流体力学基础学

1、流体力学基础流体力学基础液压流体力学基础液压流体力学基础 力是物体运动的根本原因力是物体运动的根本原因 所谓力学就是研究物体机械运动的科学所谓力学就是研究物体机械运动的科学 由于研究对象的不同，力学有许多分支；由于研究对象的不同，力学有许多分支；流体力学是以流体为对象，主要研究流体与流体和流体与固体之间流体力学是以流体为对象，主要研究流体与流体和流体与固体之间的作用力与反作用力，也就是研究流体机械的运动规律，并把这的作用力与反作用力，也就是研究流体机械的运动规律，并把这些规律应用到有关的工程技术部门中去。些规律应用到有关的工程技术部门中去。 液压流体力学是研究流体整体机械运动的普遍规律，以液压

2、流体力学是研究流体整体机械运动的普遍规律，以及应用这些规律进行液压技术工程计算的科学及应用这些规律进行液压技术工程计算的科学 液压传动是以油液为工作介质，通过油液进行能量转换液压传动是以油液为工作介质，通过油液进行能量转换和传递的传动方式。和传递的传动方式。 液压流体力学是液压、气动系统、元件工作过程及流体动液压流体力学是液压、气动系统、元件工作过程及流体动力计算的理论基础，是正确分析利用这些系统和元件的理论依据力计算的理论基础，是正确分析利用这些系统和元件的理论依据液压流体力学基础液压流体力学基础n液压油液压油n液体静力学基础液体静力学基础n流动动力学流动动力学n管道流动（液体流动时的压力损

3、失）管道流动（液体流动时的压力损失）n孔口流动（流量调节）孔口流动（流量调节）n缝隙流动（泄漏）缝隙流动（泄漏）n液压冲击及孔穴现象液压冲击及孔穴现象 液压传动是以液体作为工作介质进行能量传递的，因液压传动是以液体作为工作介质进行能量传递的，因此了解液体的物理性质，掌握液体在静止和运动过程中的基此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是非常必要的。和使用液压系统都是非常必要的。第一节、液压油液压油第一节、液压油液压油液压液压 系统系统 失效失效 70 and 90

4、% 液压系统失效是由液压系统失效是由差的油液环境造成的差的油液环境造成的液压元件要达到理想性液压元件要达到理想性能和使用寿命，很大程能和使用寿命，很大程度取决于使用的油液，度取决于使用的油液，第一节、液压油第一节、液压油物理性质物理性质分类分类污染与控制污染与控制选用选用密度密度可压缩性可压缩性粘度粘度一、液压油的主要物理性质一、液压油的主要物理性质连续介质假设连续介质假设由于流体力学研究流体宏观表象的运动，并不顾由于流体力学研究流体宏观表象的运动，并不顾及它的内部微观结构，因此我们以宏观的质点作及它的内部微观结构，因此我们以宏观的质点作为介质的基本单位为介质的基本单位一个质点可以包含一群分子

5、，质点的运动参数即一个质点可以包含一群分子，质点的运动参数即为该群分子运动参数的统计平均值，并且认为介为该群分子运动参数的统计平均值，并且认为介质质点与质点间没有间断的间隙，而是连绵不断质质点与质点间没有间断的间隙，而是连绵不断组成的，即把流体看成具有延续性的连续介质组成的，即把流体看成具有延续性的连续介质这样，在流体中的运动参数将是空间点坐标和时间这样，在流体中的运动参数将是空间点坐标和时间的连续函数，可以采用数学工具来处理解决问题的连续函数，可以采用数学工具来处理解决问题（一）、流体的密度（一）、流体的密度严格的定义严格的定义：流体质量在空间点上的密集程度：流体质量在空间点上的密集程度定义

6、定义单位单位， 物理上指体积趋向于空间中的一个点物理上指体积趋向于空间中的一个点一般定义一般定义: :密度是指单位体积内液体所具有的质量密度是指单位体积内液体所具有的质量Vm对于均质流体对于均质流体密度是空间点密度是空间点坐标坐标和时间的函数和时间的函数 密度与流体温度、压力有关，随压力的升高而增大，随密度与流体温度、压力有关，随压力的升高而增大，随着温度的升高而减小。即密度还是温度、压力的函数，这个着温度的升高而减小。即密度还是温度、压力的函数，这个函数称为为流体的状态方程函数称为为流体的状态方程但在通常的使用压力和温度但在通常的使用压力和温度范围内对密度的影响都极小，范围内对密度的影响都极

7、小，一般情况下可视液压油的密一般情况下可视液压油的密度为常数，其密度值为度为常数，其密度值为900 900 kg/m3kg/m3。 体积弹性（弹性模量）系数体积弹性（弹性模量）系数液体受压力作用，体积会减小的性质称为液体的可压缩性液体受压力作用，体积会减小的性质称为液体的可压缩性工程上常用用体积压缩系数的倒数来表工程上常用用体积压缩系数的倒数来表示压缩性，即体积弹性系数示压缩性，即体积弹性系数体积弹体积弹性系数性系数单位：单位：MPaMPa物理物理意义意义当温度不变时，产生一个单位当温度不变时，产生一个单位体积的相对变化量所需要的压体积的相对变化量所需要的压力变化量力变化量,k,k越大，表示流

8、体越越大，表示流体越不容易被压缩不容易被压缩注意注意三个三个问题问题含气量对压缩性的影响含气量对压缩性的影响等效体积弹性系数计算等效体积弹性系数计算液压弹簧的概念、刚度系数的计算、影响液压弹簧的概念、刚度系数的计算、影响（二）、流体的可压缩性（二）、流体的可压缩性体积弹性（弹性模量）系数体积弹性（弹性模量）系数封闭在容器内的液体在外力作封闭在容器内的液体在外力作用下的情况极像一根弹簧用下的情况极像一根弹簧外力增大，体积减小；外力增大，体积减小；外力减小，体积增大。外力减小，体积增大。在液体承压面积在液体承压面积A不变时不变时,可以通过压可以通过压力变化力变化 体积变化体积变化 （ 为液柱长度变

9、化值）和体积模量为液柱长度变化值）和体积模量求出它的液压弹簧刚度，即：求出它的液压弹簧刚度，即：VA llpFA/2hFA KklV 含气量对压缩性的影响含气量对压缩性的影响液压油液的可压缩性对液压传动系统的动态性能影响较大，液压油液的可压缩性对液压传动系统的动态性能影响较大，但当液压传动系统在静态（稳态）下工作时，一般可以不但当液压传动系统在静态（稳态）下工作时，一般可以不予考虑。予考虑。在液压传动技术中，在液压传动技术中，液压油液最重要的液压油液最重要的特性是它的可压缩特性是它的可压缩性和粘性。性和粘性。（三）、粘性（三）、粘性dyduAF1 粘性的概念粘性的概念液体流动时分子间产液体流动

10、时分子间产生内摩擦力的性质生内摩擦力的性质2 牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律3 粘性的物理实质粘性的物理实质 速度梯度：在垂直速度速度梯度：在垂直速度方向上的速度变化率方向上的速度变化率流体抵抗剪切变形的能力流体抵抗剪切变形的能力dydu注意：流体只有在流动时才呈现粘性，静止时不呈现粘性注意：流体只有在流动时才呈现粘性，静止时不呈现粘性粘性的度量粘性的度量-粘度粘度4粘性的度量粘性的度量-粘度粘度液体粘性的大小；流体抵抗剪切变形的能力的度液体粘性的大小；流体抵抗剪切变形的能力的度量，粘性大，这种能力强量，粘性大，这种能力强粘度粘度概念概念表表示示方方法法动力粘度动力粘度运动粘度运动粘度相对粘度相

11、对粘度液体在单位速度梯度下流动时接触层间液体在单位速度梯度下流动时接触层间的单位面积上的内摩擦力，表征液体粘的单位面积上的内摩擦力，表征液体粘性的内摩擦系数，直接表示粘性的大小。性的内摩擦系数，直接表示粘性的大小。单位为帕单位为帕秒（秒（Pas）动力粘度与该液体密度的比值，运动粘动力粘度与该液体密度的比值，运动粘度的单位为度的单位为m2/s没有物理意义没有物理意义我国液压油的牌号采用运动粘度：我国液压油的牌号采用运动粘度： N32号液压油，号液压油，就是指此种油在就是指此种油在40时运动粘度的平均值为时运动粘度的平均值为32厘斯厘斯恩氏粘度恩氏粘度1Pas = 10P（泊）（泊）= 1000

12、cP（厘泊）（厘泊） 1P（泊）（泊）= 100 cP（厘泊）（厘泊）1 m2 /s=104 St（斯）（斯）=106 cSt（厘斯）（厘斯） 粘性的度量粘性的度量-粘度粘度n即将即将200 ml被测液体装入恩氏粘度计中，在某一温度下，测被测液体装入恩氏粘度计中，在某一温度下，测出液体经容器底部直径小孔流尽所需的时间出液体经容器底部直径小孔流尽所需的时间t1，与同体积的蒸，与同体积的蒸馏水在馏水在20时流过同一小孔所需的时间时流过同一小孔所需的时间t2（通常（通常t2=52s）的）的比值比值210ttEtn恩氏粘度与运动粘度之间的换算关系式为：恩氏粘度与运动粘度之间的换算关系式为： EE31.

13、631.7)102(100)(2121EEcEbEaE5调合油的粘度调合油的粘度把两种不同粘度的液压油按适当的比例混合起把两种不同粘度的液压油按适当的比例混合起来使用，这就是调合油来使用，这就是调合油。n式中式中 E1、E2 混合前两种油液混合前两种油液的粘度，取的粘度，取E1E2；n E 混合后的调合油粘度；混合后的调合油粘度；na、b参与调合的两种油液所占参与调合的两种油液所占的百分数的百分数（a+ b=100）；nc实验系数，实验系数，粘性的度量粘性的度量-粘度粘度粘度和压力、温度的关系粘度和压力、温度的关系n6粘温特性粘温特性n7粘压特性粘压特性液体的粘度随温度变化的性质液体的粘度随温

14、度变化的性质液体的粘度随压力变化的性质液体的粘度随压力变化的性质粘度随着温度升高而显著下降，温度升高粘度减小，粘度随着温度升高而显著下降，温度升高粘度减小，粘度随温度变化越小，其粘温特性越好，该油适宜温粘度随温度变化越小，其粘温特性越好，该油适宜温度范围就越广度范围就越广。粘度随压力升高而变大粘度随压力升高而变大液体压力增大时，粘度增大液体压力增大时，粘度增大流体的粘性流体的粘性给液压系统给液压系统带来的影响带来的影响粘性摩擦粘性摩擦-在管道中造成压力损失（能量损在管道中造成压力损失（能量损 失），在液压阀中增加阀芯运动阻力；失），在液压阀中增加阀芯运动阻力；粘度低时增大泄漏，产生流量损失。粘

15、度低时增大泄漏，产生流量损失。二、对液压油的要求二、对液压油的要求n液压油不仅起动力传递作用，也起润滑、冷却液压油不仅起动力传递作用，也起润滑、冷却作用，同时还起抑制腐蚀和锈蚀作用作用，同时还起抑制腐蚀和锈蚀作用n如果液压泵是整个液压系统的心脏的话，那么如果液压泵是整个液压系统的心脏的话，那么液压油就是整个液压系统的血液液压油就是整个液压系统的血液n它不仅影响液压系统的工作性能和液压元件它不仅影响液压系统的工作性能和液压元件的使用寿命的使用寿命n而且直接关系到液压系统能否正常工作而且直接关系到液压系统能否正常工作对液压油的要求对液压油的要求n(1)(1)粘度适当粘度适当n当船舶航区经常变化且跨

16、越纬度较大时，应选用粘当船舶航区经常变化且跨越纬度较大时，应选用粘温特性良好的液压油温特性良好的液压油n选用运动粘度选用运动粘度202030mm30mm2 2s(50s(50时时) )、粘度指数在、粘度指数在9090以上的液压油以上的液压油n(2)(2)防锈性好防锈性好n因液压管不常拆装，液压元件长期封闭于油路之中因液压管不常拆装，液压元件长期封闭于油路之中n若用防锈性差的液压油，易使元件锈蚀，影响系统若用防锈性差的液压油，易使元件锈蚀，影响系统工作寿命工作寿命 n(3)(3)抗氧化性好抗氧化性好n长时间工作时，液压油会因温度升高而容易氧化变长时间工作时，液压油会因温度升高而容易氧化变质，并会

17、产生胶泥和沉淀渣滓质，并会产生胶泥和沉淀渣滓 对液压油的要求对液压油的要求n(4)(4)抗乳化性好抗乳化性好n要求油中安定性差的物质含量少要求油中安定性差的物质含量少n以减少与混入油中水分形成有机酸和皂类，降低液压油的润以减少与混入油中水分形成有机酸和皂类，降低液压油的润滑性滑性n(5)(5)抗泡沫性好抗泡沫性好n如接触气体产生的泡沫不易消散，气体就难于分离而放出如接触气体产生的泡沫不易消散，气体就难于分离而放出n会使液压机械产生爬行、颤动和发出噪声会使液压机械产生爬行、颤动和发出噪声n(6)(6)凝固点低凝固点低n在低温海区时，要求其凝固点要比气温低在低温海区时，要求其凝固点要比气温低101

18、01515n (7) (7)闪点高闪点高n船舶的防火要求很高船舶的防火要求很高n其闪点至少要高于其闪点至少要高于135135对液压油的要求对液压油的要求 (8)水解稳定性好水解稳定性好n液压油遇水后分解变质的程度称为水解稳定性液压油遇水后分解变质的程度称为水解稳定性n水在液压油中水在液压油中n大部分沉积在油箱或贮油部件的底部大部分沉积在油箱或贮油部件的底部n有一部分会随油一起循环，加速系统的腐蚀有一部分会随油一起循环，加速系统的腐蚀n当处于低温状态时，水会从油中析出，凝结成坚硬当处于低温状态时，水会从油中析出，凝结成坚硬的细小冰粒，划伤机件的工作表的细小冰粒，划伤机件的工作表对液压油的要求对液

19、压油的要求n(9)相容性好相容性好n液压油在系统中与各种材料产生化学反应的能力称液压油在系统中与各种材料产生化学反应的能力称之之n液压油会与颜料、油漆、电器绝缘物质、密封件、液压油会与颜料、油漆、电器绝缘物质、密封件、软管以及蓄能器膜片等接触软管以及蓄能器膜片等接触n所以要求液压油在与上述物质的接触过程中应不所以要求液压油在与上述物质的接触过程中应不产生化学反应或反应很轻产生化学反应或反应很轻三、液压油的分类三、液压油的分类nISOISO分为易燃型和难燃型分为易燃型和难燃型n矿物油（石油）型矿物油（石油）型n乳化型乳化型n合成型合成型类类 别别组组 成成代代 号号特性和用途特性和用途矿物型液压

20、油无添加剂的石油基液压油LHH稳定性差，易起泡，主要用于润滑HH+抗氧化剂、防锈剂LHL有抗氧化和防锈能力，常用于中低压液压系统HL+抗磨剂LHM改善抗磨性能，适用于工程机械、车辆液压系统HL+增粘剂LHR改善温粘特性，适用于环境温度变化较大的低压系统和轻负载机械的润滑部位HM+增粘剂LHV改善温粘特性，可用于环境温度在 -（4020）的高压系统。低温粘度小，高温下能保持一定粘度，故适用范围宽M+防爬剂LHG改善粘滑性能，适用液压及导轨润滑为同一油路系统的精密机床抗燃液压液含水液压液高含水液压液LHFA难燃、温粘特性好，有防锈能力，润滑性差，易泄漏。适用于抗燃、用油量大且泄漏严重的系统油包水乳

21、化液LHFB有抗磨、防锈性能和抗燃性，用于有抗燃要求的中压系统水-乙二醇LHFC有温粘特性、难燃和抗蚀性好，能在-2050温度下使用，用于有抗燃要求的中低压系统合成液压液磷酸酯氯化烃HFDR+HFDS其他合成液压液LHFDRLHFDSLHFDTLHFDU难燃、润滑性好，抗磨性能和抗氧化性能良好，能在较广温度范围内使用。用于有抗燃要求的高压精密液压系统液压油的分类液压油的分类液压油的牌号液压油的牌号n类类品种品种 数字数字 L Hv 22 其中：其中：L-类别类别(润滑剂及有关品润滑剂及有关品,GB7631.1) HV-品种品种(低温抗磨低温抗磨) 22-牌号牌号(粘度级粘度级,GB3141)

22、液压油的粘度牌号由液压油的粘度牌号由GB 3141做出了规定做出了规定,等效采用等效采用ISO的粘度分类法的粘度分类法,以以40C运动粘度的中心值来划分牌号运动粘度的中心值来划分牌号 四、液压油液的选用四、液压油液的选用 液压油对液压系统的运动平稳性、工作可靠性、灵液压油对液压系统的运动平稳性、工作可靠性、灵敏性、系统效率、功率损耗、气蚀和磨损等都有显著敏性、系统效率、功率损耗、气蚀和磨损等都有显著影响，所以选用液压油时，选择合适的粘度和适当的影响，所以选用液压油时，选择合适的粘度和适当的油液品种油液品种n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其次是工作压力、运动速度、泵的类

23、型其次是工作压力、运动速度、泵的类型n液压系统的环境温度。液压系统的环境温度。 矿物油的粘度受温度影响很大，为保证在工作温矿物油的粘度受温度影响很大，为保证在工作温度下有较适宜的粘度，还必须考虑环境温度的影响。度下有较适宜的粘度，还必须考虑环境温度的影响。当温度高时，宜采用粘度较高的油液；环境温度低时，当温度高时，宜采用粘度较高的油液；环境温度低时，宜采用粘度较低的油液。宜采用粘度较低的油液。环境温度环境温度 高用粘度较大的液压油液。高用粘度较大的液压油液。 10#、15#军用军用 22#、32#北方民用北方民用 46#南方民用。南方民用。n液压系统的工作压力液压系统的工作压力 n通常工作压力

24、较高时，宜选用粘度较高的油，以免系统泄漏通常工作压力较高时，宜选用粘度较高的油，以免系统泄漏过多，效率过低；工作压力较低时，宜用粘度较低的油，这过多，效率过低；工作压力较低时，宜用粘度较低的油，这样可以减少压力损失。样可以减少压力损失。n运动速度运动速度 速度高，选用粘度较低的液压油液。速度高，选用粘度较低的液压油液。 当液压系统工作部件的运动速度很高时，油当液压系统工作部件的运动速度很高时，油 液的流液的流速也高，液压损失随着增大，而泄漏相对减少，因此宜用粘速也高，液压损失随着增大，而泄漏相对减少，因此宜用粘度较低的油液；反之，当工作部件运动速度较低时，每分钟度较低的油液；反之，当工作部件运

25、动速度较低时，每分钟所需的油量很小，这时泄漏相对较大，对系统的运动速度影所需的油量很小，这时泄漏相对较大，对系统的运动速度影响也较大，所以宜选用粘度较高的油液。响也较大，所以宜选用粘度较高的油液。液压油液的选用液压油液的选用液压油液的选用液压油液的选用n品种选择：品种选择：n粘度选择粘度选择n高压、高温、低速情况下，应选用粘度较大的液压高压、高温、低速情况下，应选用粘度较大的液压油，主要考虑泄漏的影响；油，主要考虑泄漏的影响；n低压、低温、高速情况下，应选用较低粘度的液压低压、低温、高速情况下，应选用较低粘度的液压油，主要考虑内摩擦阻力的影响。油，主要考虑内摩擦阻力的影响。流体力学基础流体力学

26、基础液压流体力学液压流体力学n液压流体力学是研究液体平衡和运动的力学规律的一门液压流体力学是研究液体平衡和运动的力学规律的一门学科。学科。n液体静力学液体静力学 研究液体在静止状态下的力学规律及其研究液体在静止状态下的力学规律及其应用应用n液体动力学液体动力学 研究液体流动时流速和压力的变化规律研究液体流动时流速和压力的变化规律n管道中液流的特性管道中液流的特性 用于计算液体在管路中流动时的用于计算液体在管路中流动时的压力损失压力损失n孔口及缝隙的压力流量特性孔口及缝隙的压力流量特性 是分析节流调速回路性是分析节流调速回路性能和计算元件泄漏量的理论依据能和计算元件泄漏量的理论依据n液压冲击和气

27、穴现象液压冲击和气穴现象液体静力学基础液体静力学基础n液体静力学主要研究静止液体所具有的力学规律。所液体静力学主要研究静止液体所具有的力学规律。所谓静止液体是指液体内部质点与质点之间没有相对运谓静止液体是指液体内部质点与质点之间没有相对运动，而液体整体则完全可以随同容器一起作各种匀速动，而液体整体则完全可以随同容器一起作各种匀速运动。运动。液体静力学基础液体静力学基础n静压力及其特性静压力及其特性n静压力基本方程式静压力基本方程式n帕斯卡原理帕斯卡原理n静压力对固体壁面的作用力静压力对固体壁面的作用力一、静压力及其特性一、静压力及其特性n作用在液体上的力有两种，即质量力和表面力。作用在液体上的

28、力有两种，即质量力和表面力。 n质量力：单位质量液体受到的质量力称为单位质量力，在数质量力：单位质量液体受到的质量力称为单位质量力，在数值上等于加速度。值上等于加速度。 n表面力：是与液体相接触的其它物体（如容器或其它液体）作用表面力：是与液体相接触的其它物体（如容器或其它液体）作用在液体上的力，这是外力；在液体上的力，这是外力；n也可以是一部分液体作用在另一部分液体上的力，这是内力。也可以是一部分液体作用在另一部分液体上的力，这是内力。n单位面积上作用的表面力称为应力，它有法向应力和切向应力之单位面积上作用的表面力称为应力，它有法向应力和切向应力之分。分。n当液体静止时，液体质点间没有相对运

29、动，不存在摩擦力，所以当液体静止时，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。静止液体的表面力只有法向力。n液体内某点处单位面积液体内某点处单位面积A A上所受到的法向力上所受到的法向力F F之比，称为压力之比，称为压力p p（静压力），（静压力）， 一、静压力及其特性一、静压力及其特性n液体的静压力液体的静压力n定义：定义：静止液体在单位面积上所受的法向力称为静压静止液体在单位面积上所受的法向力称为静压力。力。p p=lim=limFF/ /A A （AA00）n若在液体的面积若在液体的面积A A上所受的作用力上所受的作用力F F为均匀分布时，静压为均匀分布时，静

30、压力可表示为力可表示为 p p = = F F / / A A n注意：注意：液体静压力在物理学上称为压强，工程实际应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。用中习惯称为压力。n液体静压力的特性液体静压力的特性n 液体静压力垂直于承压面，方向为该面内法线方向。液体静压力垂直于承压面，方向为该面内法线方向。n液体内任一点所受的静压力在各个方向上都相等。液体内任一点所受的静压力在各个方向上都相等。液体只能受压不能受拉液体只能受压不能受拉二、静止液体基本方程二、静止液体基本方程1 1 方程推导方程推导 取研究对象：微小圆柱体取研究对象：微小圆柱体受力分析受力分析n静压力基本方程式静

31、压力基本方程式 p p= =p p0 0+ +ghgh 2 2方程分析方程分析 （1 1）压力由两部分组成：液面压力）压力由两部分组成：液面压力p p0 0，自重形成的压力，自重形成的压力ghgh。（2 2）压力分布规律：）压力分布规律：p p 是是h h的函数，也是的函数，也是的函数。即液的函数。即液体内的压力与液体深度成正比。体内的压力与液体深度成正比。（3 3）等压面概念：离液面深度相同处各点的压力相等，）等压面概念：离液面深度相同处各点的压力相等，压力相等的所有点组成等压面，重力作用下静止液体的等压力相等的所有点组成等压面，重力作用下静止液体的等压面为水平面。压面为水平面。二、静止液体

32、基本方程二、静止液体基本方程静止液体中单位质量液体的的总能静止液体中单位质量液体的的总能量由位置势能和压力势能组成，量由位置势能和压力势能组成， 压力能和位能可以互相转换，但压力能和位能可以互相转换，但各点的总能量却保持不变，即能各点的总能量却保持不变，即能量守衡。量守衡。 方程的物方程的物理意义理意义 注：常用液压装置中，一般外加压力注：常用液压装置中，一般外加压力远大于液体自重形成的压力，认远大于液体自重形成的压力，认为静止液体内部的压力近似相等为静止液体内部的压力近似相等 例题例题已知：油密度已知：油密度900kg/m3，活塞作用面积，活塞作用面积10-3m2，作用力作用力F=1000N

33、，h=0.5m求：压力求：压力外部作用力外部作用力p0=aAFP106自重自重=gh=4.4*103Pa106Pa三、压力表示方法三、压力表示方法绝对压力绝对压力 以绝对真空为基以绝对真空为基准进行度量准进行度量 相对压力或表压力相对压力或表压力 以大气以大气压为基准进压为基准进 行度量行度量 真空度真空度 绝对压力不足于大绝对压力不足于大气压力的那部分压力值气压力的那部分压力值计算基准计算基准压力单位压力单位单位单位 帕帕 Pa ( N / m2)绝对压力相对压力大气压力绝对压力相对压力大气压力 真空度大气压绝对压力真空度大气压绝对压力 1MPa = 106 Pa 1bar(巴) = 105

34、 Pa表压力绝对压力表压力绝对压力-大气压力大气压力 绝对真绝对真空空P=0绝绝对对压压力力相对压力相对压力表压力表压力真空度真空度P=pa绝对压力绝对压力 四、帕斯卡原理四、帕斯卡原理 图示是应用帕斯卡原理的实例图示是应用帕斯卡原理的实例 作用在大活塞上的负载作用在大活塞上的负载F1形成液体压力形成液体压力 n p= F1 1/ /A1 1 为防止大活塞下降，在小活塞上应施加的为防止大活塞下降，在小活塞上应施加的力力n F2 2= pA2 2= F1 1A2 2/A1 1 由此可得由此可得n液压传动可使力放大，可使力缩小，也液压传动可使力放大，可使力缩小，也可以改变力的方向。可以改变力的方向

35、。n液体内的压力是由负载决定的。液体内的压力是由负载决定的。 在密闭容器内，施加于静止液体的压在密闭容器内，施加于静止液体的压力可以等值地传递到液体各点，这就是帕力可以等值地传递到液体各点，这就是帕斯卡原理。也称为静压传递原理。斯卡原理。也称为静压传递原理。根据静压力基本方程根据静压力基本方程(p=p0+g h),盛放在密闭容器内盛放在密闭容器内的液体，其外加压力的液体，其外加压力p0发生变化时，只要液体仍保持其发生变化时，只要液体仍保持其原来的静止状态不变，液体中任一点的压力均将发生同原来的静止状态不变，液体中任一点的压力均将发生同样大小的变化。样大小的变化。六、压力对固体壁面的作用力六、压

36、力对固体壁面的作用力液体和固体壁面接触时，固体壁面将受到液体静压力的作用液体和固体壁面接触时，固体壁面将受到液体静压力的作用液体对固体壁面产生作用力。根据压力性质，这个作用力总是液体对固体壁面产生作用力。根据压力性质，这个作用力总是指向壁面的，通常称作液压作用力指向壁面的，通常称作液压作用力液压作用力大小、方向、作用点都与受压面的液压作用力大小、方向、作用点都与受压面的形状及受压面上液体压力分布有关形状及受压面上液体压力分布有关压力作用压力作用在平面上在平面上FApAp2211活塞受力平衡方程活塞受力平衡方程液体压力在该平面的总作用力液体压力在该平面的总作用力 F = p A ，方向垂直于该平

37、面，方向垂直于该平面p1A1A2p2F六、压力对固体壁面的作用力六、压力对固体壁面的作用力压力作用压力作用在曲面上在曲面上对曲面来说，不同点上压力方向不同，通常采用对曲面来说，不同点上压力方向不同，通常采用积分形式求解：积分形式求解：结论：液体压力在曲面某方向上的总作用力结论：液体压力在曲面某方向上的总作用力 F = p 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。ndFx=dFcos=pdAcos=plrcosd 22222cosxxxpAplrdplrdFF22222cosxxxpAplrdplrdFF流动液体力学流动液体力学液体动力学液体动力学 主要是研究液体流动

38、时流速和压力的变化规律。主要是研究液体流动时流速和压力的变化规律。流动液体的连续性方程、伯努利方程、动量方程是描流动液体的连续性方程、伯努利方程、动量方程是描述流动液体力学规律的三个基本方程式。前两个方程述流动液体力学规律的三个基本方程式。前两个方程反映了液体的压力、流速与流量之间的关系，动量方反映了液体的压力、流速与流量之间的关系，动量方程用来解决流动液体与固体壁面间的作用力问题。程用来解决流动液体与固体壁面间的作用力问题。n基本概念基本概念n流量连续性方程流量连续性方程n伯努利方程伯努利方程n动量方程动量方程一、液体动力学基本概念一、液体动力学基本概念 假设的既无粘性又不可压缩的流体称为理

39、想流体。假设的既无粘性又不可压缩的流体称为理想流体。理想液体理想液体实际液体实际液体液体具有粘性，并在流动时表现出来，因此研究流动液体时就要考虑其粘液体具有粘性，并在流动时表现出来，因此研究流动液体时就要考虑其粘性，而液体的粘性阻力是一个很复杂的问题，这就使我们对流动液体的研性，而液体的粘性阻力是一个很复杂的问题，这就使我们对流动液体的研究变得复杂。究变得复杂。因此，我们引入理想液体的概念，理想液体就是指没有粘性、不可压缩的因此，我们引入理想液体的概念，理想液体就是指没有粘性、不可压缩的液体。首先对理想液体进行研究，然后再通过实验验证的方法对所得的结液体。首先对理想液体进行研究，然后再通过实验

40、验证的方法对所得的结论进行补充和修正。这样，不仅使问题简单化，而且得到的结论在实际应论进行补充和修正。这样，不仅使问题简单化，而且得到的结论在实际应用中扔具有足够的精确性。用中扔具有足够的精确性。 既具有粘性又可压缩的液体称为实际液体。既具有粘性又可压缩的液体称为实际液体。一、液体动力学基本概念一、液体动力学基本概念液体流动时，液体中任一点处的压力、速度和密度都不随时液体流动时，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，亦称为定常流动或非时变流动。间而变化的流动，亦称为定常流动或非时变流动。恒定流动恒定流动一维流动一维流动当液体整个做线形流动时，称为一维流动，当作当液体整个做线形

41、流动时，称为一维流动，当作平面或空间流动时为二维、三维流动平面或空间流动时为二维、三维流动非非恒定流动恒定流动当液体流动时，可以将流动液体中空间任一点上质点的运动参数，液体流动时，可以将流动液体中空间任一点上质点的运动参数，例如压力例如压力p p、流速、流速v v及密度及密度g g表示为空间坐标和时间的函数，例如：表示为空间坐标和时间的函数，例如： 压力压力p=pp=p（x x，y y，z z，t)t) 速度速度v=vv=v（x x，y y，z z，t)t) 密度密度= （x x，y y，z z，t t） , 0tp0tv0t , 一、液体动力学基本概念一、液体动力学基本概念流线流线液流中一条

42、条标志其质点运动状态的曲线，某一瞬时在流线液流中一条条标志其质点运动状态的曲线，某一瞬时在流线上各点处的瞬时液流方向与该点的切线方向重合。上各点处的瞬时液流方向与该点的切线方向重合。流束流束对于恒定流动，流线形状不随时间变化。对于恒定流动，流线形状不随时间变化。液体中每一点只能有一个速度，流线不能相交，也不能转折，它是液体中每一点只能有一个速度，流线不能相交，也不能转折，它是一条条光滑的曲线。一条条光滑的曲线。如果通过某截面如果通过某截面A上所有各点画出流线，这些流线的集合构成流束。上所有各点画出流线，这些流线的集合构成流束。流束的表面称为流管流束的表面称为流管一、液体动力学基本概念一、液体动

43、力学基本概念n平行流动：流线彼此平行的流动。平行流动：流线彼此平行的流动。n缓变流动：流线夹角很小或流线曲率半径很大的流缓变流动：流线夹角很小或流线曲率半径很大的流动。动。 n 平行流动和缓变流动都可算是一维流动。平行流动和缓变流动都可算是一维流动。n迹线：迹线： 流动液体的某一质点在某一时间间隔内在空间流动液体的某一质点在某一时间间隔内在空间的运动轨迹。的运动轨迹。n在非定常流动时，因为各质点的速度可能随时间改变，在非定常流动时，因为各质点的速度可能随时间改变，所以流线形状也随时间改变。所以流线形状也随时间改变。在定常流动时，因流线在定常流动时，因流线形状不随时间而改变，所以流线与迹线重合形

44、状不随时间而改变，所以流线与迹线重合 一、液体动力学基本概念一、液体动力学基本概念通流截面通流截面流束中与所有流线正交的截面。可以是平面也可以是曲面流束中与所有流线正交的截面。可以是平面也可以是曲面 流线、流束、流管和同流线、流束、流管和同流截面是对液流的几何描述流截面是对液流的几何描述流量流量 单位时间内流过某一通流截面的液体体积，流量单位时间内流过某一通流截面的液体体积，流量以以q表示，单位为表示，单位为 m3 / s 或或 L/min。 实际液体具有粘性，因此液体在管道中流动时，在通流截实际液体具有粘性，因此液体在管道中流动时，在通流截面上各点的流速是不相等的，管壁处为面上各点的流速是不

45、相等的，管壁处为0 ，管道中心最大，管道中心最大流量与平均流速流量与平均流速在通流截面上在通流截面上A上取微小流束的截面上取微小流束的截面dA，则通过，则通过dA的流量的流量udAdq 对上式进行积分可以得到通过整个通流截面的流量对上式进行积分可以得到通过整个通流截面的流量AudAq要求得流量，就要知道流速在通流截面上要求得流量，就要知道流速在通流截面上的分布规律。实际上这是比较困难的，由的分布规律。实际上这是比较困难的，由于粘性液体流速在管道中分布很复杂于粘性液体流速在管道中分布很复杂 为方便起见，在液压传动中常采用一个假象的平均流速为方便起见，在液压传动中常采用一个假象的平均流速v来计来计

46、算流量，并认为液体以平均算流量，并认为液体以平均v流速流过通流截面的流量等于以实际速流速流过通流截面的流量等于以实际速度流过的流量度流过的流量vAudAqAAqv 二、连续性方程二、连续性方程-质量守恒定律质量守恒定律流量连续方程是流体流量连续方程是流体运动学方程，其实质运动学方程，其实质是质量守恒定律在流是质量守恒定律在流体力学的表现形式体力学的表现形式 在恒定流场中任取一流管，其两端通流在恒定流场中任取一流管，其两端通流截面面积分别为截面面积分别为A1、A2，在流管仲任取一微，在流管仲任取一微小流束，并设微小流束两端的通流截面积分小流束，并设微小流束两端的通流截面积分别为别为dA1、dA2

47、 ,液体流经这两截面的速度与液体流经这两截面的速度与密度分别为密度分别为u1、u2，1、2 根据质量守恒定律，单位时间内经界面根据质量守恒定律，单位时间内经界面dA1流进微小流束的液体质量应与经截面流进微小流束的液体质量应与经截面dA2 流流出的液体质量相等出的液体质量相等222111dAudAu忽略液体的可压缩性忽略液体的可压缩性2211dAudAu21 在液压传动中，只研究流体作一维恒定流动时的流量连续性方程在液压传动中，只研究流体作一维恒定流动时的流量连续性方程二、连续性方程二、连续性方程-质量守恒定律质量守恒定律2211dAudAu对上式进行积分对上式进行积分212211AAdAudA

48、u21qq 得出通过两截面，流进、得出通过两截面，流进、流出流管的流量相等流出流管的流量相等221121vAvAqq流量连续流量连续方程方程对于不可压缩液体在恒定流动中，通过流管各截面的流对于不可压缩液体在恒定流动中，通过流管各截面的流量是相等的，即，液体以同一个流量在流管中连续流动量是相等的，即，液体以同一个流量在流管中连续流动流速与截面面积成反比：同流截面大，速度小流速与截面面积成反比：同流截面大，速度小连续性方程连续性方程在液压传动中的应用在液压传动中的应用速度传递特性速度传递特性执行元件的运动速执行元件的运动速度取决于流入或流度取决于流入或流出的流量出的流量液压泵液压泵液压缸液压缸qA

49、1v1液压泵液压泵液压缸液压缸qA1v1q1q2液压泵输出流量，必然引起液压缸产生速度液压泵输出流量，必然引起液压缸产生速度v111Aqv 如果在泵与缸之间，分一如果在泵与缸之间，分一支流量，则连续方程支流量，则连续方程211qAvq121Aqqv调速规律调速规律改变流入或流出执行元件的流改变流入或流出执行元件的流量，即可调节速度量，即可调节速度连续性方程连续性方程在液压传动中的应用在液压传动中的应用n流入流出液压缸的流量不连流入流出液压缸的流量不连续：活塞将左右两腔隔开续：活塞将左右两腔隔开液压缸液压缸q1A1v1q2A2n设液压缸速度为设液压缸速度为v1111vAq 122vAq 流入流入

50、流量流量流出流出流量流量21AA 21qq 三三 伯努利方程伯努利方程-能量守恒定律能量守恒定律理想液体做恒定流动时的理想液体做恒定流动时的能量守恒方程能量守恒方程理想液体在重力场中做恒定流动时，具有三种形式的能：理想液体在重力场中做恒定流动时，具有三种形式的能：位能、压力能、位能、压力能、动能；沿流线上各点位能、压力能、动能可以相互转化，但总和为动能；沿流线上各点位能、压力能、动能可以相互转化，但总和为常数常数gugpzgugpz2222222111物理意义物理意义在同一水平在同一水平面内流动时面内流动时22222211upup液体流动时，速度越高，压力越低，压力越高，速度越低；液体流动时，

51、速度越高，压力越低，压力越高，速度越低；在水平管中，截面积小时，压力低，管径粗时压力高在水平管中，截面积小时，压力低，管径粗时压力高三三 伯努利方程伯努利方程-能量守恒定律能量守恒定律n第二项为单位重量液体的压力能称为比压能第二项为单位重量液体的压力能称为比压能（ p/g ）；）；n 第三项为单位重量液体的动能称为比动能第三项为单位重量液体的动能称为比动能（ u2/2g ）；）；n 第一项为单位重量液体的位能称为比位能（第一项为单位重量液体的位能称为比位能（z）。）。n 由于上述三种能量都具有长度单位，故又分别称由于上述三种能量都具有长度单位，故又分别称为压力水头、速度水头和位置水头。为压力水

52、头、速度水头和位置水头。n三者之间可以互相转换，但总和（三者之间可以互相转换，但总和（H，称为总水头），称为总水头）为一定值。为一定值。gugpzgugpz2222222111三三 伯努利方程伯努利方程-能量守恒定律能量守恒定律3实际伯努利方程实际伯努利方程whgugpzgugpz2222222111实际液体都具有粘性，因此液体在实际液体都具有粘性，因此液体在流动时还需克服由于粘性所引起的流动时还需克服由于粘性所引起的摩擦阻力，这必然要消耗能量，设摩擦阻力，这必然要消耗能量，设因粘性二消耗的能量为因粘性二消耗的能量为hw，则实，则实际液体微小流束的伯努利方程为际液体微小流束的伯努利方程为 将微

53、小流束扩大到总流，由于在通流截面速度将微小流束扩大到总流，由于在通流截面速度u是一个变量，若用平是一个变量，若用平均流速代替，则必然引起动能偏差，故必须引入动能修正系数。于是均流速代替，则必然引起动能偏差，故必须引入动能修正系数。于是实际液体总流的伯努利方程为实际液体总流的伯努利方程为 whgvgpzgvgpz222222221111方程讨论方程讨论u1=u2=0静止液体静止液体Z1=z2水平流动水平流动whgvgpgvgp2222222111伯努利方程应用n如图示简易热水器，左端接冷水，已知如图示简易热水器，左端接冷水，已知4A1=A2和和h，求冷水关，求冷水关管内流量达到多少，才能抽吸热水

54、管内流量达到多少，才能抽吸热水沿流动方向，取两截面沿流动方向，取两截面1-1，2-2gvgpgvgp222222211122111vAvAghppa15/321ghv 伯努利方程应用n例例2 侧壁孔口流出速度侧壁孔口流出速度n条件条件: p1和和p2 ，h为高，以小孔中心线为基准为高，以小孔中心线为基准 沿流动方向，取两截面沿流动方向，取两截面1-1，2-2gvgpzgvgpz222222221111hzppa22012121vvvAA)(2212appghvghv22伯努利方程应用n例例3 液压泵的最大吸油高度液压泵的最大吸油高度 n条件条件:h沿流动方向，取两截面沿流动方向，取两截面1-1

55、，2-2gvgpzgvgpz222222221111hzppa21012121vvvAAgvgpgph222221n液压泵流量为液压泵流量为32L/min，吸油管直径，吸油管直径d=20mm， h=500mm为高为高伯努利方程应用n例例4 液压泵的吸油口真空度液压泵的吸油口真空度 n条件条件:液压泵流量为液压泵流量为32L/min，吸油管直径，吸油管直径d=20mm， h=500mm为高，密度为为高，密度为900kg/m3，运动粘度为运动粘度为20*10-6m2/sgvgpgpha222222211vAvAgvhgpgpa2222222/ Aqv =1.7m/s真空度真空度2ppa0.7101

56、*104动量定理：作用在物体上的力的大小等于物体在力的方向上的动量的变化率，即流动液体的动量方程是研究液体运动时作用在液体上的外力与其动量的变化之间的关系。在液压传动中，在计算液流作用在固体壁面上的力时，应用动量方程去解决就比较方便 d mvdIFdtdtau1u2cbdA 1Q 1A 2Q 2dtdtV bc如右图，t时刻流管中的流体为ab，t+dt时刻为cd则t时刻流体ab的动量则t+dt时刻流体cd的为动量( )( )( )ab tac tcb tIII()()()cd ttcb ttbd ttIII四四 动量方程动量方程：22111cbudQudQdudVdtdIFdtt t+dt时刻

57、的动量变化为：()( )()( )()( )cd ttab tbd ttac tcb ttcb tdIIIIIII()()22()( )( )11( )()( )1bd ttbd ttbd ttac tac tac tcb ttcb tcbImuudVImuudVdIIudVdtdtau1u2cbdA 1Q 1A 2Q 2dtdtV bc当控制体是定常流时，此项为0，它反映了流动的非定常性（速度或流量随时间变化），此项力为瞬态力控制体流出动量和流出动量微分之差，此力为稳态力此力为流体由ab变为cd所受的外力流体动量定理四四 动量方程动量方程：对于恒定流，为实际计算方便，可沿管道避免取控制体，使

58、进出流体与端面A1或A2垂直，可用平均流速v代替断面上的不均匀分布流速u，则au1u2cbdA 1Q 1A 2Q 2dtdtV bc22112221 11udQuddIFdQa vQvQta23dAuaAAv修正系数 a=1.031.05（紊流） a=1.333 （层流）四四 动量方程动量方程：作用在锥阀上的液动力作用在锥阀上的液动力n外流式锥阀（见图）上作用的稳态轴外流式锥阀（见图）上作用的稳态轴向推力向推力 上式右端第一项为锥阀底面的液压力；上式右端第一项为锥阀底面的液压力；第二项为液流流经锥阀阀口的稳态液动力，此力的方向使阀第二项为液流流经锥阀阀口的稳态液动力，此力的方向使阀芯趋于关闭。

59、芯趋于关闭。 作用在锥阀上的液动力作用在锥阀上的液动力n内流式锥阀（见图）上作用内流式锥阀（见图）上作用的稳态轴向推力的稳态轴向推力上式右端第一项为锥阀上面的液动力；上式右端第一项为锥阀上面的液动力；第二项为液流流经锥阀阀口的稳态液动力，此力的方向使阀芯进一步开启，第二项为液流流经锥阀阀口的稳态液动力，此力的方向使阀芯进一步开启，是一个不稳定因素。是一个不稳定因素。 管道中液流特性管道中液流特性2.42.4管道中液流的特性管道中液流的特性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

60、，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。n在液压传动中压力损失分为两类：在液压传动中压力损失分为两类：沿程压力损失沿程压力损失和和局局部压力损失部压力损失 n2 2、沿程压力损失：油液沿等直径直管流动时所产生的、沿程压力损失：油液沿等直径直管流动时所产生的压力损失，这类压力损失是由液体流动时的内、外摩压力损失，这类压力损失是由液体流动时的内、外摩擦力所引起的。擦力所引起的。 n3