模块二流体力学基础

模块二流体力学基础第1页，共19页，2023年，2月20日，星期五任务2：了解流体力学基础

一、液压油1．液压油的分类液压油主要有矿油型、合成型、乳化型三大类2．液压油的性质（1）粘性粘性是流体在外力作用下流动时分子间的内聚力要阻止分子间的相对运动而产生的一种内摩擦力。（动画）根据实际测定的数据所知，流体层间的内摩擦力F与流体层的接触面积A及流体层的相对流速成正比，而与此二流体层间的距离成反比，即：

第2页，共19页，2023年，2月20日，星期五如果用单位接触面积上的内摩擦力（剪切应力）来表示，则上式可改写成这就是牛顿内摩擦定律。粘性是液体最重要的物理特征之一，是选择液压油的主要依据，它常用绝对粘度（动力粘度）、运动粘度和相对粘度来表示（见表2-2）第3页，共19页，2023年，2月20日，星期五

项目公式概念及测定单位绝对粘度绝对粘度又称动力粘度。它是液体在单位速度梯度下流动时，接触液层间内摩擦剪切应力Pa·s运动粘度

运动粘度是液体绝对粘度与其密度的比值㎡/s、cSt（厘沲)相对粘度相对粘度又称条件粘度，由于条件不同，各国相对粘度的含义也不同，如美国采用赛氏粘度、英国采用雷氏粘度、而我国、德国、俄国则采用恩氏粘度)。恩氏粘度用恩氏粘度计测定，即将200cm³被测液体装入粘度计的容器内，容器周围充水，电热器通过水使液体均匀升温到T℃，液体由容器的底部2.8mm的小孔流尽所需的时间t1与同体积的蒸馏水在20℃时流过同一小孔所的时间t2（t2=51s）比值，称为被测液体在这一温度T下的恩氏粘度无第4页，共19页，2023年，2月20日，星期五（2）液体的可压缩性液体的可压缩性是液体受压力的作用而使其体积发生变化的性质。可用体积压缩系数表示。它是液体在单位压力变化时的体积相时变化量。即3．液压油的选用我国液压油的牌号是以这种油液40℃时的运动粘度的平均值来标定的，例如46号液压油是指这种油在40℃时的运动粘度的平均值为46cSt（mm2/s）。正确而合理地选用液压油，是保证液压设备高效率正常运转的前提。选用液压油时，可根据液压设备及液压元件生产厂所推荐的品种号数来选用液压油，或者根据液压系统的工作环境、工作压力、液压元件种类及经济性等因素全面考虑。具体如下表。第5页，共19页，2023年，2月20日，星期五考虑因素内容工作环境要考虑环境温度（环境温度较高时，宜选用粘度较大的液压油；反之选用粘度较小的液压油）、是否要求阻燃、抑制噪声的能力、废液再生处理及环保要求等工作压力对于工作压力较高的液压系统，应选用粘度较大的液压油；反之选用粘度较小的液压油工作速度对于工作速度较高的液压系统，应选用粘度较小的液压油；反之选用粘度较大的液压油液压泵的类型如表2-4所示经济性要考虑液压油的价格、使用寿命、货源情况等第6页，共19页，2023年，2月20日，星期五液压泵的类型运动粘度/（mm2/s）工作压力/MPa工作温度/℃推荐用油允许最佳叶片泵(1200r/min)叶片泵(1800r/min)16～22020～22026～5425～5475～40L-HH32，L-HH4640～80L-HH46，L-HH68>145～40L-HL32，L-HL4640～80L-HL46，L-HL68齿轮泵4～22025～54<12.55～40L-HL32，L-HL4640～80L-HL46，L-HL6810～205～40L-HL46，L-HL6840～80L-HM46，L-HM6816～325～40L-HM32，L-HM6840～80L-HM46，L-HM68径向柱塞泵轴向柱塞泵10～654～7616～4816～4714～355～40L-HM32，L-HM4640～80L-HM46，L-HM68>355～40L-HM32，L-HM6840～80L-HM46，L-HM100第7页，共19页，2023年，2月20日，星期五二、液体静力学基础液体静力学是研究液体处于相对平衡状态下的力学规律和这些规律的实际应用的力学。所谓相对平衡是指液体内部各质点间没有相对运动，至于液体本身完全可以和容器一起如同刚体一样做各种运动。因此，液体在相对平衡状态下不呈现粘性，不存在切应力，只有法向的压应力，即静压力。1．液体的静压力及特性液体的静压力是指液体相对静止时，液体单位面积上所受的法向力。液体静压力有以下两个特性：①液体静压力垂直于承压面,其方向和该面的内法线方向一致。②静止液体内任一点所受到的压力在各个方向上都相等。2．液体的静力学基本方程第8页，共19页，2023年，2月20日，星期五如图1-2-3所示，密度为的液体在容器内处于静止状态，作用在液面上的压力为，如果计算距液面深度为处某一点的压力，可以假想从液面往下切取高度为，底面积为的小液柱为研究对象，这个液柱在重力和周围液体压力作用下，处于平衡状态，所以有图1-2-3静压力的分布规律

如果取X轴为相对高度的起始点，则上式可写成3．绝对压力、相对压力和真空度压力的表示方法有绝对压力和相对压力两种。第9页，共19页，2023年，2月20日，星期五绝对压力、相对压力(表压力)和真空度的关系如图1-2-4所示。图1-2-4绝对压力、相对压力和真空度

【例1-2-1】如图1-2-5所示，容器内盛有油液。已知油的密度=900kg/m3，活塞上的作用力=1000N，活塞的面积=1×10-3m2，假设活塞的重量忽略不计。问活塞下方深度为=1m处的压力等于多少？图1-2-5例1-2-1图解：由式1-2-5得第10页，共19页，2023年，2月20日，星期五(a)(b)图1-2-6液压力作用在曲面上的力4．液体作用在固体壁面上的力具有一定压力的液体与固体壁面相接触时，固体壁面将受到液压力的作用，如果略去液体自重产生的压力，液体中各点的静压力是均匀分布的，且垂直作用于受压表面。因此，当承受压力的表面为平面时，液体对该平面的总作用力等于液体的压力与受压面积的乘积，即当承受压力的表面为如图1-2-6所示的曲面时，液体对该曲面的总作用力等于液体的压力与受压曲面在垂直方向的投影面积的乘积，即第11页，共19页，2023年，2月20日，星期五当承受压力的表面为曲面时，由于压力总是垂直于承受压力的表面，所以作用在曲面上各点的力不平行但相等。要计算曲面上的总作用力，必须明确要计算哪个方向上的力。如图1-2-6c所示为液压缸筒受力分析图。设缸筒半径为r，长度为l，求液压力作用在右壁部x方向的力Fx。在缸筒上取一微小窄条，其面积为dA=lds=lrdθ，压力油作用在这微小面积上的力dF在x方向的投影为：图1-2-6c

dFx=dFcosθ=pdAcosθ=plrcosθdθ在液压缸筒右半壁上x方向的总作用力为：式中，2lr为曲面在x方向的投影面积。由此可得出结论，作用在曲面上的液压力在某一方向上的分力等于静压力与曲面在该方向投影面积的乘积。这一结论对任意曲面都适用。第12页，共19页，2023年，2月20日，星期五三、液体动力学基础液体动力学是研究液体在外力的作用下流动时作用在液体上的力与液体运动之间的关系和能量转换关系的力学。它是液压与气动技术中分析问题和设计计算的理论依据。1．基本概念（1）理想液体和稳定流动所谓理想液体就是无粘性、不可压缩的假想液体。稳定流动是液体流动时，液体中任意一点处的压力、流速和密度不随时间而变化。（2）流量和平均流速流量是指单位时间流过某一过流断面的液体体积，即平均流速是假设过流断面上各点的流速均匀分布，液流质点在单位时间内流过的距离。即第13页，共19页，2023年，2月20日，星期五式中为液流质点流过的距离，为液体通过的时间，单位为m/s。将式2-9的分子和分母同时乘以，则得（3）层流、紊流和雷诺数(动画）颜色水和周围的液体没有混杂，而是层次分明，能够维持稳定的流束状态，这种流动称为层流。如果A阀继续开大，脉动加剧，颜色水就完全与周围液体混杂而不再维持流束状态，引起流层间质点相互错杂交换，这种流动称为紊流或湍流。液体流动时究竟是层流还是紊流，可用雷诺数来判断，即第14页，共19页，2023年，2月20日，星期五2．连续性方程连续性方程是质量守恒定律在液体力学中的一种表达形式。设不可压缩的液体在图1-2-8所示的管道中作稳定流动，若取两个过流截面1和2，其截面积为和，这两截面上的平均流速为和，两截面上的密度不变，则在两截面处的液体质量应相等，即常量图1-2-8液流的连续性原理

3．伯努利方程（1）理想液体的伯努利方程假定理想液体在如图1-2-9所示的管道中作稳定流动1截面和2截面处的能量如表1-2-6所示。

图1-2-9伯努利方程的示意图

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（2）实际液体的伯努利方程实际液体在管道中流动时，由于液体有粘性，会产生内摩擦力，因此造成能量损失，另外由于实际流速在管道通流截面上分布是不均匀的，用平均流速来代替，必然会产生偏差，这样就必须引入动能修正系数来补偿产生的偏差，因此实际液体的伯努利方程为第16页，共19页，2023年，2月20日，星期五

【例1-2-2】图示液压泵从油箱吸油。液压泵流量为150L/min，油液粘度=30×10-6m2/s，密度ρ=900kg/m3。吸油管长度l=3m，吸油管直径d=60mm，在不计局部损失时，试求为保证泵吸油口真空度不超过0.2×105Pa，液压泵吸油口高于油箱液面的高度H。图1-2-9例12-2图解：设以油箱液面为1-1截面，泵的进油口处管道截面为2-2截面，流速为、压力为、泵的吸油口高于油箱液面的高度为，根据实际液体的伯努利方程第17页，共19页，2023年，2月20日，星期五

4．动量方程动量方程是动量定理在流体力学中的具体应用。刚性力学动量定理指出，作用在物体上的外力等于物体在单位时间内的动量变化量，即5、液压冲击液压冲击是指在液压系统中由于液流速度突变或突然改变流向等原因而引起的油液压力在瞬间急剧上升的现象。液压冲击会引起振动和噪声，导致密封装置、管路等液压元件的损坏，有时还会使压力继电器、顺序阀等元件产生误动作，影响系统的正常工作。因此必须采取有效措施来减轻和防止液压冲击。避免产生液压冲击的基本措施是尽量避免液流速度发生急剧变化，延缓速度变化的时间，其具体办法是：第18页，共19页，2023年，2月20日，星期五6、空穴现象空穴现象