大学液压与气动技术第二章复习重点

第二章流体力学根底第一节流体及其物理性质一、流体的定义能流动的物第一节流体及其物理性质第一节流体及其物理性质质为流体。从力学特征讲，流体是一种受任何微小剪切力都能连续变形的物质。二、流体的物理性质1、密度ρ与重度γ2、可压缩性：体积压缩系数k--单位压力变化下的体积相对变化量。k=-1/ΔP·Δv/v0k=0时：不可压缩流体，简称“不可压流体〞。3、流体的粘性：〔1〕定义：流体在外力作用下流动或有流动趋势时，分子间的内聚力要阻止分子相对运动而产生一种内摩擦力，这种现象叫做流体的粘性。静止流体不呈现粘性。〔2〕牛顿内摩擦定律〔粘性遵循的规律〕平板运动时受阻力为或式中F—平板所受液体的阻力〔N〕；A—平板与液体接触的面积〔m2〕V—两平板的相对运动速度〔m/s〕；y—两平板间的垂直距离〔m〕；µ—与流体性质有关的比例系数〔N•s/m2〕；—作用在单位面积上的内摩擦力或剪切力。对速度不是线性分布的情况，取相距为dy的流体薄层，其速度差为dy，即可将上式推广为不受速度分布规律限制的一般形式该式称为牛顿内摩擦定律，是牛顿在1686年通过大量实验总结出来的。它说明，流体内摩擦力的大小与流体内的速度梯度和接触面积大小成正比，并且与流体的性质，即粘性有关。比例系数称为动力粘度。〔3〕粘度动力粘度：µ单位〔N•S/m2或Pa•S〕运动粘度：v单位为m2/S。并不是所有流体的粘度和内摩擦力的关系都可用牛顿内摩擦定律来表示。将符合牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体，而将不符合牛顿内磨擦定律的流体称为非牛顿流体。〔4〕粘温特性同一流体的粘性系数与流体的温度有很大关系，而与压力关系不大。气体的µ值随温度的升高而增大，液体的µ值随温度的增高而减少。说明液体具有明显的粘温特性。三、理想流体、流体质点及连续介质的概念1.理想流体：粘度µ=V=0的流体称为理想流体或无粘性流体。2.流体质点：是流体中宏观尺寸非常小、微观尺寸足够大的任意一个物理实体。〔流体微团〕流体质点在任一时刻都有一定的宏观物理量，如质量、密度、温度、压强、速度、动能等。3.连续介质的概念既然认为流体力学中最小的物理实体是流体质点而不是流体分子，也就等于认定流体是由无穷多个、无穷小的、紧密相邻的流体质点所组成的无间隙的连续介质。第二节液压油〔液〕的性质及其选用一、液压油〔液〕的种类常用的液压油〔液〕可分为两大类：石油基液压油抗燃液压液除此之外还有一些专用液压油，另外，也有的舰船液压系统直接以海水或淡水为工作介质。液压油〔液〕的牌号是以粘度的大小来划分的。标称粘度等级是用40ºC时的运动粘度中心值的近似值表示，单位为mm2/s。液压油〔液〕代号例如：L-HM32含义:L—润滑剂类；H—液压油〔液〕组；M—防锈、抗氧和抗磨型；32—粘度等级为32mm2/s。二、液压油〔液〕应具备的性质1.适当的粘度2良好的温粘特性3良好的化学稳定性4良好的防腐蚀性和抗燃、防爆性。5良好的润滑性能。6对人体无害，对环境无污染，本钱低。三、液压油〔液〕的选用根据：〔1〕液压系统的工作压力〔2〕环境温度〔3〕运动速度〔4〕液压泵的类型第三节流体静力学流体静力学是研究平衡流体的力学规律及其在工程技术上的应用。所谓“流体是静止的〞或“流体处于平衡状态〞，指的是流体内部流体质点间没有相对运动而言，至于盛装流体的容器，不管它是静止的或是运动的，都没有关系。平衡流体互相之间没有相对运动，因而流体粘性在平衡状态下不起作用。所以，流体静力学所得的结论，对理想流体或实际粘性流体都适用。一、流体静压力平衡流体在单位面积上所受到的沿内法线方向上的法向作用力称为流体静压力。静压力在物理学中那么称为静压强。二、流体静压力的性质1.流体静压力总是指向承压面的内法线方向。2.平衡流体中任一点所受到的压力在各个方向上都相等。三、平衡流体上的作用力分为两种：质量力和外表力1.质量力是与流体微团质量大小有关，并且集中作用在流体微团质量中心上的力。2.外表力是一种大小与外表面积有关，而且分布作用在流体外表上的力。外表力按其作用方向可以分为两种：一种是沿外表切向的摩擦力；一种是沿外表内法线方向的法向作用力。四、重力场中的平衡流体帕斯卡原理五、静压力的计算标准有两种：绝对压力和相对压力。以绝对零压力〔即绝对真空〕为标准所表示的压力，称为绝对压力。以当地大气压力为标准所表示的压力，称为相对压力。绝对压力与相对压力之间的关系见图第三节流体静力学六、平衡流体对固体壁面的作用力流体静压力对固体平面的作用力F=pA第四节流体动力学根底•流体动力学•研究流体流动时的运动规律、能量转换和流动液体对固体壁面的作用力等问题。一、流体运动的描述方法•1、拉格朗日法和质点系•这种方法是研究流场中每一个流体质点的运动规律，然后，综合所有的流体质点的运动情况，便可得到整个流场的运动规律。•2、欧拉法和控制体•欧拉法着眼的是流经某个固定空间位置的不同流体质点的运动参数随时间的变化规律，综合所有空间点，便可得到整个流场的变化。•因一般情况下，在同一空间点上的流体质点在不同时刻的运动参数是不同的，同一时刻，在不同空间点上的流体质点的运动参数也是不同的，所以，流体质点的运动参数即是空间坐标的函数，也是时间的函数。即二、流体运动的根本概念•1、物理量的质点导数•运动中的流体质点的某物理量〔如速度、压强、密度、温度、动量、动能等等〕的质点导数是指其对时间的变化率，即•质点的物理量可以是压强、密度、温度，也可以是流体运动的速度。对速度来说，有可见，速度这个物理量的质点导数就是流体质点的加速度二、流体运动的根本概念2、定常场和均匀场如果流体质点的运动参数不随时间而变化，这样的流动称为定常流动或恒定流动，相应的流场称为定常流场或简称为定常场。•如果流场中流体质点的运动参数不随空间位置的变化而变化，或者说整个流场中流体质点的各物理量均相同，这样的流动称为均匀流，其流场称为均匀流场或简称为均匀场。•3、迹线和流线•迹线是流体质点在空间运动时的轨迹•流线是在流场中某一瞬时绘出的一条曲线，在该曲线上各点的速度矢量与这条曲线相切。•4、一维流动•将运动参数仅表示为一个坐标的函数的流动称为一维流动或一元流动。5、流量和平均流动速度•流量:Q单位时间内流过某一控制面的流体体积称为该控制面的流量。其单位为m3/s。•平均流速:在很多流体运动规律的研究和实际工程计算中，往往并不需要了解通流断面上每一点的流体流动速度，而只要知道该通流断面上流体流速的平均值就可以了，这个平均值称为平均流速。假设以v表示平均流速，那么有三、流体运动根本方程•描述流体运动过程中其根本物理量〔如质量、压强、速度、动量、动能等〕变化规律的数学表达式就是流体运动的根本方程。它是物理根本定律〔如质量守恒定律、能量守恒定律等〕在流体运动上的具体应用，也是研究流体运动规律的根底。三、流体运动根本方程•1、流量连续方程•2、理想流体的运动微分方程•3、理想流体的伯努利方程•4、不可压粘性流体的伯努利方程•5、定常场中不可压粘性流体的动量方程1、流量连续方程一元定常流动的流量连续方程为：••对不可压缩流体来说，由于是常数，其一元流动的连续方程为：•2、理想流体的运动微分方程理想流体的运动微分方程实际上是牛顿第二定律在理想流体动力学问题上的具体应用，因此，从牛顿第二定律出发就可方便地将方程导出。•对于定常流动，因，所以有3、理想流体伯努利方程•1〕沿流线的伯努利方程•对于同一流线上的任意两点，有•该式称为理想不可压缩流体沿流线定常流动的伯努利方程，简称伯努利方程。•〔2〕总流的伯努利方程•4、不可压粘性流体的伯努利方程•重力作用下不可压缩粘性流体作定常流动时总流的伯努利方程为•5、定常场中不可压粘性流体的动量方程•由理论力学知道，质点系的动量定理为：作用于质点系上的所有外力的矢量和等于质点系的动量对时间的导数，即•这就是最常用一维定常不可压缩流体流动的动量方程式。Β=1第四节管道中液流的特性►一、流态、雷诺数►流态：层流和紊流►用雷诺数来判别►雷诺数：Re=υd/v►v--为运动粘度►临界雷诺数：Recr=2300〔金属圆管，由实验测定〕►当Re<Recr时：液流为层流►当Re≥Recr时：液流为紊流►二、圆管层流►Q=Πd4ΔP/128μL►三、圆管紊流►流量和压力都是脉动的，大小、方向都随时间变化。►四、压力损失：►沿程压力损失和局部压力损失►1、沿程压力损失：液体在等直径管路中流动时，因摩擦而产生的压力损失。►ΔP=λ·ι/d·ρυ2/2►式中：λ--沿程阻力系数；υ--液体的平均流速度；ρ--液体的密度；ι—管的长度；d—管的直径►层流时：λ=64/Re；►紊流时：λ与Re大小、管壁的外表粗糙度有关。►2、局部压力损失：是由于管道截面的突然变化，液流方向改变或其它形式的液流阻力而引起的压力损失。►ΔP=ξ·ρυ2/2►ξ——局部阻力系数，可通过查资料获得。第五节孔口流动►根据粘性流体伯努利方程和流量连续方程推出：►薄壁小孔—ι/d≤0.5；►短孔—0.5<ι/d≤4►►►Cd—流量系数；►ΔP=P1-P2—孔口前后的压力差►细长孔—ι/d>4►〔圆管层流公式〕第五节气穴现象►气穴现象：在流动的液体中，因某点处的压力低于空气别离压而使气泡产生的现象。►危害：使液压装置产生噪声和振动，使金属外表受到腐蚀。►减小气穴现象的措施：主要是防止液压系统中的压力过速降低，具体措施如下：►1、减小阀孔前后的压力差，一般希望阀孔前后的压力比p1/p2<3.5。►2、正确设计和使用液压泵。►3、提高零件的抗气蚀能力：增加零件的机械强度，采用抗腐蚀能力强的金属材料，减小零件外表粗糙度等。第六节液压冲击►一、液压冲击概念►在液压系统中，当管道中的阀门突然关闭或开启时，管内液体压力发生急剧交替升降的波动过程，称为液压冲击。►直接液压冲击：当管道中的阀门突然关闭时，阀门处的压力急剧上升，出现峰值，可能使液压元件和管道损坏，并伴有巨大的振动和噪声。当管道中的阀门突然开启时，那么使压力突然下降。这种开闭所引起的冲击，叫做直接液压冲击。►间接液压冲击：如果阀门不是突然开闭，即其开闭时间t大于tc，那么峰值压力较低，危害性也较小。这种情况下出现的冲击称为间接液压冲击。►其中：tc=2L/c►式中：L—从阀门到较大容腔处的管长；►c—压力波在管中的传播速度。►二、液压冲击的危害►出现液压冲击时，液体中的瞬时峰值压力可以比正常工作压力大好几倍。虽然峰值压力比管道的破坏压力要小得多，但由于压力增长极快，足以使密封装置、管道或其它液压元件损坏。液压冲击还会使工作机械引起振动，产生很大噪声，影响工作质量。有时，液压冲击使某些元件〔如阀、压力继电器等〕产生误动作，导致设备破坏。►三、液压冲击产生的原因►1、由管内液流流速突变引起的液压冲击；►2、由运动部件制动所产生的液压冲击。►