管道流动 孔口流动 缝隙流动 气穴现象

1、华中科技大学 管道流动管道流动 孔口流动孔口流动 缝隙流动缝隙流动 华中科技大学 管道流动管道流动 由于流动液体具有粘性，以及流动时突然转弯或通过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，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即是伯努利方程中的hw项。项。 压力损失由沿程压力损失和局部压力损失两部分组成。压力损失由沿程压力损失和局

2、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液流在管道中流动时的压力损失和液流运动状态有关。 n流态、雷诺数流态、雷诺数 n沿程压力损失沿程压力损失 n局部压力损失局部压力损失 华中科技大学 流态，雷诺数流态，雷诺数 n雷诺实验装置雷诺实验装置 华中科技大学 n通过实验发现液体在管道中流动时存在两种流动状态。通过实验发现液体在管道中流动时存在两种流动状态。 n层流层流粘性力起主导作用粘性力起主导作用 n紊流紊流惯性力起主导作用惯性力起主导作用 n液体的流动状态用雷诺数来判断。液体的流动状态用雷诺数来判断。 n雷诺数雷诺数Re = v d / ， nv 为管内的平均流速

3、为管内的平均流速 nd 为管道内径为管道内径 n为液体的运动粘度为液体的运动粘度 n雷诺数为无量纲数。雷诺数为无量纲数。 如果液流的雷诺数相同，它的流动状态亦相同。如果液流的雷诺数相同，它的流动状态亦相同。 n一般以液体由紊流转变为层流的雷诺数作为判断液体一般以液体由紊流转变为层流的雷诺数作为判断液体 流态的依据，称为临界雷诺数，记为流态的依据，称为临界雷诺数，记为Recr。 当当ReRecr，为层流；当，为层流；当ReRecr，为紊流。，为紊流。 n常见液流管道的临界雷诺数见书中表格。常见液流管道的临界雷诺数见书中表格。 华中科技大学 沿程压力损失沿程压力损失 液体在等直径管中流动时因摩擦而

4、产生的损失，称为沿程压力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。因液体的流动状态不同沿程压力损失的计算有所区别。损失。因液体的流动状态不同沿程压力损失的计算有所区别。 n层流时的层流时的沿程压力损失沿程压力损失 ： n通流截面上的流速在半径方向按抛物线规律分布通流截面上的流速在半径方向按抛物线规律分布 。 n通过管道的流量通过管道的流量 q =（d 4/128l ）p n管道内的平均流速管道内的平均流速 v = (d 2/32l )p n沿程压力损失沿程压力损失 p =（64/Re)( l /d ) v 2 /2 =（l /d ）v 2 /2 为沿程阻力系数，实际计算时对

5、金属管取为沿程阻力系数，实际计算时对金属管取= 75 / Re。 n紊流时的紊流时的沿程压力损失沿程压力损失 ： n p =（l /d）v 2 /2 n除了与雷诺数有关外，还与管道的粗糙度有关。除了与雷诺数有关外，还与管道的粗糙度有关。 = f（Re，/ d ），），为管壁的绝对粗糙度，为管壁的绝对粗糙度，/d 为相对粗糙度。为相对粗糙度。 华中科技大学 局部压力损失局部压力损失 n液体流经管道的弯头、接头、阀口等处时，液体流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，会产生漩涡并发生紊动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压

6、力损失。现象，由此造成的压力损失称为局部压力损失。 np= v 2 / 2 为局部阻力系数，具体数值可查有关手册。为局部阻力系数，具体数值可查有关手册。 n液流流过各种阀的局部压力损失可由阀在额定压力液流流过各种阀的局部压力损失可由阀在额定压力 下的压力损失下的压力损失ps来换算：来换算： np= ps（q / qs ）2 n整个液压系统的总压力损失应为所有整个液压系统的总压力损失应为所有沿程压力损失沿程压力损失 和所有的局部压力损失之和。和所有的局部压力损失之和。 np = p + p 华中科技大学 孔口流动孔口流动 n在液压元件特别是液压控制阀中，对液流压力、流量在液压元件特别是液压控制阀

7、中，对液流压力、流量 及方向的控制通常是通过特定的孔口来实现的，它们及方向的控制通常是通过特定的孔口来实现的，它们 对液流形成阻力，使其产生压力降，其作用类似电阻，对液流形成阻力，使其产生压力降，其作用类似电阻， 称其为液阻。称其为液阻。“孔口流动孔口流动”主要介绍孔口的流量公式主要介绍孔口的流量公式 及液阻特性。及液阻特性。 n薄壁小孔薄壁小孔 当长径比当长径比 l / d 0.5 时称为薄壁小孔，一时称为薄壁小孔，一 般孔口边缘都做成刃口形式。般孔口边缘都做成刃口形式。 当液流经过管道由小孔流出时，由于液体惯性作用，使通过当液流经过管道由小孔流出时，由于液体惯性作用，使通过 小孔后的液流形

8、成一个收缩断面，然后再扩散，这一收缩和扩小孔后的液流形成一个收缩断面，然后再扩散，这一收缩和扩 散过程产生很大的能量损失。散过程产生很大的能量损失。 对孔前、孔后通道断面对孔前、孔后通道断面11、 22列伯努利方程，其中的压力损失包括突然收缩和突然扩列伯努利方程，其中的压力损失包括突然收缩和突然扩 大两项损失。大两项损失。 薄壁小孔液流薄壁小孔液流 华中科技大学 n 经整理得到流经薄壁小孔流量经整理得到流经薄壁小孔流量 q = CdAo（2p /）1/2 n A0小孔截面积；小孔截面积； nCd流量系数，流量系数，Cd=CvCc Cv称为速度系数称为速度系数 ；Cc称为截面收缩系数。流量系称为

9、截面收缩系数。流量系 数数Cd的大小一般由实验确定，在液流完全收缩的的大小一般由实验确定，在液流完全收缩的 情况下，当情况下，当Re10 5时，可以认为是不变的常数，时，可以认为是不变的常数， 计算时按计算时按Cd=0.600.61 选取选取 薄壁小孔因沿程阻力损失小，薄壁小孔因沿程阻力损失小，q 对油温变化不敏感，对油温变化不敏感， 因此多被用作调节流量的节流器。因此多被用作调节流量的节流器。 华中科技大学 n滑阀阀口滑阀阀口 n滑阀阀口可视为薄壁小孔，流经阀口的流量为滑阀阀口可视为薄壁小孔，流经阀口的流量为 qCdDxv(2p/)1/2 n式中式中 Cd流量系数，根据雷诺数查图流量系数，根

10、据雷诺数查图120 D滑阀阀芯台肩直径滑阀阀芯台肩直径 xv阀口开度，阀口开度， xv24mm n 锥阀阀口锥阀阀口 n 锥阀阀口与薄壁小孔类似，流经阀口的流量为锥阀阀口与薄壁小孔类似，流经阀口的流量为 qCddmxvsin(2p/)1/2 n 式中式中Cd流量系数，根据雷诺数查图流量系数，根据雷诺数查图122 dm阀座孔直径阀座孔直径 xv阀芯抬起高度阀芯抬起高度 阀芯半锥角阀芯半锥角 华中科技大学 n短孔和细长孔短孔和细长孔 n当长径比当长径比 0.5 l / d 4 时，称为短孔。时，称为短孔。 n流经短孔的流量流经短孔的流量 q = CdA0(2p/)1/2 nCd 应按曲线查得，雷诺

11、数较大时，应按曲线查得，雷诺数较大时，Cd基本稳定在基本稳定在0.8 左右。短管左右。短管 常用作固定节流器。常用作固定节流器。 n当长径比当长径比 l / d 4 时，称为细长孔。时，称为细长孔。 n流经细长孔的流量流经细长孔的流量 q =（d 4 / 128l ）p 液流经过细长孔的流量和孔前后压差成正比，和液体粘度成反比。液流经过细长孔的流量和孔前后压差成正比，和液体粘度成反比。 n流量受液体温度影响较大。流量受液体温度影响较大。 n液阻液阻 n定义孔口前后压力降与稳态流量的比值为液阻，即在稳态下，定义孔口前后压力降与稳态流量的比值为液阻，即在稳态下， 它与流量变化所需要的压差变化成正比

12、。它与流量变化所需要的压差变化成正比。R=d(p)/dq=p1- m/KLAm n液阻的特性：液阻的特性： nR与通流面积与通流面积A成反比，成反比，A=0，R为无限大；为无限大；A足够大时，足够大时，R0。 np一一定，调节定，调节A，可以改变，可以改变R，从而调节流经孔口的流量。，从而调节流经孔口的流量。 nA一定，改变一定，改变q， p 随之改变，这种液阻的阻力特性用于压力控随之改变，这种液阻的阻力特性用于压力控 制阀的内部控制。制阀的内部控制。 n多个孔口串联或并联，总液阻类似电阻的计算。多个孔口串联或并联，总液阻类似电阻的计算。 华中科技大学 缝隙流动缝隙流动 通过平板缝隙的流量通过

13、平板缝隙的流量 q = b h 3p / 12l u ob h / 2 在压差作用下，流量在压差作用下，流量q 与与 缝隙值缝隙值h 的三次方成正比，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。这说明液压元件内缝隙的大小对泄漏量的影响非常大。 平板缝隙平板缝隙 两平行平板缝隙间充满液体两平行平板缝隙间充满液体 时，压差作用会使液体产生时，压差作用会使液体产生 流动（压差流动）；两平板流动（压差流动）；两平板 相对运动也会使液体产生流相对运动也会使液体产生流 动（剪切流动）动（剪切流动）。 华中科技大学 环形缝隙环形缝隙 n通过同心圆柱环形缝隙的流量公式：通过同心圆柱环形缝

14、隙的流量公式： q = （d h 3 / 12l ）p d h uo / 2 当圆柱体移动方向和压差方向相同时取正号，当圆柱体移动方向和压差方向相同时取正号， 方向相反时取负号。方向相反时取负号。 相对运动的圆柱体与孔相对运动的圆柱体与孔 之间的间隙为圆柱环形间之间的间隙为圆柱环形间 隙。根据两者是否同心又隙。根据两者是否同心又 分为同心圆柱环形间隙和分为同心圆柱环形间隙和 偏心环形间隙。通过其间偏心环形间隙。通过其间 的流量也包括压差流动流的流量也包括压差流动流 量和剪切流动流量。设圆量和剪切流动流量。设圆 柱体直径为柱体直径为d，缝隙值为，缝隙值为h， 缝隙长度为缝隙长度为 l 。 华中科

15、技大学 设内外圆的偏心量为设内外圆的偏心量为 e，流经偏心圆柱环形缝隙，流经偏心圆柱环形缝隙 的流量公式：的流量公式： q = （d ho3 / 12l ）p（1 + 1.5 2） 式中式中 ho为内外圆同心时半径方向的缝隙值为内外圆同心时半径方向的缝隙值 为为相对偏心率，相对偏心率， e / ho 当偏心量当偏心量e=ho， 即即1 时（最大偏心状时（最大偏心状 态），其通过的流量是同态），其通过的流量是同 心环形间隙流量的心环形间隙流量的2.5 倍。倍。 因此在液压元件中应尽量因此在液压元件中应尽量 使配合零件同心。使配合零件同心。 华中科技大学 圆锥环形缝隙的流量圆锥环形缝隙的流量 及液

16、压卡紧现象及液压卡紧现象 n当柱塞或柱塞孔，阀芯或当柱塞或柱塞孔，阀芯或 阀体孔带有一定锥度时，阀体孔带有一定锥度时， 两相对运动零件之间的间两相对运动零件之间的间 隙为圆锥环形间隙，间隙隙为圆锥环形间隙，间隙 大小沿轴线方向变化。大小沿轴线方向变化。 n阀芯大端为高压，液流由阀芯大端为高压，液流由 大端流向小端，称为倒锥，大端流向小端，称为倒锥， 阀芯小端为高压，液流由阀芯小端为高压，液流由 小端流向大端，称为顺锥。小端流向大端，称为顺锥。 n 阀芯存在锥度不仅影响流经间隙的流量，而且影响缝隙中的阀芯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。压力分布。 n 如果阀芯在阀体孔

17、内出现偏心，作用在阀芯一侧的压力将大如果阀芯在阀体孔内出现偏心，作用在阀芯一侧的压力将大 于另一侧的压力，使阀芯受到一个液压侧向力的作用。于另一侧的压力，使阀芯受到一个液压侧向力的作用。 华中科技大学 液压卡紧现象液压卡紧现象 倒锥的液压侧向力使偏心距加大，当液压侧向倒锥的液压侧向力使偏心距加大，当液压侧向 力足够大时，阀芯将紧贴孔的壁面，产生所谓力足够大时，阀芯将紧贴孔的壁面，产生所谓 液压卡紧现象；而顺锥的液压侧向力则力图使液压卡紧现象；而顺锥的液压侧向力则力图使 偏心距减小，不会出现液压卡紧现象。偏心距减小，不会出现液压卡紧现象。 为减少液压侧向力，一般在阀芯或柱塞的圆柱为减少液压侧向力

18、，一般在阀芯或柱塞的圆柱 面开径向均压槽，使槽内液体压力在圆周方向面开径向均压槽，使槽内液体压力在圆周方向 处处相等，槽深和宽为处处相等，槽深和宽为0.31.0mm。 华中科技大学 液压冲击液压冲击 n液压冲击液压冲击因某些原因液体压力在一瞬间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会突然升高，产生很高的压力峰值 ，这种现，这种现 象称为液压冲击。瞬间压力冲击不仅引起振象称为液压冲击。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、元动和噪声，而且会损坏密封装置、管道、元 件，造成设备事故。件，造成设备事故。 n液压冲击的类型液压冲击的类型 n管道阀门突然关闭时的

19、液压冲击管道阀门突然关闭时的液压冲击 n运动部件制动时产生的液压冲击运动部件制动时产生的液压冲击 华中科技大学 n减少液压冲击的措施：减少液压冲击的措施： n延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间。延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间。 n限制管道流速及运动部件的速度。限制管道流速及运动部件的速度。 n适当增大管径，以减小冲击波的传播速度。适当增大管径，以减小冲击波的传播速度。 n尽量缩短管道长度，减小压力波的传播时尽量缩短管道长度，减小压力波的传播时 间。间。 n用橡胶软管或设置蓄能器吸收冲击的能量。用橡胶软管或设置蓄能器吸收冲击的能量。 华中科技大学 气穴现象气穴现象 气穴现象气穴现象液压系统中，某点压力低于液压油液所液压系统中，某点压力低于液压油液所 在温度下的空气分离压时，原先溶于液体中的空气会分离在温度下的空气分离压时，原先溶于液体中的空气会分离 出来，使液体产生大量的气泡，这种现象称为气穴现象。出来，使液体产生大量的气泡，这种现象称为气穴现象。 当压力进一步减小低于液体的饱和蒸汽压