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    《流体力学基础》PPT课件.ppt

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    《流体力学基础》PPT课件.ppt

    航空工程学院,飞机液压与燃油系统,一、液压系统工作介质 二、液压流体静力学 三、液压流体动力学 四、管道中液流的能量损失 五、孔口和缝隙流动,2.1.1液压油的主要参数,密度和重度: 一般认为液压油的密度和重度是不变的,计算时可用:,液压油是液压传动的工作介质,压缩性 体积弹性模数 系统内混有空气时,体积弹性模数大大降低,2.1.1液压油的主要参数,粘性: 流体流动时,在液体内部显示出的内摩擦力的性质。 粘度: 粘度是流体在单位速度梯度下流动时产生的剪切应力,是衡量流体粘性的指标。 类型 动力粘度 运动粘度 相对粘度,2.1.1液压油的主要参数,2.1.2粘度-动力粘度,动力粘度,2.1.2 粘度-运动粘度,运动粘度 运动粘度没有特殊的物理意义,2.1.2粘度-相对粘度,相对粘度: 在规定条件下,用粘度计测出的液体的粘度。 中国: 恩氏粘度 0E 美国: 赛氏通用秒 SSU 英国: 雷氏秒 RSS 法国: 巴氏度 0B,2.1.2粘度-恩氏粘度的测定方法,恩氏粘度的测定方法 测定200cm在温度为tC的被测液体在自重作用下流过专用恩格勒粘度计中直径为2.8小孔所需的时间t1,然后测出同体积的蒸馏水在20C时流过同一小孔所需时间t2,t1与t2 的比值即为被测液体在tC的恩氏粘度值,工业一般以 20、50 和100 作为测定恩氏粘度的标准温度,2.1.2粘度-赛氏粘度的测定方法,赛氏粘度的测定方法 测定60cm3、温度为tC的油液在自重作用下,流过专用赛波尔特(Saybolt)测试仪中一个标准长度和直径小孔所需的时间。,2.1.2粘度-各国粘度及换算,2.1.2粘度-粘度特性,粘温特性 液体 VS.气体 温度升高,液体粘度下降而气体粘度上升。 粘压特性 压力增大,液体粘度增大 压力低于30Mpa时,可忽略不计。,2.1.2粘度-粘度对液压系统性能的影响,油液的粘度对系统的功率损失有较大的影响 机械损失 VS.泄漏损失,粘度,机械损失,泄漏损失,功率损失,适合的粘度,2.1.3液压油的化学性能,热稳定性 氧化稳定性 水解稳定性 相容性,2.1.4液压油性能指标,良好的润滑性; 合适的粘度; 高的弹性模数; 较高的化学稳定性; 较高的材料相容性; 防火性; 对人体无毒或过敏反应。,2.1.5液压传动工作液的分类,2.1.6液压油使用注意事项,对液压系统的防护 不同规格的液压油绝不能混用 保持油液必要的清洁度 防止系统进入空气 对其他系统和飞机结构的防护 对维护人员的防护,一、液压系统工作介质 二、液压流体静力学 三、液压流体动力学 四、管道中液流的能量损失 五、孔口和缝隙流动,2.2.1 平衡流体上的作用力,一、质量力 与流体微团质量大小有关并且集中作用在微团质量中心上的力。 质量力包括: 重力、直线运动惯性力、离心惯性力。,2.2.1 平衡流体上的作用力,二、表面力,作用在所研究某部分流体的表面上,且与表面积大小成比例的力,沿表面内法线方向的压力,沿表面切向的摩擦力,从普遍意义上讲,表面力,有如下特点:,和作用面不一定垂直;(可分解为正 应力和切应力两部分)。,和,的方向有关。,切应力:,正应力(压强):,2.2.1 平衡流体上的作用力,2.2.2 流体静压强及其特性,二、流体静压强的两个特性,1. 方向性,流体静压力的方向总是沿着作用面的内法线方向;,(2)因流体几乎不能承受拉力,故p指向受压面。,原因:(1)静止流体不能承受剪力,即=0,故p垂直受压面;,2.2.2流体静压强及其特性,二、流体静压强的两个特性,2. 大小性,流体静压力与作用面在空间的方位无关,仅是该点坐标的函数。,略去无穷小项,2.2.3 流体平衡微分方程式,一、平衡微分方程式,在静止流体中取如图所示微小六面体。 设其中心点a(x,y,z)的密度为,压强为p,所受质量力为f。,2.2.3 流体平衡微分方程式,以x方向为例,列力平衡方程式,表面力:,质量力:,2.2.3流体平衡微分方程式,同理,考虑y,z方向,可得:,上式即为流体平衡微分方程 (欧拉平衡微分方程),2.2.3 流体平衡微分方程式,同理,考虑y,z方向,可得:,上式即为流体平衡微分方程 (欧拉平衡微分方程),一、平衡微分方程式(续),1.平衡微分方程式 (续),物理意义:,在静止流体中,单位质量流体上的质量力与静压强的合力相平衡,适用范围:,所有静止流体或相对静止的流体。,2.2.4流体静力学基本方程式,一、流体静力学基本方程式,作用在流体上的质量力只有重力,均匀的不可压缩流体,积分得:,1.基本方程式,2.2.4 流体静力学基本方程式,一、流体静力学基本方程式(续),2.物理意义,位势能,压强势能hp,总势能,在重力作用下的连续均质不可压所静止流体中,各点的单位重力流体的总势能保持不变。,2.2.4 流体静力学基本方程式,一、流体静力学基本方程式(续),3.几何意义,位置水头,压强水头,静水头,在重力作用下的连续均质不可压静止流体中,静水头线为水平线。,2.2.4 流体静力学基本方程式,一、流体静力学基本方程式(续),4.帕斯卡原理,在重力作用下不可压缩流体表面上的压强,将以同一数值沿各个方向传递到流体中的所有流体质点。,a点压强:,2.2.5 绝对压强 计示压强 液柱式测压计,一、压强的计量,1.绝对压强,以完全真空为基准计量的压强。,2.计示压强,以当地大气压强为基准计量的压强。,表压:,真空:,2.2.5 绝对压强 计示压强 液柱式测压计,二、液柱式测压计,1.测压管,测压管是一根直径均匀的玻璃管,直接连在需要测量压强的容器上,以流体静力学基本方程式为理论依据。,表压,真空,优点:结构简单,缺点:只能测量较小的压强,2.2.5 绝对压强 计示压强 液柱式测压计,二、液柱式测压计,2.U形管测压计,优点:可以测量较大的压强,2.2.5 绝对压强 计示压强 液柱式测压计,二、液柱式测压计,3.U形管差压计,测量同一容器两个不同位置的压差或不同容器的压强差。,2.2.5 绝对压强 计示压强 液柱式测压计,二、液柱式测压计,4.倾斜微压计,优点:可以测量较小的压强,2.2.5 绝对压强 计示压强 液柱式测压计,二、液柱式测压计,5.补偿式微压计,2.2.6 静止液体作用在平面上的总压力,各点压强大小:,一、水平平面上的液体总压力,处处相等,各点压强方向:,方向一致,2.2.6 静止液体作用在平面上的总压力,各点压强大小:,二、倾斜平面上的液体总压力,处处不相等,各点压强方向:,方向一致,作用在微分面积dA上的压力:,作用在平面ab上的总压力:,2. 总压力的大小,1. 总压力的方向,总压力的方向垂直于受压的平面,2.2.6 静止液体作用在平面上的总压力,二、倾斜平面上的液体总压力(续),作用在平面ab上的总压力:,由工程力学知:,故,即静止液体作用在平面上的总压力等于受压面面积与其形心处的相对压强的乘积。,受压面面积A对OX轴的静矩,2.2.6 静止液体作用在平面上的总压力,二、倾斜平面上的液体总压力(续),3. 总压力的作用点,合力矩定理:合力对某轴的矩等于各分力对同一轴的矩的代数和。,受压面A对ox轴的惯性矩。,受压面A对过形心点C且平行于ox轴的轴线的惯性矩。,压力中心D必位于受压面形心c之下。,2.2.7 静止液体作用在曲面上的总压力,各点压强大小:,大小不等,各点压强方向:,方向不同,因作用在曲面上的总压力为空间力系问题,为便于分析,拟采用理论力学中的分解概念将其分解为水平分力和垂直分力求解。,一、总压力的大小和方向,作用在微分面积dA上的压力:,2.2.7 静止液体作用在曲面上的总压力,一、总压力的大小和方向(续),1. 水平分力,作用在曲面上的水平分力等于受压面形心处的相对压强pC-p0与其在垂直坐标面oyz的投影面积Ax的乘积。,2.2.7 静止液体作用在曲面上的总压力,一、总压力的大小和方向(续),2. 垂直分力,作用在曲面上的垂直分力等于压力体的液体重力,式中:,为曲面 ab上的液柱体积abcd的体积,称为压力体。,2.2.7 静止液体作用在曲面上的总压力,一、总压力的大小和方向(续),3. 总压力,大小:,总压力与垂线间的夹角,方向:,(1)水平分力Fpx的作用线通过Ax的压力中心;,(4)将Fp的作用线延长至受压面,其交点D即为总压力在曲面上的作用点。,(3)总压力Fp的作用线由Fpx、Fpz的交点和 确定;,(2)铅垂分力Fpz的作用线通过Vp的重心;,确定方法:,二、总压力的作用点,2.2.7 静止液体作用在曲面上的总压力,三、压力体的两点说明,压力体仅表示 的积分结果(体积),与该体积内是否有液体存在无关。,1. 压力体的虚实性,实压力体:压力体abc包含液体体积,垂直分力方向垂直向下。,虚压力体:压力体abc不包含液体体积,垂直分力方向垂直向上。,2.2.7 静止液体作用在曲面上的总压力,2. 压力体的组成,受压曲面(压力体的底面),由受压曲面边界向自由液面或自由液面的延长面所作的铅垂柱面(压力体的侧面),压力体一般是由三种面所围成的体积。,自由液面或自由液面的延长面(压力体的顶面),三、压力体的两点说明(续),一、液压系统工作介质 二、液压流体静力学 三、液压流体动力学 四、管道中液流的能量损失 五、孔口和缝隙流动,2.3.1 基本概念,理想液体: 既不可压缩又无粘性的液体 实际液体: 既可压缩又有粘性的液体 一维流动:流动参数是一个坐标的函数的流动 定常流动: 液体运动参数不随时间变化,仅是空间坐标的函数的流动。 一维定常流动:在定常流动条件下,如果通过适当选择坐标(包括曲线坐标)后,使流速与压力只是一个坐标的函数,则称这样的流动为一维定常流动,2.3.1 基本概念,迹线:液体质点在空间的运动轨迹 流线:某一瞬时,在流动液体流场内作的一条空间曲线,曲线的切线方向代表了质点在该点的速度方向。 流管和流束:在流场中作一封闭曲线,通过这样的封闭曲线上各点的流线所构成的管状表面称为流管,流管内的流线群称为流束。 过流断面:在流场中作一面。若该面与通过面上的每一条流线都垂直,则称该面为通流截面 流量:单位时间内流过某通流截面的流体体积 法定单位: 米3/秒(m3/s) 工程中常用升/分(L/min) 通流截面上的平均流速:,图27 流线、流束与通流截面,2.3.1 基本概念,流动液体中的压力和能量: 由于存在运动,所以理想流体流动时除了具有压力能与位能外,还具有动能。即流动理想流体具有压力能,位能和动能三种能量形式 单位重量的压力能: 单位重量的位能: Z 单位重量的动能:,2.3.2 连续性方程,如图所示: 假设 =const,简化为: 对整个流管有: 即: 以过流断面的平均速度 、 来表示,则 对任意两过流断面: (连续性方程) 不可压缩流体作定常流动时,通过流束(或管道)的任一通流截面的流量相等 通过通流截面的流速则与通流截面的面积成反比,2.3.3 伯努利方程(能量方程),理想液体的伯努利方程 实际液体的伯努利方程 伯努利方程应用实例,2.3.3 伯努利方程(能量方程)-理想液体的伯努利方程,图2-8 伯努利方程推导简图,理想液体定常流动时,液体的任一 通流截面上的总比能(单位重量液 体的总能量)保持为定值。 总比能由比压能()、比位能(Z)和比动能()组成,可以相互转化。 由于方程中的每一项均以长度为量纲,所以亦分别称为压力水头,位置水头和速度水头 静压力基本方程是伯努利方程的特例,2.3.3 伯努利方程(能量方程)-实际液体的伯努利方程,:动能修正系数,为截面上单位时间内流过液体所具有的实际动能,与按截面上平均流速计算的动能之比(层流时=2,紊流时=1) :单位重量液体所消耗的能量,2.3.3 伯努利方程(能量方程)-伯努利方程应用实例,液压泵吸油口处的真空度是油箱 液面压力与吸油口处压力p2之差。 液压泵吸油口处的真空度却不能 太大. 实践中一般要求液压泵的 吸油口的高度h不超过0.5米.,图2-10 液压泵从油箱吸油,2.3.4 动量方程,如图所示: 即 物理意义:作用在流体控制体积上的外力总和,等于单位时间内流出控制表面与流入控制便面的液体动量之差。,一、液压系统工作介质 二、液压流体静力学 三、液压流体动力学 四、管道中液流的能量损失 五、孔口和缝隙流动,2.4.1 两种流动状态,层流 紊流 雷诺数:液体在圆管中的流动状态决定于由管道中流体的平均流速、管道直径d和液体运动粘度这三个参数所组成的无量纲数的大小: 流动液体的雷诺数低于临界雷诺数(由紊流转变为层流)时,流动状态为层流,反之液流的状态为紊流 雷诺数的物理意义:流动液体的惯性力与粘性力之比,2.4.1 两种流动状态,实验装置,2.4.1 两种流动状态,二、实验现象,过渡状态,紊流,层流:整个流场呈一簇互相平行的流线。着色流束为一条明晰细小的直线。,紊流:流体质点作复杂的无规则的运动。着色流束与周围流体相混,颜色扩散至整个玻璃管。,过渡状态:流体质点的运动处于不稳定状态。着色流束开始振荡。,2.4.1 两种流动状态,二、实验现象,2.4.1 两种流动状态,三、两种流动状态的判定,1、实验发现,2、临界流速,下临界速度(从湍流变层流时的平均速度),上临界速度,层 流:,不稳定流:,紊 流:,流动较稳定,流动不稳定,2.4.1 两种流动状态,三、两种流动状态的判定(续),3、临界雷诺数,层 流:,不稳定流:,紊 流:,下临界雷诺数,上临界雷诺数,工程上常用的圆管临界雷诺数,层 流:,紊 流:,雷诺数,流动液体的惯性力与粘性力之比,2.4.2 沿程损失-圆管中层流的速度分布,圆管中任取一个圆柱体分析受力平衡状态,可得:,2.4.2 沿程损失-圆管中层流的速度分布,将,积分,得,,2.4.2 沿程损失-圆管中的流量及平均速度,取半径r处宽度为dr的微小圆环面积,则可得流量为,此式为哈根-伯肃叶定律,2.4.2 沿程损失-圆管中的流量及平均速度,最大流速,管轴处:,平均流速,2.4.2 沿程损失-压强降,压强降(流动损失),水平管:,结论:,层流流动得沿程损失与平均流速得一次方成正比。,2.4.2 沿程损失-实验研究,实验目的:,沿程损失:,层流:,紊流:,在实验的基础上提出某些假设,通过实验获得计算紊流沿程损失系数的半经验公式或经验公式。,代表性实验:,尼古拉兹实验,莫迪实验,2.4.2 沿程损失-实验研究,一、尼古拉兹实验,实验对象:,不同直径,圆管,不同流量,不同相对粗糙度,实验条件:,实验示意图:,2.4.2 沿程损失-实验研究,一、尼古拉兹实验(续),尼古拉兹实验曲线,2.4.2 沿程损失-实验研究,一、尼古拉兹实验(续),尼古拉兹实验曲线的五个区域,层流区,管壁的相对粗糙度对沿程损失系数没有影响。,2. 过渡区,不稳定区域,可能是层流,也可能是紊流。,2.4.2 沿程损失-实验研究,一、尼古拉兹实验(续),尼古拉兹实验曲线的五个区域(续),紊流光滑管区,沿程损失系数与相对粗糙度无关,而只与雷诺数有关。,勃拉休斯公式:,尼古拉兹公式:,卡门-普朗特公式:,2.4.2 沿程损失-实验研究,一、尼古拉兹实验(续),尼古拉兹实验曲线的五个区域(续),紊流粗糙管过渡区,沿程损失系数与相对粗糙度和雷诺数有关。,洛巴耶夫公式:,阔尔布鲁克公式:,兰格公式:,2.4.2 沿程损失-实验研究,一、尼古拉兹实验(续),尼古拉兹实验曲线的五个区域(续),紊流粗糙管平方阻力区,沿程损失系数只与相对粗糙度有关。,尼古拉兹公式:,此区域内流动的能量损失与流速的平方成正比,故称此区域为平方阻力区。,2.4.2 沿程损失-实验研究,二、莫迪实验,实验对象:,不同直径,工业管道,不同流量,不同相对粗糙度,实验条件:,2.4.2 沿程损失-实验研究,二、莫迪实验(续),莫迪实验曲线,2.4.2 沿程损失-实验研究,二、莫迪实验(续),莫迪实验曲线的五个区域,1. 层流区,层流区,2. 临界区,3. 光滑管区,5. 完全紊流粗糙管区,4. 过渡区,紊流光滑管区,过渡区,紊流粗糙管过渡区,紊流粗糙管平方阻力区,2.4.3局部损失,局部损失:,用分析方法求得,或由实验测定。,局部损失产生的原因:,主要是由流体的相互碰撞和形成漩涡等原因造成,2.3.2 定常管流的压力损失,管路系统的压力损失和压力效率 :整个管路系统的总压力损失是系统中所有直管的沿程压力损失和所有局部压力损失之和 使用条件:管路系统中两相邻局部压力损失之间距离足够大(相连管径的10-20倍) 系统动力元件所供的工作压力: 管路系统的压力效率,2.3.3 通过小孔的流动,在液压与气压传动中常用通过改变阀口通流截面积或通过通流通道的长短来控制流量的节流装置来实现流量控制。这种节流装置的通流截面一般为不同形式的小孔。 通过薄壁小孔(孔的通流长度l与孔径d之比l/d0.5 )的流动 通过细长小孔(小孔的长径比l/d4)的流动,通过薄壁小孔的流动,称为小孔流量系数 通过薄壁小孔的流量与液体粘度无关,因而流量受液体温度影响较小.但流量与孔口前后压差的关系是非线性的,图2-15 液体在薄壁小孔中的流动,通过细长小孔的流动,是细长小孔的通流截面积 液体流经细长小孔的流量将随液体温度的变化而变化。 但细长小孔的流量与孔前后的压差关系是线性的,2.3.3 通过小孔的流动,统一的经过小孔的流量公式 式中 A:孔的通流截面积,p:孔前后压差, m:由孔结构形式决定的指数,0.5m1 k:由孔口形式有关的系数 当孔为薄壁小孔时,m=0.5, 为细长小孔时m=1,,2.3.4 通过间隙的流动,配合间隙 泄漏:当流体流经这些间隙时就会发生从压力高处经过间隙流到系统中压力低处或直接进入大气的现象(前者称为内泄漏,后者称为外泄漏) 泄漏主要是由压力差与间隙造成的 油液在间隙中的流动状态一般是层流,2.4 液压系统的气穴与液压冲击现象,气穴(空穴): 在流动液体中,由于某点处的压力低于空气分离压而产生汽泡的现象 液压冲击:在液压系统中由于某种原因,液体压力在一瞬间会突然升高,产生很高的压力峰值,这种现象称为液压冲击,

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