压油箱正是顺应这一趋势而发展起来的新型油箱构型，凭借其差动活塞式增压结构，实现了无外加动力源的自增压供油，在结构紧凑性、系统减重和污染控制等方面具有显著的优越性。

1.1 自增压油箱的工作原理与技术优势

自增压油箱的核心工作原理在于利用差动活塞的结构形式实现油液的自增压功能。该油箱从结构上划分为高压腔和低压腔两个腔室，两腔之间通过活塞杆实现力传递。油箱在工作时将液压系统泵出口的高压油引入高压腔，高压油推动活塞运动，通过面积比传递作用力对低压腔内的油液进行压缩增压，其中增压压力的大小由高、低压腔活塞的面积比唯一确定。这一差动活塞式的自增压机制具有多重技术优势：首先，增压过程无需额外的动力源，完全依靠系统内部压力自动完成，结构紧凑、重量轻，相比于传统的引气增压油箱能够在系统减重方面取得显著效果；其次，自增压方式避免了气体与油液的直接接触，从根本上消除了气体溶解于油液所带来的气蚀和油液污染问题；再者，自增压油箱的活塞密封仅需处理液压油的密封问题，无需考虑气体密封，技术成熟且泄漏量小。正因如此，自增压油箱已逐步替代引气增压油箱成为现代民机的主流方案，波音B787、空客A350、波音B707以及MD-90-30等机型均已广泛采用这一技术。

 

1.2 低温环境对液压系统的挑战与研究意义

低温环境历来是液压系统运行面临的重大挑战之一。当环境温度降低至-40℃甚至更低的极端低温工况时，液压油黏度显著增大，流动性变差，系统管路中的流动阻力急剧上升，液压泵的自吸能力明显减弱，执行机构的响应速度大幅下降，水锤冲击风险也随之增加。研究表明，油液温度在10℃时比在40℃时油缸活塞杆速度下降得更快，缓冲阶段行程所需时间显著延长。此外，当自增压油箱内的油液温度过低时，系统整体的热平衡状态被打乱，热量积累与散发之间的动态平衡被打破，可能导致系统循环油温持续偏低而影响液压元件的正常工作。因此，深入研究自增压液压油箱在低温环境下的流场特性，准确掌握油液在油箱内部的流动与传热规律，科学优化吸回油口布局以改善低温热交换效率和温度场均匀性，对于提升民机液压系统的低温适应性、降低系统能耗、保障飞行安全具有重要的工程价值和理论意义。

1.3 国内外研究现状

近年来，随着计算流体动力学技术的日益成熟，国内外学者围绕自增压液压油箱开展了多方面的研究工作，取得了一系列阶段性成果。在基础原理研究方面，KIM等人通过对自增压油箱内压随温湿度变化的试验研究发现，室温条件下油箱内压的变化幅度相比-40℃低温环境显著较小，揭示了温度对自增压油箱内部压力特性的重要影响规律。欧阳小平等课题组建立了自增压油箱箱体受压变形及热构耦合数学模型，系统分析了油箱有无肋片形式下的散热性能差异，提出了相应的评价参数与诊断方案，并对自增压油箱的爆破特点及成因进行了深入研究，明确了压力冲击对爆破行为的影响机制。ZHANG等人从设计理论层面切入，对油箱的容积确定、增压压力计算及油量监控方法进行了系统的计算分析，提出了一套完整的自增压油箱设计规范，特别指出活塞部位是油箱发生爆破时最为危险的区域。焦留芳等基于自增压油箱密封件的失效机制与原因，建立密封结构可靠性分析模型，为密封改进方案提供了理论评估依据。李涛等人的研究则从系统层面出发，为35 MPa压力体制民用飞机液压油箱及系统的相关设计提供了可靠的理论支撑。在CFD仿真领域，研究者通过降低液压系统气泡含量对热平衡温度的影响进行了研究，并对液压油箱回油方式进行了仿真优化，结果表明整机液压油热平衡温度明显降低。

然而，目前围绕自增压液压油箱的公开研究仍相对有限，尤其是在低温环境下油箱内部流场的数值模拟方面，学术界和工程界均缺乏充分的借鉴经验和系统性的理论指导。现有研究的关注点多聚焦于油箱的整体热力学行为和宏观设计参数，而针对吸油口与回油口几何布局对低温流场特性的影响这一关键设计变量，鲜见系统的定量分析与对比研究。这一研究空白是本文力图填补的重要方向。

1.4 研究目标与技术路线

针对上述研究不足，本文以某型适用于35 MPa压力体制液压系统的民机自增压液压油箱为研究对象，基于CFD方法开展低温热平衡状态下低压腔流场的数值模拟研究。首先，建立油箱的简化物理模型并划分多区域网格；其次，依据液压系统低温试验数据设定合理的边界条件并求解控制方程；然后，对比分析不同系统流量下的流场演变规律，重点揭示涡流生成机制及温度均匀度变化特征；最后，以温度场均匀度和速度场扰动程度为评价指标，对四种不同吸回油口布局方案进行综合评价，筛选出最优几何布局，并提出相应的试验测试优化建议。

二、自增压油箱物理建模

2.1 几何模型简化与构建

某型自增压油箱采用活塞式差动结构，由高压腔和低压腔两个腔室构成，在高、低压腔活塞连接处采用动态密封结构，利用液压系统高压油返回作用在增压活塞上的压力实现低压腔油液的自增压。高、低压腔的压力比与两个腔室活塞的面积呈反比关系。油箱上集成了温度开关、油量传感器及直读油量表、压力传感器、排气阀等元件，以实现对油箱状态的实时监控与维护。

考虑到计算资源的限制以及此类高集成度结构部位的几何复杂性，在建立有限元模型时需要兼顾计算精度与收敛稳定性。本文采用CATIA软件建立油箱的几何模型，并遵循以下简化原则：对流动和温度场影响较小且结构复杂的部位，如传感器安装接口、辅助管接头、排气阀等，进行合理的特征删除和几何简化，以控制网格数量并减少计算发散风险。此外，由于高压腔的流量和体积远小于低压腔，且正常情况下高、低压腔在活塞密封处的泄漏对低压腔流场影响十分有限，故假设高压腔油液不参与流动，本研究仅关注低压腔的流场特性。最终建立的模型将油箱划分为固体域（油箱壳体和活塞）、流体域（低压腔油液）以及流-固耦合界面三个区域，以准确模拟油液与固体壁面之间的对流换热过程。

2.2 网格划分与质量评价

网格划分是数值模拟的关键环节，其质量直接决定计算收敛速度和结果可信度。本研究采用poly-hexcore混合网格技术对计算域进行网格生成，该方法结合了多面体网格和六面体核心网格的优势，能够在保证计算精度的同时有效降低网格数量。在边界层处理方面，流体域近壁面边界层设置为3层，固体域边界层设置为1层，以准确捕捉壁面附近的速度梯度和温度梯度，提高壁面换热的计算精度。

经过网格无关性验证和必要的网格细化处理后，最终生成的网格总量约为96万。为评价网格质量，对以下关键指标进行逐项检查：无负体积单元、纵横比控制在合理范围、偏斜度指标满足要求、正交质量均在良好及以上等级，表明网格质量满足工程数值模拟的基本要求。

2.3 边界条件与仿真参数设定

本研究涉及的仿真边界条件与物理参数严格按照试验数据进行设定。该自增压油箱的设计参数如下：油箱容积为64L，热平衡状态下的油量约为满油量的45%，重力加速度项依据实际物理方向施加。材料参数配置方面，油箱壳体材料选用6061-T6铝合金，活塞杆材料选用7050-T7451铝合金。油箱工作介质为符合AS1241标准的磷酸酯基阻燃液压油——V型液压油。该液压油黏度随温度变化的敏感性极高，依据美孚公司HyJet V型液压油的技术资料，绘制得到不同温度下的油液黏度特性曲线，并将该曲线以温度函数的形式嵌入求解器中。

边界条件的设定以35 MPa压力体制液压系统的低温试验数据为依据修正，具体试验流程如下：将整个试验台置于低温舱中开展低温浸透试验，仅依靠低温舱中的冷空气与试验台表面进行强迫对流换热，将试验台整体冷浸透至系统温度约为（-40±2）℃，设置系统流量约为25 L/min。回油油液从管路进入油箱内部，与油箱内壁、活塞杆和活塞等固体壁面进行强制对流换热后，再被液压泵从吸油口吸出。整个试验过程中，系统温度随运行时间逐渐升高，直至5 min内温度变化不超过2℃时，判定系统达到热平衡状态。此时测得回油温度约为16℃，环境温度约为-38℃，自增压压力约为0.5 MPa。以上试验数据被用作验证和修正仿真模型的基准依据。

2.4 控制方程

在对油液在低压腔内的运动特性进行流场分析时，依据流体力学基本控制方程对流动问题加以描述。基本假设为：油液为连续的不可压黏性流体，流体质点的速度、压力、密度和温度等物理量在流动域内连续可微，且计算域内不掺杂空气。在此前提下，所有流动问题均需求解质量和动量守恒方程；考虑到本研究涉及热交换过程，还需增加能量守恒方程以实现热流耦合求解。

质量守恒方程（连续性方程）的通用形式描述单位时间内流体微元体中质量的变化与流经该微元体表面的质量通量之间的守恒关系。动量守恒方程（Navier-Stokes方程）描述了流体微元的动量变化率与作用在其上的各种力之间的平衡关系，在本研究中该方程考虑了因油液黏度随温度变化而产生的动量输运变化。能量守恒方程用于描述油液与固体壁面之间以及固体壁面与外部环境之间的对流换热过程，其中固体域内热传导遵循傅里叶定律，流体域内热对流遵循牛顿冷却定律。流-固耦合界面满足温度和热流密度的连续性条件，确保了热交换过程的物理一致性。综合上述方程构成了完整的控制方程组，在Fluent求解器中通过有限体积法进行离散求解。

三、数值模拟与结果分析

3.1 不同流量对流场的影响

为了系统研究系统循环流量对自增压油箱低压腔流场的影响规律，本研究分别模拟了系统流量为25 L/min、50 L/min、75 L/min和100 L/min等四种工况下的流场分布。为便于直观比较，选取同时通过吸油口圆心和回油口圆心的典型截面作为分析对象，从速度场和温度场两个维度进行综合分析。

3.1.1 速度场演变规律

从流速分布特征来看，在所研究的四种流量工况下，回油口的油液流速均显著大于吸油口，两者的局部流速分布均呈现以各自轴线为中心线、由中心向外呈二次抛物面逐层递减的特征，完全符合圆管层流的经典速度分布规律。随着系统流量增大（即流速提高），回油口一侧以及吸回油口之间的区域逐渐形成涡流，且涡流的影响范围和强度随流量递增而呈现明显的阶段性演化特征。

在25 L/min工况下，回油口下方可见微弱的涡流雏形，涡核尚未完全成形，流场整体有序程度较高。当流量增大至50 L/min时，回油口下方的涡流已完全形成，同时吸油口和回油口之间也开始出现涡流雏形，表明流速的增大使得流体微团在流动过程中与壁面的碰撞更加剧烈，由Navier-Stokes方程奇点（速度为0点）产生的局部速度梯度足以诱发不可忽视的二次流动。流量进一步提高至75 L/min时，回油口下方的涡流进一步发展，涡旋强度显著增强，吸油口和回油口之间的涡流也已完全形成，涡流的影响范围明显扩大。在100 L/min的高流量工况下，回油口下方的涡流以及吸油口和回油口之间的涡流均已进入充分发展阶段，涡流结构趋于稳定，对主流的扰动作用也最为显著。

涡流产生的基本力学机制可归结为：部分流体微团在运动过程中与油箱壁面发生碰撞或摩擦，由于壁面边界层的存在，流体速度在壁面处降为零，与主流之间形成显著的速度差，这种速度差异在局部诱发剪切不稳定性并逐渐发展为旋涡。流体间的速度差越大，旋涡形成的倾向性越强，涡流的尺寸和强度也随之增大。这一规律在本研究的流量递增过程中得到了明确的验证。

3.1.2 温度场演变规律

温度场随流量的变化呈现出与速度场密切相关的规律。随着系统流量（流速）的增大，低压腔靠近油箱端盖区域的油液温度呈现出逐渐上升的趋势，整个低压腔油液的整体温度均匀度也随之逐渐提高。吸油口和回油口附近区域的温度逐渐升高并趋于均匀分布，这一现象的形成原因在于：从系统回流至油箱的高温油液（热平衡时约为16℃）携带大量热量进入低压腔，而油箱壳体与活塞等固体壁面与外部-38℃的低温环境进行强烈的自然对流换热。当流量增大时，单位时间内油液带入的热量积累速度显著提高，而油箱的有限散热能力不足以同步将这些热量迅速散失至外界环境，从而使得整体油液温度水平上升。

与此同时，较大的流量增强了油液在油箱内部的宏观搅动强度，促进了不同温度层的热量混合与迁移，使得热量的空间分布更加均匀。换言之，虽然高流量工况下油液的绝对温度水平更高，但油液温度在空间上的差异反而更小，这对于保障系统热量分配的均匀性和避免局部过冷或过热均具有积极意义。

3.2 不同布局方案对流场的影响

3.2.1 布局方案简述

根据GJB 3223—1998和AS5586A—2018等相关标准对飞机液压系统油箱设计的技术要求，回油口和吸油口的位置应当合理布局并保持适当的距离。回油口的设置应使油液在流入油箱时尽量减少冲击、旋涡和泡沫产生，同时应将回油口设置在最低油位以下，以避免将高速返回油箱的油液直接引回吸油处。此外，在自增压油箱的实际工程设计中，还需综合权衡液压系统的架构特性、油箱功能需求、性能指标、接口匹配、重量控制、结构强度和安装空间等多重约束。

基于上述设计准则以及对于不同型号油箱工程资料的系统调研，本文选取了四种具有代表性的吸油口和回油口布局方案进行对比分析。其中，方案1作为上一节的分析对象，其他三种为参考自不同工程型号的自增压油箱布局构型。在所有方案中，吸油口均尽可能布置在油箱底部的最低位置，以确保在低油位状态下液压泵能够最大限度地吸取油液。为保证泵的充分吸油能力，吸油口的直径均大于回油口直径。方案2和方案3的吸油口位置相同，均位于油箱正下方，但两者的回油口位置存在显著差异，导致吸回油口之间的空间距角分布不同。

3.2.2 温度场对比分析

以系统流量100 L/min的极端工况为基准，采用与方案1完全一致的边界条件，对比分析四种不同布局方案在低温环境中的流体域温度场分布特征。从温度场的整体表现来看，油箱低压腔的油液温度分布并非理想中的均匀状态。油箱外壁面持续与外部-38℃的低温环境进行强迫对流换热，使得接近壁面的油液温度显著低于芯部区域；从回油口流入的高温油液在流入过程中逐渐与低温壁面和低温油液进行热量交换，因此油箱内部油液温度整体呈现出由壁面向中心逐渐升高的空间分布特征。

四种方案在温度场均匀度方面表现出明显的差异。方案3的温度场灰度部分体积占比最小，颜色最浅，表明低温区域所占的空间范围最小，芯部与壁面之间的温差最小，整体温度场均匀性达到最佳状态。相反，方案2的温度场灰度部分体积占比最大，颜色最深，壁面附近的低温区域占据了可观的空间比例，整体温差最大，温度分布最为参差不齐。方案4和方案1的表现介于两者之间。综合评价各方案的温度场均匀程度：方案3 > 方案4 > 方案1 > 方案2（“>”符号在此表示“优于”关系）。

3.2.3 速度场对比分析

速度场的对比分析进一步揭示了不同布局方案对油液流动行为的影响机制。从速度分布的宏观特征来看，除吸油口和回油口附近的局部区域存在明显的流速差异外，油箱内部其他区域的油液速度分布差异相对较小。涡流主要分布于回油口周围区域，其具体位置和影响范围受吸回油口的相对空间方位和距离的影响极为显著。

从油液流动路径的角度进行定量分析可以发现，方案2中吸油口和回油口的空间夹角最小，两者之间的直线距离最近。在该方案中，吸油口和回油口的截面上流场受涡流影响的范围比例最大——相当一部分油液从回油口进入油箱之后，在尚未与壳体壁面发生充分热交换的情况下就直接沿最短路径流向吸油口并被泵吸出。这一现象导致油液在油箱内的滞留时间显著缩短，有效热交换时间严重不足，直接反映在方案2整体温差最大、温度均匀性最差的分析结论上。温度场与速度场的分析结果在此形成了高度一致。

反之，方案3的吸油口和回油口之间的空间夹角最大，直线距离最远。在这种布局下，油液从回油口进入油箱后需要流经更长的空间路径才能到达吸油口，油箱壁面对油液的对流换热时间得到充分保障。同时，较远的距离有效避免了油液在流入油箱后直接“短路”回到吸油处的风险，吸油口和回油口截面上的流场受涡流影响的范围比例也相对最小。从速度场最短流道长度的量化比较结果来看：方案3 > 方案4 > 方案1 > 方案2；从受涡流影响程度的比较来看：方案2 > 方案1 > 方案4 > 方案3。

3.2.4 综合评估与方案优选

综合流体域温度场与速度场的分析结果，可以得出以下结论：方案3在速度场中最短流道长度最长，油液拥有更充分的内部滞留与热交换时间，涡流影响程度最小，有助于维持较低的流动阻力；同时温度场均匀度最佳，壁面低温区域占比最小，芯部与壁面温差控制在最理想的范围。从流场角度分析，方案3为四种布局方案中的最优布置方案。

本研究的分析进一步表明，不同的吸回油口布局方案会显著改变油箱内部的流场结构。在自增压油箱的实际工程设计与后期试验验证工作中（如系统散热特性研究、油箱油液温度分布测试、油箱壳体温度场测量以及油箱压力冲击分析等），应针对特定的研究对象与试验目标，制定个性化的、有针对性的测试与仿真方案。将CFD数值模拟技术与实体试验技术相互结合、互为验证和补充，不仅有助于提高试验数据的可靠性、显著提升试验效率、大幅节约试验资源，同时能够通过试验数据对仿真模型进行持续修正与校核，为后续的理论研究与工程实践提供高精度的计算模型基础。

 

四、优化总结与展望

4.1 主要研究结论

本文以某型35 MPa压力体制的民机自增压液压油箱为研究对象，基于CFD技术对低温热平衡状态下低压腔的流场特性开展了系统的数值模拟研究，对比分析了四种不同吸、回油口布局方案对温度场和速度场的综合影响，得出以下主要结论。

首先，自增压油箱低压腔的温度场并非理想的均匀分布状态。油箱外壁面与外部低温环境之间持续进行对流换热，使得壁面附近的油液温度明显低于芯部区域，整体温度场呈现由壁面向中心逐渐升高的梯度分布特征。随着系统流量的增大，油液流速增加，油液带入的热量积累速度提高，油箱整体的绝对温度水平升高；与此同时，较强的宏观流动增强了油液的热量混合效率，使得温度场的整体均匀度逐渐改善。

第二，涡流是影响自增压油箱内部流场质量的重要因素。涡流的主要诱发机制在于流体微团在运动过程中与油箱壁面的碰撞以及由此产生的速度梯度。涡流的主要分布位置集中在回油口附近区域。随着系统流量的增大，回油口下方以及吸油口和回油口之间的区域逐渐形成涡流，其影响范围和强度随流速的增加而显著扩大。

第三，吸油口和回油口的几何布局对自增压油箱的低温流场特性具有决定性影响。合理的布局应使吸回油口保持足够远的空间距离，以延长油液在油箱内部的滞留时间和热交换路径，有效防止高速返回的高温油液直接“短路”至吸油口。在此基础上，良好的布局还能减小回油口附近的涡流影响范围，降低涡流对主流的扰动程度。

第四，综合温度场均匀度评价指标和速度场最短流道长度、涡流影响范围等指标进行多维度分析，方案3的吸回油口夹角最大、空间距离最远，油液流经的最短路径最长，热交换时间最为充足，受涡流影响程度最小，温度场均匀度达到最优，为四种方案中的最佳布局。

4.2 工程应用价值

本研究的工程应用价值主要体现在三个层面。在油箱设计层面，本文构建的数值建模方法、边界条件设定策略和方案评价体系为民机自增压液压油箱的低温特性设计提供了系统性的技术参考，有助于设计人员在项目早期阶段即通过CFD手段对设计方案进行定量评估，避免依赖大量实物试验进行重复迭代，从而显著缩短研制周期、降低研发成本。

在试验验证层面，本研究有力证明了CFD技术对于指导试验方案策划的实用价值。不同吸回油口布局方案下的内部流场特性各异，据此可为特定研究对象（如系统散热效率测定、油液温度分布标定、壳体温度场测量以及压力冲击分析等）量身定制个性化的测点布局和试验方案，将仿真与试验技术有机结合、互为修正，大幅提升试验数据的可靠性和试验效率。

在系统层面，本文的成果可为35 MPa高压体制民机液压能源系统的低温适配性分析和后续的系统级热平衡优化提供可靠的计算模型基础，推动高压液压系统从传统的定性设计向基于仿真的精细化、定量化设计转型。

4.3 研究局限与未来方向

本研究在取得上述成果的同时，也存在一定的局限性和值得进一步深入探讨的方向。首先，本文所采用的几何模型为简化模型，对于油箱上集成的温度开关、油量传感器、排气阀等局部复杂结构进行了合理简化，这些结构虽然对整体流场影响较小，但在关注局部流动细节时可能需要考虑其影响。未来的研究可在计算资源允许的前提下进行更高精度的全几何建模。

其次，本研究假设高压腔油液不参与流动、流场内不掺杂空气，这是基于工程近似的一种简化处理。实际上，高、低压腔活塞密封处的微小泄漏以及油液中溶解气泡的析出和迁移行为对极低温工况下的流场可能存在不可忽视的影响。后续工作可引入气液两相流模型，对油箱内的气泡生成、扩散与浮升过程进行更精细的数值模拟。

此外，本研究仅分析了四种离散布局方案的流场表现，未来可结合参数化建模与多目标优化算法，在更大的设计空间中系统探索吸油口位置坐标、回油口位置坐标、两者空间夹角、管道直径比例等设计变量对温度均匀度和流动阻力的综合影响，构建油箱低温性能的代理模型与优化设计准则。

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