第一章 液压流体力学基础

1、 汽车与交通工程学院液压与气压传动液压流体力学基础液压流体力学基础1.1 液压油液1.2 液体静力学1.3 液体动力学1.4 管道流动1.7 液压冲击和气穴现象 复习题及作业学习建议学习建议：重点放在对主要概念、主要结论的理解和应用上.一种介质一种介质两项参数两项参数三个方程三个方程三种现象三种现象 汽车与交通工程学院液压与气压传动1.1 液压油液一、液压油液的性质一、液压油液的性质二、对液压油液的要求和选用二、对液压油液的要求和选用 汽车与交通工程学院液压与气压传动一、一、 液压油液的性质液压油液的性质 密度密度 一般认为液压油的密度为一般认为液压油的密度为900kg/m3 可压缩性可压缩性

2、 对于一般液压系统，可认为油液是不可压缩的对于一般液压系统，可认为油液是不可压缩的 。 粘性粘性 液体流动时分子之间产生的一种内摩擦力液体流动时分子之间产生的一种内摩擦力 ，用动力，用动力 粘度，运动粘度，相对粘度来度量。粘度，运动粘度，相对粘度来度量。VmVVpk1VVpkK1 汽车与交通工程学院液压与气压传动粘性：粘性：液体在外力作用下流动时，液体分子间的内聚力会阻碍分子间的相对运动，即分子之间产生一种内摩擦力，这一特性称为液体的粘性液体的粘性。 液层间在单位面积上的内摩擦力：液层间在单位面积上的内摩擦力：=du/dy （1-5） 牛顿的液体内摩擦定牛顿的液体内摩擦定律律 液体在静止状态下

3、不呈现粘性 汽车与交通工程学院液压与气压传动 液体粘性大小用液体粘性大小用粘度粘度表示。表示。常用的液体粘度表示方法有三种，即动力粘度动力粘度、运动粘度运动粘度和相对粘度。（1）动力粘度动力粘度（绝对（绝对） 单位为Pas（帕秒） 物理意义：当速度梯度等于1时，接触液体液层间单位面积上产生的内摩擦力。dydu/ 汽车与交通工程学院液压与气压传动（2）运动粘度运动粘度 单位为m2/s =/ （1-7） 没有明确的物理意义，但它在工程实际中经常用到经常用到。 （3）相对粘度相对粘度（条件粘度） 是按一定的测量条件制定的。我国液压油的牌号牌号就是用它在温度为40时的运动粘度（厘斯）平均值来表示的。例

4、如32号液压油，就是指这种油在40时的运动粘度平均值为32 mm2 /s。 汽车与交通工程学院液压与气压传动粘温特性 汽车与交通工程学院液压与气压传动二、对液压油液的要求和选用二、对液压油液的要求和选用 要求：要求：粘温特性好； 具有良好的润滑性； 成分要纯净，不应含有腐蚀性物质； 具有良好的化学稳定性； 抗泡沫性好，抗乳化性好； 体积膨胀系数小，比热容大，流动点和凝固点低，闪点和燃点高； 无毒性，价格便宜。 汽车与交通工程学院液压与气压传动选择液压油液的粘度选择液压油液的粘度 对液压系统所使用的液压油液来说，首先首先要考虑的是粘度要考虑的是粘度。应选择使系统能正常、高效和可靠工作的油液粘度。

5、汽车自动变速器所选用的液压油，其工作温度一般为50-80，工作压力一般为0.5-1.0MPa。且往往添加抗氧化剂、抗磨剂等。 汽车与交通工程学院液压与气压传动1.2 液体静力学液体静力学 液体静止：液体内部质点间没有相对运动液体内部质点间没有相对运动。 汽车与交通工程学院液压与气压传动主要内容一、静压力及其特性一、静压力及其特性二、静压力基本方程式二、静压力基本方程式三、帕斯卡原理三、帕斯卡原理四、静压力对固体壁面上的作用力四、静压力对固体壁面上的作用力 汽车与交通工程学院液压与气压传动定义定义：静止液体在单位面积上所受的法向力称静压力静压力。一、静压力及其特性一、静压力及其特性AFpAlim

6、=0 计算计算：若液体内部某点处微小面积A上作用有法向力F，则该点处的静压力为: 汽车与交通工程学院液压与气压传动若在液体的面积A上受均匀分布的作用力F，则静压力可表示为：AFp = 液体静压力在物理学上称为压强，在工程应用中习惯称为压力。 汽车与交通工程学院液压与气压传动重要特性重要特性：P13液体的静压力垂直于其承压面，其方向和该该面的内法线方向面的内法线方向一致；静止液体内任一点所受到的静压力在各个方向上都相等。 汽车与交通工程学院液压与气压传动图2.1 重力作用下的静止液体GFApAp+=0FG=ghA FG是液柱重力， ghpp+=0（23）液体静压力基本方程二、静压力基本方程式二、

7、静压力基本方程式 汽车与交通工程学院液压与气压传动重力作用下的静止液体其压力分布特点：静止液体内任一点的压力都由两部分组成:液面上的压力和该点以上液体自重形成的压力;静止液体内任一点的压力p随该点距离液面的深度h呈直线规律递增;距液面深度h 相同的各点组成了等压面，这个等压面是水平面。在常用液压装置中，一般外加压力远大于液体自重所形成的压力 ，因此分析计算时 可忽略不计。ghpp+=0ghgh 汽车与交通工程学院液压与气压传动压力表示方法和单位压力表示方法和单位压力表示方法绝对压力绝对压力-以绝对真空为基准 相对压力相对压力或表压表压-以大气压为基准 绝对压力大气压力+表压力表压力绝对压力-大

8、气压力真空度大气压力-绝对压力压力的标准计量单位是Pa（帕）1Pa=1N/m21MPa（兆帕）=106Pa。 汽车与交通工程学院液压与气压传动已知：、F、A,忽略活塞的质量Fg 求： h处的液体压力p。解题思路： 例：例：ghAFghpp0 在液压传动中，外加重物和液体重力引起的压力通常很小，可以忽略不计，故可近似认为整个液体内整个液体内部的压力是相等的部的压力是相等的，即液体静压力取决于外加压力。液体静压力取决于外加压力。 汽车与交通工程学院液压与气压传动 缸筒内的液体压力是由外界负载决定缸筒内的液体压力是由外界负载决定的的，这是液压传动中的一个基本概念。 应用实例：液压千斤顶 在密闭容器内

9、，施加于静止液体的压力可以等值地传递等值地传递到液体各点，这就是帕斯卡原理帕斯卡原理。也称为静压传递原理。三、三、帕斯卡原理帕斯卡原理 汽车与交通工程学院液压与气压传动三、三、帕斯卡原理帕斯卡原理作用在大活塞上的负载作用在大活塞上的负载F1形形成液体压力成液体压力 p p= = F F1/1/A A1 1 为防止大活塞下降，在小活为防止大活塞下降，在小活塞上应施加的力塞上应施加的力 F F2= 2= pApA2= 2= F F1 1A A2/2/A A1 1 液压传动可使力放大，可使力缩小，也可液压传动可使力放大，可使力缩小，也可以改变力的方向。以改变力的方向。液体内的压力是由负载决定的液体内

10、的压力是由负载决定的 汽车与交通工程学院液压与气压传动例例：已知：D、d、F2 ， 求： F1 。解题思路： 2211=AFAF4=42221DFdF 汽车与交通工程学院液压与气压传动当固体表面是平面平面时，若不计液体重力的作用，则作用在该平面上的力F等于静压力p与承压面积A的乘积，作用力的方向垂直指向该平面pAF =当固体表面为曲面曲面时，液体对曲面在某方向上的作用力等于液体压力和曲面在该方向上投影面积的乘积。xxpAF =四、静压力对固体壁面上的作用力四、静压力对固体壁面上的作用力课下看p16例1-2 汽车与交通工程学院液压与气压传动一、基本概念一、基本概念二、流量连续性方程二、流量连续性

11、方程三、伯努利方程三、伯努利方程四、动量方程四、动量方程1.3 液体动力学液体动力学 汽车与交通工程学院液压与气压传动一、基本概念一、基本概念 理想液体理想液体 假设的既无粘性又不可压缩的流体称假设的既无粘性又不可压缩的流体称为理想流体。为理想流体。 恒定流动恒定流动 液体流动时，液体中任一点处的压力、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。常流动或非时变流动。 汽车与交通工程学院液压与气压传动通流截面通流截面：垂直于流动方向的截面，也称过流截面。：垂直于流动方向的截面，也称过流截面。流量流量：单

12、位时间内流过某一通流截面的液体体积，流单位时间内流过某一通流截面的液体体积，流量以量以q q表示，单位为表示，单位为 m m3 3 / / s s 或或 L/minL/min。平均流速平均流速：实际流体流动时，速度的分布规律很复杂。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，平均流速为假设通流截面上各点的流速均匀分布，平均流速为v v= =q/Aq/A。 汽车与交通工程学院液压与气压传动图1-10连续性方程推导222111=AvAv 若忽略液体的可压缩性，即1=2，则流量连续性方程流量连续性方程是质量守恒定律质量守恒定律在流体力学中的一种表现形式。 二、流量连续性方

13、程二、流量连续性方程 汽车与交通工程学院液压与气压传动 这就是液体在同一连通管道中作定常流动的连续性方程。它说明液体在管道中作定常流动时 (忽略管道变形)，对不可压缩液体，流过各截面的体对不可压缩液体，流过各截面的体积流量是相等的积流量是相等的(即液流是连续的即液流是连续的)。因此在管道中流动的液体，其流速v和过流断面积A成反比。2211=AvAvconstvAq 汽车与交通工程学院液压与气压传动例2.5 如图：己知流量q1，小活塞杆直径d1，小活塞直径D1，大活塞杆直径d2 ，大活塞直径D2，假设没有泄漏流量，求大小活塞的运动速度v1、v2。 汽车与交通工程学院液压与气压传动复习回顾复习回顾

14、一、液压油液的性质：密度、可压缩性、粘性二、粘性的定义及粘度的三种表示方法： 动力粘度、运动粘度和相对粘度 动力粘度的物理意义及其和运动粘度的关系三、液压油的选用四、液体的静压力及其基本方程式、压力的表示方法五、帕斯卡原理六、液体动力学基本概念：理想液体、恒定流动、通流截面、 流量和平均流速七、流量连续性方程 汽车与交通工程学院液压与气压传动三、伯努利方程三、伯努利方程 是能量守恒定律能量守恒定律在流体力学中的一种表现形式。 物理意义：在管内作稳定流在管内作稳定流动的理想流体具有动的理想流体具有压力能，压力能，势能和动能势能和动能三种形式的能量，三种形式的能量，它们可以互相转换，但其总它们可以

15、互相转换，但其总和不变，即能量守恒。和不变，即能量守恒。理想液体伯努利方程理想液体伯努利方程 汽车与交通工程学院液压与气压传动实际液体的伯努利方程实际液体的伯努利方程液体在流动过程中的能量损失；用通流截面的平均流速v取代微元体的实际流速u。修正过程考虑了两点： 实际液体的伯努利方程为： 能量损失动能修正系数 汽车与交通工程学院液压与气压传动应用上式时要注意：应用上式时要注意： 截面1、2要顺流向选取； p和z是通流截面同一点上的两个参数。 汽车与交通工程学院液压与气压传动例：例： 试计算如图所示的液压泵吸油口处的真空度。设油箱液面压力p1，液压泵吸油口处的绝对压力为p2 ，泵吸油口距油箱液面高

16、度h。解题思路：课下看例1-3 汽车与交通工程学院液压与气压传动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，左端接冷水管，右端接淋浴莲蓬如图示简易热水器，左端接冷水管，右端接淋浴莲蓬头。已知头。已知 A A1 1= =A A2 2/4/4和和A A1 1、h h值，问冷水管内流量达到多值，问冷水管内流量达到多少时才能抽吸热水？少时才能抽吸热水？解：沿冷水流动方向列解：沿冷水流动方向列A1、A2截面截面的伯努利方程的伯努利方程 p1/ + v12/2 = p2/ + v22/2补充辅助方程补充辅助方程 p1 = pagh p2=pa v1A1=v2A2代入得代入得 v2 = (2gh

17、/15)1/2 q = v2A2= (2gh/15)1/2 A2 汽车与交通工程学院液压与气压传动四、动量方程四、动量方程: 动量方程是动量定律动量定律在流体力学中的具体应用，常用来计算液流对固体壁面的作用力。 F = （m u）/t = q（u2 - u1）方程表明：方程表明：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：应用动量方程注意：F、u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。 汽车与交通工程学院液压与气压传动例：例：求液流通过滑阀时，对阀芯的轴向作用力的大小。 F = q（v2 cos2

18、- v1cos1） F =-F =qv1cos1液流有一个力图使阀口关闭的力，这个力液流有一个力图使阀口关闭的力，这个力称为液动力。称为液动力。 汽车与交通工程学院液压与气压传动1.4 管道流动管道流动一、流态与雷诺数二、圆管流动的沿程压力损失三、管道流动的局部压力损失 汽车与交通工程学院液压与气压传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，因此阀口会产生撞击和旋涡，因此液体流动时必然会产生液体流动时必然会产生阻力阻力。为了克服阻力，流动液体会损耗一部分能量，。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

19、的这种能量损失可用液体的压力损失压力损失来表示。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h hw w项。项。压力损失由压力损失由沿程压力损失沿程压力损失和和局部压力损失局部压力损失两部分组成。两部分组成。液流在管道中流动时的液流在管道中流动时的压力损失和液流运动状态压力损失和液流运动状态有关。有关。 汽车与交通工程学院液压与气压传动层流层流紊流紊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。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。 一、流态与雷诺数一、流态与雷诺数雷诺试验雷诺试验 汽车与交通工程学院液压与气压传动层流层流

20、和紊流紊流是两种不同性质的流态。 层流时，液体流速较低，质点受粘性制约，不能随意运动，粘性力粘性力起主导作用； 紊流时，液体流速较高，粘性的制约作用减弱，惯性力惯性力起主导作用。 液体流动时，究竟是层流还是紊流，要用雷雷诺数诺数来判定。 汽车与交通工程学院液压与气压传动雷诺数雷诺数：对于非圆截面管： 实验表明真正决定液流流动状态的是用管内的平均流速、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。临界雷诺数Recr： 当液流的实际流动时的雷当液流的实际流动时的雷诺数诺数小于小于临界雷诺数时，液流为临界雷诺数时，液流为层流，反之液流则为紊流。层流，反之液流则为紊流。常见的液流

21、管道的临界雷诺数可由实验求得。 v 汽车与交通工程学院液压与气压传动雷诺数的物理意义雷诺数的物理意义：影响液体流动的力主要有惯性力和粘性力，雷诺数就是惯性作用对粘性作用的比值。当雷诺数较大时，说明惯性力起主导作用；当雷诺数较小时，说明粘性力起主导作用。 汽车与交通工程学院液压与气压传动二、圆管流动的沿程压力损失：二、圆管流动的沿程压力损失：层流时的沿程压力损失层流时的沿程压力损失 ： 实际计算时，对金属管取=75/Re，橡胶管取=80/Re。紊流时的沿程压力损失紊流时的沿程压力损失: 对于光滑管，=0.3164Re-0.25；对于粗糙管，的值可根据不同的Re和/d从表1-6中选择公式计算。：沿

22、程阻力系数。 汽车与交通工程学院液压与气压传动三、管道流动的局部压力损失：三、管道流动的局部压力损失： 式中，局部阻力系数。各种局部装置结构的是由实验测定的，可查手册。阀类元件局部压力损失可按下式计算： 式中，ps阀在额定流量qs下的压力损失；qs阀的额定流量；q阀的实际流量。 汽车与交通工程学院液压与气压传动管路系统总的压力损失管路系统总的压力损失 ： 汽车与交通工程学院液压与气压传动例例 如图所示，某液压泵装在油箱油面以下。液压泵的流量为25L/min，所用液压油的运动粘度为20 mm2/s，油液密度900 kg/m3，吸油管为光滑圆管，管道直径20mm，过滤器的压力损失为0.2105Pa

23、，试求油泵入口处的绝对压力。 汽车与交通工程学院液压与气压传动22=Aqvvd=Re 汽车与交通工程学院液压与气压传动一、液压冲击：一、液压冲击：定义定义：在液压系统中，由于某种原因使液体压力突然产生很高的峰值，这种现象称为液压冲击。 产生原因：产生原因：液压冲击的产生多发生在阀门突然关闭或运动部件快速制动的场合。 1.7 液压冲击和气穴现象液压冲击和气穴现象 汽车与交通工程学院液压与气压传动减小压力冲击的措施：减小压力冲击的措施： 尽量延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间；尽量延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间； 正确设计阀口，限制管道流速及运动部件速度，正确设计阀口，限制管道流速及运动部件速度，使运动部件制动时速度变化比较平稳；使运动部件制动时速度变化比较平稳； 如果换向精度要求不高，可使液压缸两腔油路如果换向精度要求不高，可使液压缸两腔油路在换向阀回到中位时瞬时互通；在换向阀回到中位时瞬时互通； 适当加大管道直径，尽量缩短管路长度；适当加大管道直径，尽量缩短管路长度； 采