流体力学基础Revised.ppt

第二章液压油与液压流体力学基础,液压传动是以液体作为工作介质进行能量传递的，因而，了解液体的物理性质，掌握液体在静止和运动过程中的基本力学规律，对于正确理解液压传动的基本原理，合理设计和使用液压系统都非常必要。,本章内容,液压油的物理性质液体静力学和液体动力学基础定常管流的压力损失孔口和缝隙流动特性空穴现象和液压冲击,教学要求,了解液体的物理性质，静压特性、方程、传递规律，掌握液体在静止和运动过程中的基本力学规律，掌握静力学基本方程、压力表达式和结论；了解流动液体特性、传递规律，掌握动力学三大方程、流量和结论；掌握薄壁孔流量公式及通用方程、液压冲击和空穴现象的危害及消除。,本章重点,静压传递方程、流体流态、液压冲击和空穴现象,第一节液体的物理性质,一液体的密度二液体的可压缩性三液体的粘性,一、液体的密度,密度单位体积液体的质量由于油液的体积随着温度的上升而增加，随着压力的提高而减少，故矿物型液压油的密度随着温度的上升而有所减少，随着压力的提高而稍有增加，但其变动值很小，可认为其为常数。常用液压油的密度约为900kg/m3。,二、液体的可压缩性,-液体受压力作用而使体积减小的性质,1.液体的体积压缩系数：,体积为V的液体，当压力增大p时，体积减小V,则液体在单位压力变化下体积的相对变化量为,p,V,分析：越大，则液体的可压缩性越大，液体越容易压缩。,为保证为正值，式中须加负号,2.液体的体积模量K：,液体压缩系数的倒数,表示单位体积相对变化量所需要的压力增量，也即液体抵抗压缩能力的大小。,量化概念：碳钢的弹性模量为：E=(2.02.1)1011N/m2。油的弹性模量为：K=(1.42.0)109N/m2。可见：油的可压缩性是钢的100150倍。或说钢比油难100150倍压缩。,二、液体的可压缩性,-液体的可压缩性很小，K=（1.42）109N/m2。-在一般情况下当液压系统在稳态下工作时可以不考虑可压缩的影响。但在高压下或受压体积较大以及对液压系统进行动态分析时，就需要考虑液体可压缩性的影响。,三、液体的粘性,1.粘性的定义,-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的一种内摩擦力，这种现象叫做液体的粘性。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。,粘性是造成液体流动时能量损失的主要原因之一,粘性实验：见右图-实验结果FfA液层接触面积Ffdu/dy液层间的速度梯度,三、液体的粘性,f,内摩察力,牛顿液体内摩擦定律,静止液体du/dy=0,F=0静止液体不呈现粘性,三、液体的粘性,液层单位面积上的内摩察力（内摩擦切应力）,2.粘度,-衡量粘性大小的物理量（即反映内摩擦力大小的程度）。,动力粘度运动粘度相对粘度,三、液体的粘性,1）动力粘度-用牛顿内摩擦定律中的粘性系数表示的粘度称为动力粘度，又称绝对粘度。,（Pas或Ns/m2）,三、液体的粘性,-表征液体粘性的内摩擦系数,物理意义：-指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的大小。,动力粘度与液体密度之比值称为运动粘度，即：,2）运动粘度v,v=/（m2/S）-没有明确的物理意义，但工程实际中常用于液压油牌号标注-新32号液压油:指40oC时运动粘度的平为32mm2/s,三、液体的粘性,3）相对粘度（条件粘度）,-在规定的条件下测定的液体粘度,-我国采用恩氏粘度oE,三、液体的粘性,测定方法：ToC的200ml被测液体装入底部有2.8mm小孔的容器，流完所用时间t1，同体积20oC蒸馏水流完所用时间t2；恩氏粘度：oE=t1/t2,恩氏粘度与运动粘度的换算关系为：,mm2/s,3.粘度与压力的关系,p，内摩擦力F，粘度随p而，压力较小时忽略，32Mpa以上才考虑。,4.粘度与温度的关系,-液压油的粘度对温度变化十分敏感。温度，粘度显著。,-在液压中，希望工作液体的粘度随温度变化越小越好。粘度随温度变化特性，可以用粘度温度特性曲线表示。,三、液体的粘性,t0（1-t）,粘度温度特性曲线,1.对液压油的性能要求1）合适的粘度，良好的粘温特性；2）良好的润滑性能；3）良好的化学温度性，不易氧化；4）质地纯净，杂质少；5）高温闪点高（防火），低温凝点低。,四、液压油的类型与选用,2.液压油的类型液压系统通常采用矿物油，常用的有：普通液压油抗磨液压油低温液压油高粘度液压油,四、液压油的类型与选用,3.液压油的选用,四、液压油的类型与选用,首先选择品种，然后选择粘度。选择时应考虑如下因素：（1）液压泵的类型（表2-1P9）（2）液压系统的工作压力：p，m（3）运动速度:v，m（4）环境温度：T，m（5）综合经济性,液压油受污染-指油液中含有水分、空气、微小固体颗粒和胶状生产物1.污染的危害1）胶状生产物堵塞过滤器、阀小孔或缝隙2）微小固体颗粒加速零件磨损3）水分、空气油氧化、气蚀、降低润滑能力,五、液压油的污染及其控制,液压系统80%的故障是由液压污染造成。,2.污染的原因1）残留物污染-元件在制造、储存、运输、安装、维修中残留2）侵入物污染-使用时周围环境中污染物（空气、水等）侵入3）生成物污染-系统工作过程中产生,由液压缸活塞杆密封处侵入,由进气口侵入,由加油过滤装置侵入,内部原有污染物,外界侵入污染物,泵碾压原有的污染物产生更多的污染,3.污染的控制力求减少残留物污染和外来污染-清洗、防尘、过滤滤除系统产生杂质定期换油，清洗油箱,五、液压油的污染及其控制,工作油液视频,流体力学是研究液体平衡和运动力学规律的一门学科内容包括液体静力学液体动力学管道中液流的特性孔口流动及缝隙流动的压力流量特性液压冲击和空穴现象,液压流体力学,第二节液体静力学,液体静力学主要是研究液体处于静止状态下的力学规律和这些规律的应用内容包括液体静压力及其特性液体静压力基本方程帕斯卡原理（压力传递）静压力对固体壁面的作用力,作用在液体上的力：质量力作用于液体的所有质点，如重力、惯性力；表面力作用于液体的表面，如法向力、切向力；作用在静止液体上的表面力：-当液体静止时，液体质点间没有相对运动，不存在摩擦力，所以静止液体的表面力只有法向力(压力),一、液体的静压力及特性,1、压力的定义：,一、液体的静压力及特性,-液体面积A上所受作用力F为均匀分布时，静压力可表示为：,p=F/A,-静止液体在单位面积上所受的法向力。物理学中称压强，液压传动中习惯称压力。即：,2、液体静压力的特性：,一、液体的静压力及特性,（1）沿内法线垂直作用于承压面液体在静止状态下不呈现粘性内部不存在切向剪应力而只有法向应力（2）各向压力相等有一向压力不等，液体就会流动各向压力必须相等,静力学基本方程式,二、液体静压力基本方程,压力由两部分组成-液面压力p0-自重形成的压力gh,重力作用下的静止液体,平衡：pA=p0A+ghA,p=p0+gh,重力作用下静止液体压力分布特征,-液体内的压力随深度呈直线变化规律-离液面深度相同各点组成等压面，为水平面,绝对压力绝对真空压为基准所测相对压力以大气压力为基准所测（表压力）,真空度-绝对压力小于大气压的那部分压力数值。真空度=大气压力-绝对压力单位：Pa、MPa、bar,三、压力的表示方法和单位,绝对压力=大气压力+相对压力,-在密闭容器内，施加于静止液体的压力将以等值传递到液体内各点。,（若忽略深度的影响，则可认为液体内部各点的压力是相等的）,四、静止液体压力的传递,帕斯卡原理,根据帕斯卡原理：p=F/A,结论：液压系统的压力取决于负载，并且随着负载的变化而变化。,p=p0+gh,压力和流量视频,垂直液压缸,水平液压缸,密闭容器，由帕斯卡定律得：p1=p2讨论：-当F20时,F2F1液压的放大作用-当F2=0时，p1=p2=0,帕斯卡原理的应用,说明：液压系统的压力取决于负载，并且随着负载的变化而变化。,力和位移传递视频,1、当固体壁面为平面时,F=pA,方向垂直于该平面,液体压力在曲面某方向上的作用力,五、静压力对固体壁面的作用力,2、当固体壁面为曲面时,Fx=pAx,Ax为曲面在该方向的投影面积,例：液压缸上作用力,第三节液体动力学基础,-主要是研究液体流动时流速和压力的变化规律主要内容基本概念流量连续性方程（质量守恒）伯努利方程（能量守恒）动量方程（动量守恒）,-液体中任一点处的压力、速度和密度都不随时间而变化的流动。-反之，只要压力、速度、密度中有一个参数随时间而变化，就称为非恒定流动（时变流动）,一、基本概念,理想液体,-既无粘性又不可压缩的假想液体,恒定流动,一维流动,-液体整个地作线形流动,1、理想液体、恒定流动和一维流动,恒定流动和非恒定流动,2、流线、流管、流束,流线,-某一瞬时液流中一条条标志其各处质点运动状态的曲线,流管,-流管内所有各点流线的集合,流束,-在流场内作任一条封闭曲线，沿经过此封闭曲线上的每一点作流线，由这些流线组合的表面称为流管。,通流截面,-垂直于流束的截面,3、流量和平均流速,流量q,-单位时间内流过某一通流截面的液体体积,单位为m3/s,平均流速,-通流截面上各点均匀分布的假想流速,4、液体流动状态,人们对液体流动状态的认识,-液体分层流动，层与层之间互不干扰-粘性力起主导作用,层流,湍流（紊流）,-液体流动不分层，做混杂紊乱流动-惯性力起主导作用,雷诺实验ReynoldsExperiment(1882),雷诺实验装置,层流,变流,湍流,雷诺实验动画,流态的特点,层流和湍流是两种不同性质的流态,-流速低,质点受粘性作用,不能随意运动,粘性力起主导作用，能量损耗以摩擦为主,能量损失相对较小。,层流:,湍流,-流速高，粘性作用减弱，惯性力起主导作用，能量主要损耗在动能上，使流体产生混合，产生旋涡、造成气穴，撞击管壳，引起振动，形成液体噪声等。湍流时的能量损失较大。,究竟是层流还是湍流，要用雷诺数来判定。,雷诺数,-判断液体流态的参数,-液体在圆管中的流态与平均速度v，管道内径d，液体的运动粘度有关。,雷诺实验结论：,雷诺数Re,-无量纲数-如果液流的Re相同，它的流动状态就相同,雷诺数物理意义,-Re是液流的惯性力对粘性力的无因次比-Re较小时粘性力起主要作用，Re较大时惯性力起主要作用,-流动状态的判断,临界雷诺数CrticalReynoldsNumberRecr,-液流由湍流转变为层流时的雷诺数,流动状态的判断,-当实际ReRecr时，为湍流,表2-4常见液流管道的临界雷诺数,流体流态视频,二、连续性方程,质量守恒定律在流体力学中的表现形式,-理想液体在管道中恒定流动时，根据质量守恒定律，液体在管道内既不能增多，也不能减少，因此单位时间内流入液体的质量应恒等于流出液体的质量。,连续性原理:,二、连续性方程,-单位时间内流过两流断面液体质量相等m1=m2，有：,-恒定流动-通流截面1，2,研究模型,分析,连续性方程（忽略液体的可压缩性，1=2）,物理意义,-恒定流动时通过流管任一截面的流量不变-流速与通流截面的面积成反比,三、伯努利方程,能量守恒定律在流体力学中的表达形式理想流体的伯努利方程实际流体的伯努利方程,能量守恒定律,-理想液体在管道中稳定流动时，根据能量守恒定律，同一管道内任一截面上的总能量应该相等。或：外力对物体所做的功应该等于该物体机械能的变化量。,三、伯努利方程,1.理想液体的伯努利方程,理想液体的伯努利方程推导,分析,-外力对液体所做的功,-液体机械能变化,（aa段与bb段比较）位能差Ep=gqt(h2-h1)动能差Ek=qt(u22-u12)/2,能量守恒W=Ep+Ek,理想液体的伯努利方程,伯努利方程物理意义,-在管内作恒定流动的理想液体有三种形式的能量：压力能、动能和位能-在流动过程中，三种能量之间可以互相转化-但其总和不变，即能量守恒,2.实际液体的伯努利方程,实际液体应考虑因素,实际液体的伯努利方程,或,伯努利方程应用实例,解：伯努利方程,例：已知p1和p2、h，以小孔中心线为基准，=1，不考虑能量损失，求侧壁孔口流出速度？,其中v1=0,以2为基准，则h2=0,h1=h,可得：,动量定理在流体力学中的具体应用,-作用在物体上的外力矢量总和等于单位时间内的动量变化量（变化率）,四、动量方程,用于求解流动液体对固体壁面上的作用力,动量定理：,四、动量方程,恒定流动液体的动量方程,四、动量方程,液流在x指定方向的动量方程,动量方程实例,结论：对于滑阀，作用在滑阀阀芯上的稳态液动力的方向总是趋于关闭阀门,Fx正值，与v2在轴线投影方向相反,-流体流动时，由于管道截面突然变化，因流速或流向的急剧变化引起的压力损失,第四节液体流动的压力损失,液体流动中能量损失,局部压力损失：,压力损失包括,一、层流时的沿程压力损失,受力平衡有,由牛顿内摩擦定律（P82-6）可知,（式中负号表示r增加，u减小）,1.通流截面流速分布规律,代入边界条件r=R时，u=0，得,1.层流通流截面流速分布规律,上式说明：圆管内流速沿半径方向按抛物线规律分布。,最大速度发生在轴线上，既当r=0时，,最小速度发生在管壁上，即：当r=R时，,2.通过管道的流量,一、层流时的沿程压力损失,在右图中取微小圆环面积，则,所以积分得,上式说明：-圆管层流时，流量与管径的四次方成正比，压差（压力损失）与管径的四次方成反比。,3.管道内的平均流速,一、层流时的沿程压力损失,根据平均流速的定义，得,与umax值比较，平均流速v为最大流速umax的1/2,4.沿程压力损失,一、层流时的沿程压力损失,适当变化上式，可改写为：,湍流时的沿程压力损失公式与层流相同,二、湍流时的沿程压力损失,-除了与雷诺数Re有关外，还与管道的粗糙度有关,局部压力损失,三、局部压力损失,局部压力损失计算,-局部阻力系数，具体数值可查有关手册,阀类元件局部压力损失,-液流流过各种阀，可由阀在额定流量qn下的压力损失pn来换算,三、局部压力损失,p的危害,四、管路系统总压力损失,影响p的因素,应用举例,求:(1)进油路的压力损失（2）泵的供油压力p1,应用举例,例（续）：求p1,-薄壁孔l/d0.5-厚壁孔0.54,第五节液体流经小孔的流量,一、液流经过小孔的流量压力特性,液流经过孔口的流量公式是研究节流调速的理论基础,小孔,一、液流经过小孔的流量压力特性,1.薄壁小孔,小孔收缩动画,薄壁小孔流量公式,则,薄壁小孔流量公式,薄壁小孔流量,一、液流经过小孔的流量压力特性,2.厚壁孔和细长孔,一、液流经过小孔的流量压力特性,3.小孔流动时流量压力统一公式,第六节、液体流过缝隙流量压力特性,-平板缝隙-圆环环形缝隙同心偏心,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,缝隙,缝隙流量,1、液体流过平行平板缝隙的流量,（推导见书P27）,1、液体流过平行平板缝隙的流量,2、液体流过环形缝隙的流量,第八节液压冲击和空穴现象,液压冲击和空穴现象给液压系统带来不利影响，必加以防治。,第七节液压卡紧现象略,一、液压冲击,液压冲击：-液压系统中，由于某种原因（如速度突然变小），引起系统压力在某一瞬间突然急剧上升，形成很高压力峰值的现象。如：突然关闭自来水管