液压流体力学基础53757.ppt

,液压与气压传动(第三讲),2,第一章液压流体力学基础,三液体动力学四管道流动,3,解决流动液体与固体壁面间的作用力问题,主要研究内容：液体流动时流速和压力的变化规律流体动力学三个基本方程：连续性方程伯努利方程动量方程,三液体动力学,第一章液压流体力学基础,4,第一章液压流体力学基础,3.1基本概念（理想液体和恒定流动通流截面、流量和平均流速）,三液体动力学,理想液体假设的既无粘性又不可压缩的流体称为理想液体实际液体？,恒定流动液体流动时，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（定常流动或非时变流动）。非恒定流动？,5,第一章液压流体力学基础,3.1基本概念（理想液体和恒定流动通流截面、流量和平均流速）,三液体动力学,流通截面垂直于流动方向的截面，也称为过流截面。,流量单位时间内流过某一通流截面的液体体积。流量以q表示，单位为m3/s或L/min。,平均流速实际流体流动时，速度的分布规律很复杂。假设通流截面上各点的流速均匀分布。平均流速为v=q/A。,设平均流速为v则：,6,第一章液压流体力学基础,3.1基本概念（理想液体和恒定流动通流截面、流量和平均流速）,三液体动力学,结论：液压缸的运动速度取决于进入液压缸的平均流量，并且随着流量的变化而变化。,7,第一章液压流体力学基础,3.2流量连续性方程,三液体动力学,连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的表达形式,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。,1v1A1=2v2A2若不考虑液体的压缩性v1A1=v2A2q=uA=常量,8,第一章液压流体力学基础,3.3伯努利方程,三液体动力学,伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的表达形式,（理想液体伯努利方程实际液体伯努利方程）,理想液体因无粘性，又不可压缩，因此在管内作稳定流动时没有能量损失。根据能量守恒定律，同一管道每一截面的总能量都是相等的。,9,第一章液压流体力学基础,3.3伯努利方程,三液体动力学,（理想液体伯努利方程实际液体伯努利方程）,常量,物理意义：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，但其总和不变，即能量守恒,10,第一章液压流体力学基础,3.3伯努利方程,三液体动力学,（理想液体伯努利方程实际液体伯努利方程）,实际液体在管道内流动时：由于液体存在粘性，会产生内摩擦力，消耗能量；由于管道形状和尺寸的变化，液流会产生扰动，消耗能量。因此，实际液体流动时存在能量损失。,实际液体计算中关于能量损失问题,设单位质量液体在两截面之间流动的能量损失为hwg.,11,第一章液压流体力学基础,3.3伯努利方程,三液体动力学,（理想液体伯努利方程实际液体伯努利方程）,实际流速与平均流速的计算误差问题,引入动能修正系数，它等于单位时间内某截面处的实际动能与按平均流速计算的动能之比。,动能修正系数在紊流时取1.1，在层流时取2，实际计算时常取1。,12,第一章液压流体力学基础,3.3伯努利方程,三液体动力学,（理想液体伯努利方程实际液体伯努利方程）,考虑能量损失和动能修正系数后，实际液体伯努利方程,13,第一章液压流体力学基础,3.3伯努利方程,三液体动力学,（理想液体伯努利方程实际液体伯努利方程）,实际液体伯努利方程计算时需要注意的问题,1、截面1、2应顺流向选取，且选在流动平稳的通流截面上。,2、z和p应为通流截面的同一点上的两个参数，为方便起见，一般将这两个参数定在通流截面的轴心处。,14,第一章液压流体力学基础,3.3动量方程,三流体动力学,动量方程是动量定理在流体力学中的具体应用，用来计算流动液体作用在限制其流动的固体壁面上的总作用力。,刚体力学动量定理：作用在物体上全部外力的矢量和应等于物体在力作用方向上的动量变化率。,15,第一章液压流体力学基础,3.3动量方程,三流体动力学,t时间内的动量变化量为：,16,第一章液压流体力学基础,3.3动量方程,三流体动力学,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液体的动量之差。应用动量方程注意：F、v是矢量；流动液体作用在固体壁面上的力与作用在液体上的力大小相等、方向相反。,方程说明：,17,第一章液压流体力学基础,3.3动量方程,三流体动力学,F=q（v2cos2-v1cos1）液流有一个力图使阀口关闭的力，这个力称为液动力。F=-F=qv1cos,18,第一章液压流体力学基础,3.4管道流动,三流体动力学,沿程压力损失,局部压力损失,压力损失与流态有关,19,第一章液压流体力学基础,3.4管道流动（流态与雷诺数、沿程压力损失、局部压力损失）,三流体动力学,（1）流态,层流：液体流速较低，液体质点间的粘性力起主导作用，液体质点受粘性的约束，不能随意运动。液体的流动是分层的，层与层之间互不干扰。紊流（湍流）：液体流速较高，液体质点间粘性的制约作用减弱，惯性力起主导作用。液体流动不分层，做混杂紊乱流动。,动画演示,20,第一章液压流体力学基础,3.4管道流动（流态与雷诺数、沿程压力损失、局部压力损失）,三流体动力学,（2）雷诺数可用来判断液体的流态,圆截面管,非圆截面管,平均流速,管道内径,液体运动粘度,平均流速,通流截面的水力半径,液体运动粘度,物理意义：液体流动时惯性力与粘性力之比。,21,第一章液压流体力学基础,3.4管道流动（流态与雷诺数、沿程压力损失、局部压力损失）,三流体动力学,（2）雷诺数可用来判断液体的流态,液流的有效面积,有效截面的周界长度（湿周）,通流截面的水力半径R,水力半径大，液流阻力小，通流能力大。,22,第一章液压流体力学基础,3.4管道流动（流态与雷诺数、沿程压力损失、局部压力损失）,三流体动力学,（3）雷诺数与流态的关系,液流由紊流转变为层流时的雷诺数作为判别液流状态的依据，称为临界雷诺数Recr,23,第一章液压流体力学基础,3.4管道流动（流态与雷诺数、沿程压力损失、局部压力损失）,三流体动力学,（3）雷诺数与流态的关系,24,第一章液压流体力学基础,3.4管道流动（流态与雷诺数、沿程压力损失、局部压力损失）,三流体动力学,（1）层流时的沿程压力损失,通流截面上的流速分布规律,液流在作匀速运动时受力平衡,25,第一章液压流体力学基础,3.4管道流动（流态与雷诺数、沿程压力损失、局部压力损失）,三流体动力学,（1）层流时的沿程压力损失,两边积分,r=R时，u=0,通流截面上的流速分布规律,26,第一章液压流体力学基础,3.4管道流动（流态与雷诺数、沿程压力损失、局部压力损失）,三流体动力学,（1）层流时的沿程压力损失,结论：液体在圆管中作层流运动时，速度对称于圆管中心线并按抛物线规律分布。,通流截面上的流速分布规律,27,第一章液压流体力学基础,3.4管道流动（流态与雷诺数、沿程压力损失、局部压力损失）,三流体动力学,（1）层流时的沿程压力损失,通过管道的流量,微小环形通流截面面积：,所通过的流量：,两边积分得：,28,第一章液压流体力学基础,3.4管道流动（流态与雷诺数、沿程压力损失、局部压力损失）,三流体动力学,（1）层流时的沿程压力损失,管道内的平均流速,管道内的平均流速为最大流速的一半,29,第一章液压流体力学基础,3.4管道流动（流态与雷诺数、沿程压力损失、局部压力损失）,三流体动力学,（1）层流时的沿程压力损失,沿程压力损失,沿程压力损失,30,第一章液压流体力学基础,3.4管道流动（流态与雷诺数、沿程压力损失、局部压力损失）,三流体动力学,（1）层流时的沿程压力损失,沿程压力损失,沿程压力损失：,为沿程阻力系数，理论值。但考虑实际流动中的油温变化不均匀等问题，对金属管取，橡胶软管,+,+,31,第一章液压流体力学基础,3.4管道流动（流态与雷诺数、沿程压力损失、局部压力损失）,三流体动力学,（2）紊流时的沿程压力损失,实验证明，紊流时的沿程压力损失计算公式可采用层流时的计算公式，但式中的沿程阻力系数除与雷诺数有关外，还与管壁的粗糙度有关。,管壁的绝对粗糙度,管壁的相对粗糙度,32,第一章液压流体力学基础,3.4管道流动（流态与雷诺数、沿程压力损失、局部压力损失）,三流体动力学,（2）紊流时的沿程压力损失,33,第一章液压流体力学基础,3.4管道流动（流态与雷诺数、沿程压力损失、局部压力损失）,三流体动力学,定义：液体流经管道的弯头、接头、突然变化的截面以及阀口等处时，液体流速的大小和方向将急剧发生变化，因而会产生涡流，并发生强烈的紊动现象，于是产生流动阻力，由此造成的压力损失称为局部压力损失。,34,第一章液压流体力学基础,3.4管道流动（流态与雷诺数、沿程压力损失、局部压力损失）,三流体动力学,计算公式：,实际流量为额定流量实际流量非额定流量,局部阻力系数(xi),液体密度,液体的平均流速,额定流量下的压力损失,额定流量,实际流量,35,第一章液压流体力学基础,3.4管道流动（流态与雷诺数、沿程压力损失、局部压力损失）,三流体动力学,液压系统总压力损失的计算：,36,第一章液压流体力学基础,3.5孔口流动（薄壁小孔、滑阀阀口、锥阀阀口、短孔和细长孔、液阻）,三流体动力学,液压元件特别是液压控制阀中，对液流压力、流量及方向的控制通常是通过一些特定的孔口实现的，它们对流过的液体形成阻力，使其产生压力降，称为液阻。,液阻：,37,第一章液压流体力学基础,3.5孔口流动（薄壁小孔、滑阀阀口、锥阀阀口、短孔和细长孔、液阻）,三流体动力学,薄壁小孔通流长度与孔径之比小于0.5的小孔，一般边缘做成刃口形式,惯性作用,收缩断面,能量损失,38,第一章液压流体力学基础,3.5孔口流动（薄壁小孔、滑阀阀口、锥阀阀口、短孔和细长孔、液阻）,三流体动力学,完全收缩：当孔前通道直径与小孔直径之比D/d7时，液流的收缩作用不受孔前通道内壁的影响，这时的收缩称为完全收缩。不完全收缩：当D/d105时不完全收缩情况下：,查表1-7,43,第一章液压流体力学基础,3.5孔口流动（薄壁小孔、滑阀阀口、锥阀阀口、短孔和细长孔、液阻）,三流体动力学,薄壁小孔因其沿程阻力损失非常小，通过小孔的流量与油液粘度无关，即对油温的变化不敏感，因此薄壁小孔多被用作调节流量的节流器使用。,总结：,44,第一章液压流体力学基础,3.5孔口流动（薄壁小孔、滑阀阀口、锥阀阀口、短孔和细长孔、液阻）,三流体动力学,阀口圆周长度为,则阀口通流截面积为,可视为薄壁小孔,45,第一章液压流体力学基础,3.5孔口流动（薄壁小孔、滑阀阀口、锥阀阀口、短孔和细长孔、液阻）,三流体动力学,依薄壁小孔流量计算公式,流经滑阀阀口的流量为：,46,第一章液压流体力学基础,3.5孔口流动（薄壁小孔、滑阀阀口、锥阀阀口、短孔和细长孔、液阻）,三流体动力学,滑阀阀口的流量公式中Cd的取值：,Re=103取0.69-0.74阀口棱边圆滑或有很小的倒角时一般取0.8-0.9,平均流速,运动粘度,47,第一章液压流体力学基础,3.5孔口流动（薄壁小孔、滑阀阀口、锥阀阀口、短孔和细长孔、液阻）,三流体动力学,阀口通流面积：,（无倒角时）,流经锥阀阀口的流量：,流量系数Cd由图1-22查出，由图可知，当雷诺系数较大时，Cd变化很小，其值在0.770.82之间。,48,第一章液压流体力学基础,3.5孔口流动（薄壁小孔、滑阀阀口、锥阀阀口、短孔和细长孔、液阻）,三流体动力学,短孔：长径比的孔细长孔：长径比的孔,短孔的流量表达式（与薄壁小孔相同）：,流量系数Cd按照图1-23中的曲线查找，当雷诺系数较大时，Cd基本为0.8左右。由短孔加工比薄壁小孔容易加工，常用作固定节流器。,49,第一章液压流体力学基础,3.5孔口流动（薄壁小孔、滑阀阀口、锥阀阀口、短孔和细长孔、液阻）,三流体动力学,流经细长孔的液流，由于粘性的影响，流动状态一般为层流，所以细长孔的流量可用液流流经圆管的流量公式：,液流经过细长孔的流量和孔前后压差成正比，而和液体粘度成反比，因此流量受液体温度影响较大，这是和薄壁小孔的不同之处。,50,第一章液压流体力学基础,3.5孔口流动（薄壁小孔、滑阀阀口、锥阀阀口、短孔和细长孔、液阻）,三流体动力学,薄壁小孔：,滑阀阀口：,锥阀阀口：,将上述不同孔口的阀口流量公式写成通用表达式：,细长孔,其中，薄壁小孔、滑阀阀口、锥阀阀口及短孔的指数m=0.5，系数；细长孔的指数m=1，系数,51,第一章液压流体力学基础,3.5孔口流动（薄壁小孔、滑阀阀口、锥阀阀口、短孔和细长孔、液阻）,三流体动力学,通用表达式：,又称为孔口压力流量方程,描述孔口结构形式及几何尺寸确定后，流经孔口的压力降及孔口通流面积之间的关系。,液阻孔口前后压力降与稳态流量之间的比值。即在稳态下，液阻与流量变化所需要的压差变化成正比。,52,第一章液压流体力学基础,3.5孔口流动（薄壁小孔、滑阀阀口、锥阀阀口、短孔和细长孔、液阻）,三流体动力学,液阻的特点：液阻与孔口的通流面积呈反比。在孔口前后压力降一定时，调节孔口通流面积可以改变液阻，从而调节流经孔口的流量。这种特性即液压系统的节流调节特性。在孔口通流面积一定时，改变流经孔口的流量，孔口压力随之变化。这中特性为液阻的阻力特性，一般用于压力控制阀的内部控制当多个孔口串联时，总液阻当多个孔口并联时，总液阻,53,第一章液压流体力学基础,3.6缝隙流动（平板缝隙、圆柱环形缝隙、圆锥环形间隙、卡紧现象）,三流体动力学,受力平衡方程,通过平行平板缝隙的流量：,54,第一章液压流体力学基础,3.6缝隙流动（平板缝隙、圆柱环形缝隙、圆锥环形间隙、卡紧现象）,三流体动力学,通过平行平板缝隙的流量：,结论：在压差作用下，通过固定平行平板缝隙的流量与缝隙高度的三次方成正比，这说明，液压元件内缝隙的大小对其泄漏量的影响是很大的。,55,第一章液压流体力学基础,3.6缝隙流动（平板缝隙、圆柱环形缝隙、圆锥环形间隙、卡紧现象）,三流体动力学,在液压元件中，某些相对运动零件，如柱塞与柱塞孔，圆柱滑阀阀心与阀体孔之间的间隙为圆柱环形间隙。二者是否同心又分为同心圆柱环形间隙和偏心环形间隙。,通过同心圆柱环形间隙的流量,u0,56,第一章液压流体力学基础,3.6缝隙流动（平板缝隙、圆柱环形缝隙、圆锥环形间隙、卡紧现象）,三流体动力学,流经偏心圆柱环形缝隙的流量,h0内外圆同心时半径方向的缝隙值相对偏心率e/h0,57,第一章液压流体力学基础,3.6缝隙流动（平板缝隙、圆柱环形缝隙、圆锥环形间隙、卡紧现象）,三流体动力学,环形圆锥缝隙的流量,当柱塞或柱塞孔，阀心或阀体孔因加工误差带有一定锥度时，两相对运动零件之见的间隙为圆锥环形间隙，其间隙大小沿轴线方向变化。阀心大端为高压，液流由大端流向小端称为倒锥；阀心小端为高压，液流由小端流向大端称为顺锥。阀心存在锥度不仅影响流经间隙的流量，而且影响缝隙中的压力分布。,58,第一章液压流体力学基础,3.7液压冲击和气穴现象,三流体动力学,液压冲击,定义：在液压系统中，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的现象称为液压冲击。,类型：因液流通道迅速关闭或液流迅速换向使液流速度的大小或方向发生突然变化时，液流的惯性导致的液压冲击。运动的工作部件突然制动或换向时，因工作部件的惯性引起