Empirical modeling of air release in hydraulic reservoirs

Mostafavi, Rahelehsadat; Schmitz, Katharina; Murrenhoff, Hubertus

doi:10.18154/RWTH-2025-05011

Empirical modeling of air release in hydraulic reservoirs = Empirische Modellierung der Luftabscheidung in Hydrauliktanks

Mostafavi, Rahelehsadat^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Rahelehsadat Mostafavi

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Murrenhoff, Hubertus (Thesis advisor)^RWTH* ; Schmitz, Katharina (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-02-25

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-05011
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1012469/files/1012469.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für fluidtechnische Antriebe und Systeme (412810)

Projekte

BMWI-19612N/1 - Entwicklung eines mehrphasigen Tankmodells für die eindimensionale Hydrauliksimulation (BMWI-19612N/1) (BMWI-19612N/1)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Euler-Lagrange Approach (frei) ; Hydrauliktank (frei) ; Luftabscheidung (frei) ; Metamodell (frei) ; air release (frei) ; bubbly flow (frei) ; hydraulic reservoir (frei) ; surrogate model (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Ungelöste Luft ist eine der wichtigsten Verunreinigungen in Hydraulikölen aufgrund der negativen Auswirkungen auf das System (Schäden an den Systemkomponenten, Verringerung der Steifigkeit des Öls), die Umwelt (beschleunigte Ölalterung) sowie die menschliche Gesundheit und das Wohlbefinden (Lärmbelästigung). Hinsichtlich der Luftabscheidung aus dem System ist der Hydrauliktank das wichtigste Bauteil. Die Bestimmung der Luftabscheidung eines Hydrauliktanks ist wichtig, um eine gründliche Behälterauswahl für ein Hydrauliksystem zu treffen. Die Luftabscheidecharakteristik eines hydraulischen Tanks wurde in den letzten Jahren sowohl experimentell als auch mit dreidimensionalen numerischen Simulationsmethoden untersucht. Beide Verfahren sind jedoch zeitaufwändig und erfordern umfangreiches Expertenwissen, sodass sie im industriellen Umfeld kaum einsetzbar sind. Daher gibt es bisher keine effizienten Berechnungsmethoden zur Unterstützung des Designprozesses. Im Rahmen dieser Dissertation wird die empirische Modellierung der Luftabscheidungsfunktion von Hydrauliktanks auf Basis eines mathematischen Ansatzes vorgestellt. Diese Studie wendet optimales Design von Experimenten und Metamodellierungstechniken für die Modellierung des Designprozesses an. Die betrachteten Hydrauliktanks entsprechen hinsichtlich ihrer Ausführung und Konstruktionen den relevanten Normen. Das in dieser Arbeit entwickelte Modell bewertet die Luftabscheidung des Hydrauliktanks und stellt den Luftgehalt in der Saugrohrströmung quantitativ in Abhängigkeit von relevanten Variablen (Eingabeparameter) dar. Die Datenbasis zur Generierung der mathematischen Metamodelle wird mit einem CFD-Tool zur Simulation von Luftblasen im Mineralöl als Hydraulikfluid ermittelt. Metamodelle werden für alle standardisierten Größen nach DIN 24339 und für ihre Konfigurationen mit und ohne Trennblech(e) erstellt. Das Trennblech ist ein wichtiges Einbauzubehör im Hinblick auf die Luftabscheidung. Die statistische Auswertung der Modellgüte zeigt sehr gute Werte für ihre Vorhersagegenauigkeit. Darüber hinaus kann das entwickelte mathematische Modell in eindimensionaler Simulation eingesetzt werden, was eine effiziente Simulation für den industriellen Einsatz ermöglicht.

Undissolved air is one of the most important contaminants in hydraulic oils, due to the negative effects on the system (damage to the system components, reduction of the oil stiffness), environment (acceleration of oil aging) and human health and well-being (noise pollution). In terms of air release from the system, the hydraulic reservoir is the most significant component. Determining the air release capability of a hydraulic reservoir is important for making profound reservoir selection for a hydraulic system. The air release characteristic of a hydraulic reservoir has been investigated in recent years both experimentally and with three-dimensional numerical simulations. However, both methods are time-consuming and require extensive expert knowledge so that they can hardly be used in an industrial environment. Therefore, so far, there are no efficient calculation methods to back up the design process. Within the scope of this dissertation, the empirical modeling of the air release function of hydraulic reservoirs based on a mathematical approach is presented. This study applies optimal design of experiments and metamodeling techniques for the modeling of the design process. The hydraulic reservoirs considered correspond to the relevant standards in terms of their design and construction. The developed model in this thesis evaluates the air release of the hydraulic reservoirs and represents air content in suction pipe flow depending on relevant variables (input parameters). The database for generating mathematical metamodels is determined using a CFD tool for simulating air bubbles in mineral oil as a hydraulic fluid. The metamodels are created for all standardized sizes according to DIN 24339 and for their configurations with and without baffle plate(s). Baffle plate is an important built-in accessory regarding air release. The statistical evaluation of the model rating shows very good values for its prediction quality. Furthermore, the developed mathematical model can also be applied in one-dimensional simulation, which enables efficient simulation for industrial usage.

OpenAccess:
PDF
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