第2章 流体力学

1、液压传动的工作介质液压传动的工作介质液体静力学液体静力学液体动力学液体动力学液体流动时的能力损失液体流动时的能力损失孔口和缝隙流动孔口和缝隙流动液压冲击和气蚀现象液压冲击和气蚀现象 流体力学的研究对象是流体，研究流体的宏观运动、平衡规律及流体与固体的相互作用。 液压流体力学是流体力学的一个组成部分，是研究液体静止和运动时的力学规律，以及应用这些规律解决液压技术中工程计算等问题的学科。液体所具有的特性：液体所具有的特性： （1）连续性：液体是一种连续介质，这样就可以把液体的运动参数看作是时间和空间的连续函数，并有可能利用解析数学来描述它的运动规律。 （2）不抗拉：由于液体分子与分子间的内聚力极小

2、，几乎不能抵抗任何拉力而只能承受较大的压应力，不能抵抗剪切变形而只能对变形速度呈现阻力。 （3）易流性：不管作用的剪力怎样微小，液体总会发生连续的变形，这就是液体的易流性，它使得液体本身不能保持一定的形状，只能呈现所处容器的形状。 （4）均质性：液体的密度是均匀的，物理特性是相同的。 2.1 2.1 液压传动的工作介质液压传动的工作介质工作介质在液压系统中的主要作用是：传递能量；润滑；将热量及污染物带走。液压系统使用的工作介质种类较多，大体可分为：石油基液压油、抗燃液压液和水（海水或淡水）三大类，其中石油基液压油最为常用。 2.1.1 液压传动工作介质的种类 2.1 2.1 液压传动的工作介质

3、液压传动的工作介质2.1.1 液压传动工作介质的种类 类型名称组成特性适用场合石油基液压油L-HH液压油无添加剂的石油基液压油氧化稳定性、低温性能、防锈性较差。不重要的液压系统。L-HL普通液压油HH+抗氧化、抗腐、抗泡、抗磨、防锈等添加剂、良好的防锈性、抗氧化性、抗泡性和对橡胶密封件的适应性、高精密机床或要求较高的中、低压系统。L-HR高黏度指数液压油HL+增黏、油性等添加剂良好的黏温特性及抗剪切安定性，黏度指数达175以上。较好的润滑性，可有效的防止低速爬行和低速不稳定现象。环境温度变化较大的低压系统。数控精密机床及高精度坐标镗床的液压系统。L-HM抗磨液压油HL+抗磨剂良好的抗磨、润滑、

4、抗氧化及防锈性。高压、高速工程机械和车辆液压系统L-HV低凝液压油HM+增黏、降凝等添加剂低温下有良好的启动性能，正常温度下有很好的工作性能，黏度指数在130以上。良好的抗剪切性能。低温地区的户外高压系统。环境温度变化较大的中、高压系统。L-HG液压-导轨油HM+油性剂用于导轨润滑时具有良好的防爬性能。机床液压和导轨润滑合用的系统。2.1 2.1 液压传动的工作介质液压传动的工作介质2.1.1 液压传动工作介质的种类 抗燃液压液L-HFAE水包油乳化液水（90-95）+基础油（5-10）+乳化、防锈、助溶、防霉、抗泡等添加剂微小油滴均匀分布在水中，润滑性、黏温特性、低温性差。良好的阻燃性和冷却

5、性。具有较高的饱和蒸汽压及pH值。对润滑性、黏温特性要求不高的低压系统，如液压支架、水压机系统。系统所用液压泵的转速不宜超过1200rpm。L-HFB油包水乳化液水（40）+基础油（60）+乳化、抗磨、防锈、抗氧化、抗泡等添加剂既具有石油基液压油的良好特性，又具有抗燃性。对金属材料和密封材料无特殊要求。对于抗燃性、润滑性、防锈性均有要求的液压系统。使用温度不超过65。L-HFAS高水基抗然工作液水（95）+抗磨、防锈、抗腐、乳化、抗泡、增黏等添加剂（5）成本低；特别良好的抗燃性；良好的冷却性。黏温特性、润滑性差。对润滑性和黏温特性要求不高，但是对抗燃性要求特别高的液压系统。L-HFC水-乙二醇

6、液水（35-55%）+乙二醇+增稠、抗氧化、抗泡、防锈、抗磨、防腐等添加剂良好的黏温特性、黏度指数高（130-170）；良好的抗燃性；凝点低（-50）；与大多数金属材料相适应。要求防火的中、低压系统，以及在低温下使用的液压系统。使用温度为-18-65。L-HFDR磷酸酯液无水磷酸酯+增稠、抗氧化、抗泡、防锈、抗磨等添加剂优良的抗燃性；良好抗氧化性和润滑性；可在高压下使用；价格昂贵；有毒性；与多种密封材料（如丁氰橡胶、氯丁橡胶等）相容性差抗燃性要求很高的中、高压系统；使用温度范围可达-45-135；与丁基胶、乙丙胶、氟橡胶、硅橡胶、聚四氟乙烯等均可相容。2.1 2.1 液压传动的工作介质液压传动

7、的工作介质2.1.1 液压传动工作介质的种类 水海水海水无可燃性；优良的环保性。润滑性、抗磨性、防锈性差；需要专门材质（如海军黄铜、陶瓷等）的液压元件；元件制造工艺要求高；系统效率较低。海上钻井平台、潜艇、军舰、水下机器人等的液压系统。淡水（纯水）淡水、自来水无可燃性；优良的环保性。润滑性、抗磨性、防锈性差；需要专门材质（如海军黄铜、陶瓷等）的液压元件；元件制造工艺要求高；系统效率较低。对环保要求高的系统；不允许有油液泄露的液压设备（如食品机械、印刷机械、制药机械等）2.1 2.1 液压传动的工作介质液压传动的工作介质2.1.2 液压油的主要物理性质 密度密度单位体积液体的质量称为液体的密度。

8、体积为，质量为的液体的密度为 矿物油型液压油的密度随温度的上升而有所减小，随压力的提高而稍有增大，但变动值很小，可以认为是常值。我国采用20时的密度作为油液的标准密度。 2.1 2.1 液压传动的工作介质液压传动的工作介质2.1.2 液压油的主要物理性质2. 黏性黏性 液体在外力作用下，液层间作相对运动时产生内摩擦力的性质，称为黏性。 摩擦阻力是液体黏性的表现形式。 黏性是液体固有的物理特性，但是液体只有在流动(或有流动趋势)时才会呈现出黏性，静止的液体是不呈现黏性的。 黏性是油液的基本属性，对液压元件的性能和系统黏性是油液的基本属性，对液压元件的性能和系统的工作特性有极大影响。黏性也是选择液

9、压用油的重要的工作特性有极大影响。黏性也是选择液压用油的重要依据依据 2.1 2.1 液压传动的工作介质液压传动的工作介质2.1.2 液压油的主要物理性质（1）牛顿内摩擦定律dzduAT)/(2mNdzdu（N） 2.1 2.1 液压传动的工作介质液压传动的工作介质2.1.2 液压油的主要物理性质（2）黏性的度量 黏性的大小用黏度来表示。黏度可用动力黏度、运动黏度和相对黏度三种形式来量度。动力黏度也称绝对黏度，是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。 运动黏度油液的动力黏度与密度之比，即相对黏度 也称条件黏度，是使用特定的黏度计在规定条件下可直接测量的黏度。我国采用的相对黏度为

10、恩氏黏度E/（m2/s） 2.1 2.1 液压传动的工作介质液压传动的工作介质2.1.2 液压油的主要物理性质油液的黏性与压力、温度的关系： 一般而言，油液所受压力增大，其黏性变大，在高压时，压力对黏性的影响表现尤为突出，而在中、低压时并不显著。 油液黏性对温度十分敏感。当油液温度升高时，黏性下降，这种影响在低温时更为突出。 2.1 2.1 液压传动的工作介质液压传动的工作介质2.1.2 液压油的主要物理性质dpVdV /3. 压缩性压缩性 液体体积随压力的变化而变化。在一定温度下，每增加一个单位压力，液体体积的相对变化值，称为液体的压缩性。压缩性大小用压缩系数 表示，即 VdVdpK/1 在

11、液压传动中，常以液体的体积弹性系数K（也称体积弹性模量），即 的倒数来表示油液的压缩性：2.1 2.1 液压传动的工作介质液压传动的工作介质2.1.3 液压油的选用液压系统对液压油的要求：（1）具有良好的黏温特性及适宜的黏度。（2）具有良好的润滑性能。（3）空气分离压、饱和蒸汽压要低；闪点、燃点要高；凝点要低。（4）具有良好的化学稳定性，即对热、氧化、水解和剪切都有良好的稳定性，在高温下与空气长时间接触以及高速通过缝隙后仍能保持原有的化学成分不变。（5）具有良好的防腐蚀性，不腐蚀金属及密封材料。（6）对人体无害，质地纯净。 2.1 2.1 液压传动的工作介质液压传动的工作介质2.1.4 液压油

12、的污染及其控制 1965年，美国国家流体协会就做出了“液压系液压系统的故障至少有统的故障至少有75%75%是由于油液的污染所造成是由于油液的污染所造成”的结论。 污染问题直接影响着液压系统的使用寿命。 如何正确使用与维护液压系统，有效地控制污染，保证油液的清洁，是液压系统日常维护和使用中的一项重要工作，也是确保液压系统安全可靠运行的关键。 2.1 2.1 液压传动的工作介质液压传动的工作介质固体污染物：固体污染物：主要有金属切屑、毛刺、硅砂、磨料、焊渣、锈片、添加剂、粉尘、沙粒，纤维物、氧化生成物和灰尘等固体颗粒。液体污染物：液体污染物：一般包括不符合系统要求的油液（新旧油及异种油的交叉污染）

13、、水、涂料和氯及其卤化物等。气体污染物：气体污染物：主要是混入系统中的空气。1. 液压污染物的种类2.1.4 液压油的污染及其控制2.1 2.1 液压传动的工作介质液压传动的工作介质2.1.4 液压油的污染及其控制2. 污染产生的原因及危害污染产生的原因：（1）液压油本身的变质所产生的粘度变化和酸值变化；（2）外界污染物混入液压油内（包括制作、安装过程中潜伏在液压系统内部的污染物；或者在液压系统工作过程中产生的污染物）。 2.1 2.1 液压传动的工作介质液压传动的工作介质2.1.4 液压油的污染及其控制污染带来的危害：污染带来的危害：（1）使节流阀和压力阻尼孔时堵时通。（2）使得液压泵及马达

14、、阀组等元件的运动副磨损加剧。（3）混入液压油中的水分会导致液压油变质老化。（4）使吸油过滤器严重阻塞。（5）污物进入滑阀间隙，可能使滑阀卡住。（6）影响润滑性能。（7）影响环保效益。2. 污染产生的原因及危害2.1 2.1 液压传动的工作介质液压传动的工作介质2.1.4 液压油的污染及其控制3. 污染的控制常用的液压油清洁度等级标准有： GB/T 14039一93（等效于ISO/DIS 4406） NAS1638污染度等级标准。污染控制的措施：液压油污染的控制 液压系统在制作、安装过程中的污染控制 液压系统在使用过程中的污染控制 2.1 2.1 液压传动的工作介质液压传动的工作介质2.1.4

15、 液压油的污染及其控制3. 污染的控制一般液压油清洁度的要求：在大间隙、低压液压系统中，采用NAS10-NAS12，大约相当于ISO 19/16-ISO21/18。这表示每毫升油液中5m的颗粒数大约在250020000之间；每毫升油液中15m的颗粒数大约在3202500之间。在普通中、高压液压系统中，采用NAS7-NAS9，大约相当于ISO 16/13-ISO18/15。这表示每毫升油液中5m的颗粒数大约在3202500之间；每毫升油液中15m的颗粒数大约在40320之间。在敏感及伺服、高压液压系统中，采用NAS4-NAS6，大约相当于ISO 13/10-ISO15/12。这表示每毫升油液中5

16、m的颗粒数大约在40320之间；每毫升油液中15m的颗粒数大约在540之间。2.2 2.2 液体静力学液体静力学2.2.1 静压力及其特性 质量力质量力作用在液体所有质点上的力，其大小与受作用的液体质量成正比。作用在作用在液体上的力液体上的力表面力表面力作用在所研究液体的外表面上，并与液体表面积成正比的力。 2.2 2.2 液体静力学液体静力学2.2.1 静压力及其特性 静压力总是沿静压力总是沿着液体作用面着液体作用面的内法线方向的内法线方向，即静压力总，即静压力总是垂直于受压是垂直于受压面面 液体静压力液体静压力的基本特性的基本特性液体中任一点液体中任一点静压力的大小静压力的大小与作用面的方

17、与作用面的方位无关。位无关。 2.2 2.2 液体静力学液体静力学2.2.2 静力学基本方程 ghAApAp0图2-3 重力场中某点静压力ghpp0静力学基本方程 式中，p为静止液体中任意点的压力；p0为液面压力；h为液体中任意点到液面的距离，称为淹没深度；为液体密度 2.2 2.2 液体静力学液体静力学2.2.2 静力学基本方程 1静止液体内任一点的静压力p由液面压力p0。和重力引起的压力gh两部分组成 。2静止液体内的压力p随淹没深度h的增加按线性规律递增，斜率由液体的密度决定 3在重力作用下，液体内任意点的压力与所处位置有关，在同一深度处的静压力相等；压力相等的所有点组成的面叫做等压面

18、2.2 2.2 液体静力学液体静力学2.2.3 压力表示法 1单位面积上的作用力，采用国际单位：帕(Pa=Nm2) 2工程大气压(at) 3液柱高，如米水柱(mH2O)、毫米汞柱(mmHg)等 压力单位常采用下面三种形式： 以上三种形式的压力单位换算关系为：1at=105Pa=0.1MPa=10mH2O=735.5mmHg2.2 2.2 液体静力学液体静力学2.2.3 压力表示法 绝对压力、相对压力和真空度 以绝对零值为基准测得以绝对零值为基准测得的压力称为绝对压力的压力称为绝对压力 以当地大气压力为基准测得以当地大气压力为基准测得的压力称为相对压力的压力称为相对压力 绝对压力低于大气压力则称

19、绝对压力低于大气压力则称为真空，并以真空度来表示为真空，并以真空度来表示 相对压力绝对压力大气压力 2.2 2.2 液体静力学液体静力学2.2.4 帕斯卡原理 在密闭容器内，施加在静止液体边界上的压力可以等值地向液体内所有方向传递。各类液压机就是帕斯卡原理的具体工程应用 2.2 2.2 液体静力学液体静力学2.2.5 静止液体对固体壁面的作用力 1液体对平面的作用力 2液体对曲面的作用 静止液体作用在曲面上某一方向的分力，等于液体静压力与曲面在该方向的垂直平面上的投影面积的乘积。 静止液体对平面的作用力等于静压力与平面面积的乘积，其作用点在平面形心处，方向垂直于平面。 2.2 2.2 液体静力

20、学液体静力学2.2.5 静止液体对固体壁面的作用力 例例2-3 冷轧机支承辊冷轧机支承辊平衡系统平衡系统 例例2-2 静止油液对锥阀芯的静止油液对锥阀芯的作用力计算作用力计算2.3 2.3 液体动力学液体动力学2.3.1 基本概念 理想液体及定常流动流动液体的压力 流量、平均流速 迹线、流线、过流断面 图2-10 过流断面 (a)平面； (b)曲面图2-11 流量及平均流速2.3 2.3 液体动力学液体动力学2.3.2 连续性方程 图2-12 流体在管中定常流动 qAA2211=常数常数 2.3 2.3 液体动力学液体动力学2.3.3 伯努利方程 1理想液体的伯努利方程 ggpzggpz222

21、2222111理想液体伯努利方程的物理意义：理想流体在定常流动时，各截面上具有的总机械能由位能、压力能和动能组成，三者可相互转化但三者之和保持不变。 2.3 2.3 液体动力学液体动力学2.3.3 伯努利方程 2实际液体的伯努利方程 实际液体在管道中流动时，流速在过流断面上的分布不是均匀的，如果用平均流速来表示动能，则需引入动能修正系数，层流时=2，紊流时=1；同时由于黏性的存在，流动过程中要消耗一部分能量，即存在能量损失项 fhggpzggpz222222221111fh2.3 2.3 液体动力学液体动力学2.3.3 伯努利方程 应用伯努利方程时的注意事项：（1）z和p是指所取过流断面同一点

22、上的两个参数。（2）液流应是定常流动，不可压缩，均质，且仅受重力作用。（3）列方程所需的两个过流断面，一个应取在条件已知处，另一个应取在需要求解的参数处。（4）流量在两个过流断面之间沿程不变，即没有分流。（5）适当地选取基准面，可使得列出的方程更加简洁。一般取液平面为基准面，这时p一般等于大气压，平均流速可约取为零。（6）各断面上的压力应取同一种表示法。压力小于大气压时，则表压力为负值，但用真空度表示时要写正值。如绝对压力为0.03MPa，则表压力为-0.07MPa，真空度为0.07MPa。（7）不要忘记动能修正系数以及能量损失项 2.3 2.3 液体动力学液体动力学2.3.4 动量方程 )(

23、IIIqdtdmF使用动量方程时的注意事项：（1）与前面的几个基本方程不同，动量方程是矢量方程。因此，在使用时一般需要将速度、力等矢量分别沿水平和垂直方向分解，在水平及垂直方向上分别列出动量方程。（2）动量方程中的F是在流动液体中所取的控制体积所受的所有外力之和。因此，运动液体对固体壁面的作用力与F的关系是作用力与反作用力的关系。（3）正确地选择控制体积，可以使动量方程简化。 2.4 2.4 液体流动时的能量损失液体流动时的能量损失2.4.1 层流、紊流、雷诺判据 液体质点没有横向脉动，互不干扰作定向而不混杂的有层次的运动，称为层流。 在液体流速大于某一数值后，液体除交错而又混乱的沿某一方向运

24、动外，还有一个脉动的横向速度，这种运动称为紊流 液体在管道内流动时存在层流和紊流两种流动状态，不同流态对能量损失的影响也不相同。2.4 2.4 液体流动时的能量损失液体流动时的能量损失2.4.1 层流、紊流、雷诺判据 液体是作层流运动还是作紊流运动，与流速、管径及液体的黏性有关。雷诺归纳出一个综合量雷诺数Re来判断液体的运动状态。雷诺数是液体惯性力与黏性力之比的无量纲数。 HHDvDRe当雷诺数Re Rer 时，为紊流。Rer称为临界雷诺数例如，在光滑金属圆管中，Re20002320为紊流。 2.4 2.4 液体流动时的能量损失液体流动时的能量损失2.4.1 层流、紊流、雷诺判据 对于圆形断面

25、管： DH=d (管道内径)对于非圆形断面管：图2-19 流道过流断面形状ADH4dDdDdDDH)()(4422例如，过流断面是内、外直径分别为d及D的环形(见图2-19a)，则 开度为x的滑阀阀口(见图2-19b) xdxdDH2242.4 2.4 液体流动时的能量损失液体流动时的能量损失2.4.2 沿程能量损失 gdlh221沿程能量损失计算公式： 液体在等径直管内，沿流动方向各流层之间的内摩擦而产生的能量损失称为沿程能量损失沿程能量损失。它主要取决于管道长度l、管径d、液体流速 ，液体黏度以及液体在管中的流动状态。、式中，hl为以液柱高表示的沿程能量损失； 为液体密度；g为重力加速度；

26、 为沿程压力损失系数，不同的流态，有不同的 值2.4 2.4 液体流动时的能量损失液体流动时的能量损失2.4.2 沿程能量损失 圆管层流时沿程能量损失系数的选取：（1）水的层流运动： （2）金属管中油的层流运动： （3）橡胶软管中油的层流运动： Re/64Re/75Re/801圆管层流运动的能量损失 2.4 2.4 液体流动时的能量损失液体流动时的能量损失2.4.2 沿程能量损失 2圆管紊流运动的能量损失 实验证明，在紊流状态下，沿程压力损失系数不仅与雷诺数Re有关，而且还与管道内壁的表面粗糙度有关。 -管道内壁表面绝对粗糙度的平均值 -近壁层流层的厚度 2.4 2.4 液体流动时的能量损失液

27、体流动时的能量损失2.4.2 沿程能量损失 圆管紊流时沿程能量损失系数的选取：（1）对于同一根管道，同样的工作液体，根据流动状态的不同，这根管道可能为紊流光滑管也可能为紊流粗糙管 ： （2）所有紊流时的沿程能量损失系数的计算公式都是在实验基础上归纳的经验公式。2.4 2.4 液体流动时的能量损失液体流动时的能量损失2.4.3 局部能量损失 液体在流动中，由于遇到局部障碍而产生的阻力损失，称为局部能量损失。局部能量损失。 ghm22局部压力损失计算公式： 式中，hm为以液柱高表示的局部能量损失；g为重力加速度； 为局部压力损失系数， 为液体过流断面上的平均速度 局部能量损失系数 一般根据实验值选

28、取2.4 2.4 液体流动时的能量损失液体流动时的能量损失2.4.4 管路系统总能量损失 ggdlhhhmlf2222 管路系统中总能量损失等于所有支管的沿程能量损失和所有局部装置产生的局部能量损失之和。即 2.5 2.5 孔口和缝隙流动孔口和缝隙流动2.5.1 小孔出流及节流特性方程 2.5 2.5 孔口和缝隙流动孔口和缝隙流动2.5.1 小孔出流及节流特性方程 薄壁孔口薄壁孔口孔口的长径比ld00.5时，称为薄壁孔口，如图2-24a所示，其特点如下。(1)收缩在孔外CC处，即断面22就是收缩断面CC，(2)无沿程损失，只有进口处的局部损失。 厚壁孔口厚壁孔口当小孔长径比0.54时，称为细长

29、孔。液流通过细长孔的流动为层流运动 2.5 2.5 孔口和缝隙流动孔口和缝隙流动2.5.1 小孔出流及节流特性方程 mpkAq节流特性方程 式中：A为节流器的通流面积。p是节流器前后的压力差。m是由节流器形状决定的指数。薄壁小孔时m=0.5，细长孔时m=1，厚壁孔时0.5m1。 k是与节流器形状、尺寸和液体性质相关的节流系数。薄壁小孔时细长孔时 / 2gCkldk32202.5 2.5 孔口和缝隙流动孔口和缝隙流动2.5.2 缝隙流动 缝隙高度相对其长度和宽度而言要小很多 缝隙流动通常属于层流范畴 液体在两个边界壁面所夹着的狭窄空间内的流动，称为缝隙流动。缝隙流动具有如下两个特点： 2.5 2

30、.5 孔口和缝隙流动孔口和缝隙流动2.5.2 缝隙流动 1.平行平板缝隙流动(1)压差流动plbq1231两固定平行壁面间压差流动的流量ql与缝隙高度的三次方成正比，可见缝隙大小对泄漏量影响极大。 2.5 2.5 孔口和缝隙流动孔口和缝隙流动2.5.2 缝隙流动 (2)剪切流动 1.平行平板缝隙流动2022bdzbuq2.5 2.5 孔口和缝隙流动孔口和缝隙流动2.5.2 缝隙流动 1.平行平板缝隙流动(3)压差与剪切联合作用下的混合缝隙流动 212321bplbqqq2.5 2.5 孔口和缝隙流动孔口和缝隙流动2.5.2 缝隙流动 2.圆柱环状缝隙流动(1)同心环状缝隙流动 2123dpld

31、q2.5 2.5 孔口和缝隙流动孔口和缝隙流动2.5.2 缝隙流动 2.圆柱环状缝隙流动(2)偏心环状缝隙流动 2)5 . 11 (1222dpld 为偏心比。从上式可以看出，偏心只对压差流动有影响，而对剪切流动无影响。 eq 2.5 2.5 孔口和缝隙流动孔口和缝隙流动2.5.2 缝隙流动 3平行圆盘缝隙流动 prrq)/ln(6123 液体经中心孔沿径向向四周流出(源流)，或者从四周径向流入中心(汇流)，这两种情况都称为平行圆盘缝隙流动。因为液体沿径向流动，所以又称为轴对称流动，它具有平行平板缝隙流动的所有特点。 2.6 2.6 液压冲击和气蚀现象液压冲击和气蚀现象2.6.1 液压冲击 液压系统中，由于某一元件工作状态突变而引起油压瞬时急剧上升，产生很高的压力峰值，出现冲击波的传递过程，这种现象称为液压冲击液压冲击。 1物理本质 2冲击压力 cp 3液压冲击波的传递速度c为压力波传递速度，即声速 /eKc Ke为管道有效体积弹性系数 2