《液压流体力学》PPT课件.pptVIP

第二章 液压流体力学 流体力学是研究流体平衡和运动规律 的一门学科。本章主要叙述与液压传动有 关的流体力学的基本内容，为以后分析、 设计、以至使用液压传动系统打下必要的 理论基础 Date 1 1.液压油的物理性质 2.流体静力学 3.流体动力学 4.液体流动时的压力损失 5.孔口和缝隙流动 6. 液压冲击和气蚀现象 Date 2 第一节 液压油液的物理性质 1、密度 2、可压缩性 3、粘性 4.对液压油液的要求 Date 3 密度 单位体积液体的质量称为液体的密度。 m/V （ kg/m3） 一般矿物油系液压油在20时密度约为900 kg/m3 Date 4 可压缩性 液体受压力作用而发生体积变化的性质称为液体 的可压缩性。 体积压缩系数 B=-dv/v /dp 流体在单位压力变化下的体积相对变化量 体积弹性系数 K1/B 单位体积变化量所需要的压力增量 液压油液的体积弹性系数数值很大，一般认为液液压油液的体积弹性系数数值很大，一般认为液 压油液不可压缩。压油液不可压缩。 气体的压缩性远大于液体，其体积随压力和温度气体的压缩性远大于液体，其体积随压力和温度 变化的规律服从气体状态方程。变化的规律服从气体状态方程。 Date 5 粘 性 1） 粘性的概念 液体在外力作用流动（或有流动趋势）时，分 子间的内聚力要阻止分子间的相对运动而产生 一种内摩擦力，这种现象叫做液体的粘性。 液体的粘度示意图 液体只有在流动（或有流动趋势）时才会呈现 出粘性，静止液体是不呈现粘性的。 Date 6 2） 粘度 表示液体粘性大小的物理量是粘度。粘度大， 液层间的内摩擦力就大，油液就稠;反之，油液 就稀。 （1）动力粘度 （2）运动粘度 （3）相对粘度 Date 7 粘度与温度关系： 液压油的粘度随温度升高，粘度下降。 粘度温度曲线（见图1-2）. 粘度与压力关系： 随压力变化不大，可忽略不计。 粘度选用原则： 高压、高温、低速选用粘度大的液压油（泄漏 ） 低压、低温、高速选用粘度小的液压油（内摩 擦阻力） 3） 粘度与温度、压力关系 Date 8 Date 9 动力粘度（绝对粘度） 动力粘度的物理意义是：液体在单位速度梯度 下流动时单位面积上产生的内摩擦力。动力粘 度的单位为Pas（帕秒）。 动力粘度表征液 体粘性的内摩擦系数 =(F/A)/(du/dy) 该量无法直接测量，实际工作中通过测量相对粘 度，换算出运动粘度，再由运动粘度换算成绝 对粘度（见表2-1） Date 10 运动粘度 液体的动力粘度与其密度的比值，称为液 体的运动粘度。运动粘度的单位为m2/s，习惯 上用单位为厘斯cSt 。 1m2/s=106cSt 没有明确的物理意义,但是工程实际中常用的物 理量。我国液压油的牌号数就是以这种油液在 40(323K)时运动粘度的平均厘斯数值来命名 的。如20号液压油，意即40=20cSt。 Date 11 相对粘度 相对粘度又称条件粘度，它是按一定的测量条 件制定的。根据测量的方法不同，可分为恩氏 粘度E、赛氏粘度SSU、雷氏粘度Re等。我国 采用恩氏粘度。 恩氏粘度计 Date 12 对液压油液的要求 粘温特性好 ，一般液压系统所选用的液压油， 其运动粘度大多为（1368cSt)（40） 良好的化学稳定性。 良好的润滑性能，以减小元件中相对运动表面 的磨损。 成分要纯净 ，不含或含有极少量的杂质、水分 和水溶性 酸碱等。 材料相容性好,对金属和密封件有良好的相容性 。 抗泡沫性好，抗乳化性好，腐蚀性小，抗锈性 好。 对人体无害、成本低。 Date 13 液压油液的选用液压油液的选用 选用液压油液首先考虑的是粘度。选用液压油液首先考虑的是粘度。 选择时要注意：选择时要注意： 液压系统的工作压力液压系统的工作压力 压力高，要选择粘度压力高，要选择粘度 较大的液压油液。较大的液压油液。 环境温度环境温度 温度高，选用粘度较大的液压油温度高，选用粘度较大的液压油 液。液。 运动速度运动速度 速度高，选用粘度较低的液压油速度高，选用粘度较低的液压油 液。液。 液压泵的类型液压泵的类型 各类泵适用的粘度范围不同各类泵适用的粘度范围不同. . 液压油的污染及其控制液压油的污染及其控制 Date 14 第二节 流体静力学 主要是研究流体处于静止状态下的力学规律和这主要是研究流体处于静止状态下的力学规律和这 些规律的应用些规律的应用 一、液体静压力及其特性 二、静压力基本方程式静压力基本方程式 三、压力表示法及单位 四、静压力对固体壁面的作用力静压力对固体壁面的作用力 Date 15 液体静压力及其特性 液体静压力：静止液体在单位面积上所受的法 向力。液体静压力在物理学上称为压强，工程 实际应用中习惯称为压力 。 在液体的面积在液体的面积A A上所受的作用力上所受的作用力F F为均匀分布时为均匀分布时 ，静压力可表示为，静压力可表示为 p = F / Ap = F / A Date 16 液体的静压力具有两个重要特性： 液体静压力垂直于承压面，方向为该面内液体静压力垂直于承压面，方向为该面内 法线方向。法线方向。 液体内任一点所受的静压力在各个方向上液体内任一点所受的静压力在各个方向上 都相等。都相等。 Date 17 液体静力学基本方程 p=p0+g h 静压力基本方程式静压力基本方程式 Date 18 重力作用下静止液体压力分布特征重力作用下静止液体压力分布特征： 静压力由液面压力p0和重力引起的压力gh两部 分组成。 液体内的压力随液体深度增加而增加。液体内的压力随液体深度增加而增加。 同一液体中深度h相同的各点压力都相等。由压 力相等的组成的面称为等压面。在重力作用下 静止液体中的等压面是一个水平面。 液体中任一质点的总能量液体中任一质点的总能量p/g+hp/g+h 保持不变，保持不变， 因此静压力基本方程从本质上反映了静止液体 中的能量守恒关系. Date 19 压力的表示法及单位 （1）压力的表示法 绝对压力：以绝对零值为基准所表示的压力。 绝对压力大气压力+表压力 相对压力：以大气压力为基准所表示的压力。 又称表压力。 表压力绝对压力-大气压力 真空度：如果液体中某点处的绝对压力低于大 气压, 绝对压力不足大气压力的那部分压力值 。 真空度大气压力绝对压力 Date 20 绝对压力、相对压力和真空度的相对关系： Date 21 （2）压力的单位 法定压力单位为帕斯卡，简称帕，符号为Pa， 1Pa = 1 N/m2。由于Pa太小，工程上常用兆帕 （MPa）来表示：1MPa = 106 Pa 压力单位及其它非法定计量单位的换算关系: 1at（工程大气压）=1kgf/cm2=9.8104 Pa 1mH2O(米水柱)=9.8103 Pa 1mmHg(毫米汞柱)=1.33102 Pa 1bar(巴) = 105 Pa1.02kgf/cm2 Date 22 静压力对固体壁面的作用力静压力对固体壁面的作用力 （1）液体对平面的作用力 当固体壁面为平面时，当固体壁面为平面时，F = p A F = p A ，方向垂，方向垂 直于该平面直于该平面 。 Date 23 （2）液体对曲面的作用力 液体压力在曲面某方向上的作用力液体压力在曲面某方向上的作用力 F = F = pAxpAx ， Ax Ax 为曲面在该方向的投影面积为曲面在该方向的投影面积 Date 24 第三节 流体动力学 主要是研究流体流动状态下的力学规律（主要是研究流体流动状态下的力学规律（ 流速和压力的变化规律）流速和压力的变化规律）. . 一、液体运动的基本概念 二、连续性方程 三、伯努利方程 四、动量方程 它们是流体动力学的基础，是液压与气压它们是流体动力学的基础，是液压与气压 传动中分析问题和设计计算的理论依据。传动中分析问题和设计计算的理论依据。 Date 25 液体运动的基本概念 1、理想液体 2、定常流动 3、过流断面 4、流量 5、平均流速 Date 26 理想液体 理想液体：假设既没有粘性又没有压缩性的液 体。 实际液体：既有粘性又有压缩性的液体。 Date 27 定常流动 液体流动时，若液体中任何一点的压力、速度 和密度都不随时间而变化，则这种流动就称为 定常流动，又称稳定流动。 液体流动时，若液体中任何一点的压力、速度 和密度中有一个随时间而变化，则这种流动就 称为非定常流动。 定常流动与非定常流动 Date 28 过流断面 液体流动时，其垂直于流动方向的 截面。 Date 29 流量 单位时间内通过某过流截面的液体的体积 称为流量。用q表示。流量的单位为m3/s or L/min Date 30 平均流速 平均流速是通过整个通流截面的流量q 与通流截面积A的比值。平均流速在工 程中有实际应用价值。 vq/A Date 31 流量流量连续性方程 连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的一种 表达形式。 质量守恒定律 v1A1v2A2 qvA常量 恒定流动中流过各截面的不可压 缩流体的流量是不变的，因而流速与通流截面的 面积成反比 Date 32 伯努利方程 伯努利方程就是能量守衡定律在流动液体中的 表现形式。 1、理想液体的伯努利方程 2、实际液体的伯努利方程 3、伯努利方程的应用 Date 33 理想液体的伯努利方程 以上两式即为理想液体 作定常流动的伯努利方 程 Date 34 物理意义： 第一项为单位重量液体的压力能称为比压 能（ p/g ）； 第二项为单位重量液体的动能称为比动能 （ u2/2g ）； 第三项为单位重量液体的位能称为比位能 （z）。 在管内作稳定流动的理想流体具有压力能，势在管内作稳定流动的理想流体具有压力能，势 能和动能三种形式的能量，它们可以互相转换能和动能三种形式的能量，它们可以互相转换 ，但其总和不变，即能量守恒。，但其总和不变，即能量守恒。静压力基本方 程是伯努利方程的特例. Date 35 实际液体的伯努利方程 实际流体存在粘性，流动时存在能量损失，实际流体存在粘性，流动时存在能量损失， hw hw 为单位质量液体在两截面之间流动的能量为单位质量液体在两截面之间流动的能量 损失。损失。 用平均流速替代实际流速，用平均流速替代实际流速， 为动能修正系为动能修正系 数数 Date 36 伯努利方程方程的应用 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. 液压泵从油箱吸油 Date 37 伯努利方程应用举例伯努利方程应用举例 如图示简易热水器，已知如图示简易热水器，已知A1=A2/4A1=A2/4、h,h,问冷水管问冷水管 内流量达到多少时才能抽吸热水？内流量达到多少时才能抽吸热水？ 解：列解：列A1A1、A2A2截面的伯努利方程截面的伯努利方程 p1/g + v12/2g = p2/g + v22/2g p1/g + v12/2g = p2/g + v22/2g 补充辅助方程补充辅助方程 p1 = pap1 = paghgh p2=pa p2=pa v1A1=v2A2 v1A1=v2A2 代入得代入得 h+v12/2g = (v1/4)2/2g h+v12/2g = (v1/4)2/2g v1 = (32gh/15)0.5 v1 = (32gh/15)0.5 q = v1A1= (32gh/15)0.5 A1 q = v1A1= (32gh/15)0.5 A1 Date 38 动量方程 动量方程就是动量定律在流动液体中的具体应 用。用来计算流动液体作用于限制壁面上的总 作用力。 作用在液体控制体积上的外力总和等于单位时间内流作用在液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表面的流体的动量之差。出控制表面与流入控制表面的流体的动量之差。 应用动量方程注意：应用动量方程注意：F F、u u是矢量；流动流体作用在固体是矢量；流动流体作用在固体 壁面上的力与作用在流体上的力大小相等、方向相反。壁面上的力与作用在流体上的力大小相等、方向相反。 Date 39 动量定理应用 Date 40 第四节 液体流动时的压力损失 一、压力损失的基本概念 二、层流、紊流、雷诺数 三、沿程压力损失 四、局部压力损失 五、系统总压力损失 Date 41 压力损失的基本概念 由于流动液体具有粘性，以及流动时突然转弯 或通过阀口会产生撞击和旋涡，因此液体流动 时必然会产生阻力。为了克服阻力，流动液体 会损耗一部分能量，这种能量损失可用液体的 压力损失来表示。压力损失即是伯努利方程中 的hw项。 压力损失由沿程压力损失和局部压力损失两部 分组成。 液流在管道中流动时的压力损失和液流运动状 态有关。 Date 42 层流、紊流、雷诺数 层流：液体质点互不干扰，液体的流动呈线性 或层状，且平行于管道轴线； 紊流：液体质点的运动杂乱无章，除了平行于 管道轴线的运动以外，还存在着剧烈的横向运 动。 雷诺实验 液体存在两种不同性质的流态。 液体的流动状态要用雷诺数来判定。 Date 43 雷诺数 实验表明真正决定液流流动状态的是用管内的 平均流速v、液体的运动粘度 、管径d三个数 所组成的一个称为雷诺数Re的无量纲数。 Re = v d / 雷诺数的物理意义：影响液体流动的力主要有惯 性力和粘性力，雷诺数就是流动液体的惯性力与 粘性力之比 Date 44 雷诺判据：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。常见液流管道的临界雷 诺数见书中表格 。（表2.3） 对于非圆形截面管路，雷诺数定义为 A液流的有效面积；液流的湿周（液流有效截 面的周界长度）。 Date 45 沿程压力损失 液体在等直径管中流动时因摩擦而产生的 损失，称为沿程压力损失。沿程压力损失沿程压力损失 的大小与流体的流态有关。的大小与流体的流态有关。 Date 46 沿程压力损失沿程压力损失 pp = =（l /dl /d）vv 2 2 /2 /2 式中式中 称为沿程阻力系数。称为沿程阻力系数。 层流时的沿程压力损失系数理论值层流时的沿程压力损失系数理论值= 64 / = 64 / ReRe，金属管取，金属管取 75/Re,75/Re,橡胶管取橡胶管取 80/Re 80/Re 紊流时的沿程压力损失系数紊流时的沿程压力损失系数 除了与雷诺除了与雷诺 数有关外，还与管道的粗糙度有关，数有关外，还与管道的粗糙度有关，= f= f （ReRe，/ d/ d） Date 47 局部压力损失 液体流经管道的弯头、接头、阀口等处时，液液体流经管道的弯头、接头、阀口等处时，液 体流速的大小和方向发生变化，会产生漩涡并体流速的大小和方向发生变化，会产生漩涡并 发生紊动现象，由此造成的压力损失称为局部发生紊动现象，由此造成的压力损失称为局部 压力损失。压力损失。 pp = v = v2 2 / 2 / 2 为局部阻力系数，具体数值可查有关手为局部阻力系数，具体数值可查有关手 册册 Date 48 系统总压力损失 整个液压系统的总压力损失应为所有沿程压力整个液压系统的总压力损失应为所有沿程压力 损失和所有的局部压力损失之和损失和所有的局部压力损失之和 pp = = pp + + pp Date 49 第五节 孔口和缝隙流动 一、孔口液流特性 二、缝隙液流特性 液流经过小孔的流量公式是研究节流调速的液流经过小孔的流量公式是研究节流调速的 理论基础，液流经过缝隙的流量公式是分析理论基础，液流经过缝隙的流量公式是分析 计算液压元件的泄漏的理论依据。计算液压元件的泄漏的理论依据。 Date 50 Date 51 当当l/d0.5l/d0.5时，称为薄壁小孔；当时，称为薄壁小孔；当l/dl/d4 4时，时， 称为细长孔，当称为细长孔，当0.50.5l/d4l/d4时，称为短孔。时，称为短孔。 流经薄壁小孔流量流经薄壁小孔流量 q = CdAo（2p /）1/2 A0小孔截面积； Cd流量系数，当当d1/d2d1/d27 7时取时取CdCd=0.62=0.62 薄壁小孔因沿程阻力损失小，q 对油温变化不 敏感，因此多被用作调节流量的节流器。 Date 52 流经细长孔的流量流经细长孔的流量 q =q =（dd 4 4 / 128l / 128l）pp 流量受液体温度影响较大。流量受液体温度影响较大。 Date 53 缝隙液流特性 缝隙间充满流体时，压差作用会使流 体产生流动，称为压差流动；两壁面 相对运动也会使流体产生流动，称为 剪切流动。 Date 54 平行平板缝隙流动 1、压差流动：上下两平板固定不动，液体 在间隙两端压差作用下在间隙中流动。 q = b h 3p / 12l 在压差作用下，流量q 与 缝隙值h 的三次方成正比，这 说明液压元件内缝隙的大小对泄漏量的影响非常大 Date 55 2、两平行平板有相对运动时的间隙流动 （1）纯剪切流动:两平板有相对运动速度v，但无压差 。 （2）两平板即有相对运动，两端又有压差的流动。 Date 56 第六节 液压冲击和气蚀现象 液压冲击 气穴和气蚀现 象 Date 57 液压冲击 液压冲击因某些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。瞬间压力冲击不仅引起振动和噪 声，而且会损坏密封装置、管道、元件，造成 设备事故。 Date 58 1、液压冲击产生的原因 液体突然停止运动时产生的液压冲击 管道阀门突然关闭时产生的液压冲击 运动部件制动时产生的液压冲击 Date 59 2、减少液压冲击的措施： 延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间。 限制管道流速及运动部