管道流动、孔口流动与缝隙流动.pptx

华中科技大学管道流动管道流动孔口流动孔口流动 缝隙流动缝隙流动华中科技大学管道流动管道流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，因此液体流动时必然会产生阀口会产生撞击和旋涡，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。压力损失由沿程压力损失和局部压力损失两部分组成。压力损失由沿程压力损失和局部压力损失两部分组成。液流在管道中流动时的压力损失和液流运动状态有关液流在管道中流动时的压力损失和液流运动状态有关。n流态、雷诺数流态、雷诺数n沿程压力损失沿程压力损失n局部压力损失局部压力损失华中科技大学流态，雷诺数流态，雷诺数n雷诺实验装置雷诺实验装置华中科技大学n通过实验发现液体在管道中流动时存在两种流动状态。通过实验发现液体在管道中流动时存在两种流动状态。n层流层流粘性力起主导作用粘性力起主导作用n紊流紊流惯性力起主导作用惯性力起主导作用n液体的流动状态用雷诺数来判断。液体的流动状态用雷诺数来判断。n雷诺数雷诺数Re=v d/，nv 为管内的平均流速为管内的平均流速nd 为管道内径为管道内径n为液体的运动粘度为液体的运动粘度n雷诺数为无量纲数。雷诺数为无量纲数。如果液流的雷诺数相同，它的流动状态亦相同。如果液流的雷诺数相同，它的流动状态亦相同。n一般以液体由紊流转变为层流的雷诺数作为判断液体一般以液体由紊流转变为层流的雷诺数作为判断液体流态的依据，称为临界雷诺数，记为流态的依据，称为临界雷诺数，记为Recr。当当ReRecr，为层流；当，为层流；当ReRecr，为紊流。，为紊流。n常见液流管道的临界雷诺数见书中表格。常见液流管道的临界雷诺数见书中表格。华中科技大学沿程压力损失沿程压力损失 液体在等直径管中流动时因摩擦而产生的损失，称为沿程压力液体在等直径管中流动时因摩擦而产生的损失，称为沿程压力损失。因液体的流动状态不同沿程压力损失的计算有所区别。损失。因液体的流动状态不同沿程压力损失的计算有所区别。n层流时的层流时的沿程压力损失沿程压力损失：n通流截面上的流速在半径方向按抛物线规律分布通流截面上的流速在半径方向按抛物线规律分布。n通过管道的流量通过管道的流量 q=（d 4/128l）pn管道内的平均流速管道内的平均流速 v=(d 2/32l)p n沿程压力损失沿程压力损失 p=（64/Re)(l/d)v 2/2 =（l/d）v 2/2 为沿程阻力系数，实际计算时对金属管取为沿程阻力系数，实际计算时对金属管取=75/Re。n紊流时的紊流时的沿程压力损失沿程压力损失：n p=（l/d）v 2/2n除了与雷诺数有关外，还与管道的粗糙度有关。除了与雷诺数有关外，还与管道的粗糙度有关。=f（Re，/d），），为管壁的绝对粗糙度，为管壁的绝对粗糙度，/d 为相对粗糙度。为相对粗糙度。华中科技大学局部压力损失局部压力损失n液体流经管道的弯头、接头、阀口等处时，液体流液体流经管道的弯头、接头、阀口等处时，液体流速的大小和方向发生变化，会产生漩涡并发生紊动速的大小和方向发生变化，会产生漩涡并发生紊动现象，由此造成的压力损失称为局部压力损失。现象，由此造成的压力损失称为局部压力损失。np=v 2/2为局部阻力系数，具体数值可查有关手册。为局部阻力系数，具体数值可查有关手册。n液流流过各种阀的局部压力损失可由阀在额定压力液流流过各种阀的局部压力损失可由阀在额定压力下的压力损失下的压力损失ps来换算：来换算：np=ps（q/qs）2n整个液压系统的总压力损失应为所有整个液压系统的总压力损失应为所有沿程压力损失沿程压力损失和所有的局部压力损失之和。和所有的局部压力损失之和。np=p+p华中科技大学孔口流动孔口流动n在液压元件特别是液压控制阀中，对液流压力、流量及在液压元件特别是液压控制阀中，对液流压力、流量及方向的控制通常是通过特定的孔口来实现的，它们对液方向的控制通常是通过特定的孔口来实现的，它们对液流形成阻力，使其产生压力降，其作用类似电阻，称其流形成阻力，使其产生压力降，其作用类似电阻，称其为液阻。为液阻。“孔口流动孔口流动”主要介绍孔口的流量公式及液阻特主要介绍孔口的流量公式及液阻特性。性。n薄壁小孔薄壁小孔 当长径比当长径比 l/d 0.5 时称为薄壁小孔，一时称为薄壁小孔，一般孔口边缘都做成刃口形式。般孔口边缘都做成刃口形式。n 当液流经过管道由小孔流出时，由于液体惯性作用，使通过小当液流经过管道由小孔流出时，由于液体惯性作用，使通过小孔后的液流形成一个收缩断面，然后再扩散，这一收缩和扩散孔后的液流形成一个收缩断面，然后再扩散，这一收缩和扩散过程产生很大的能量损失。过程产生很大的能量损失。对孔前、孔后通道断面对孔前、孔后通道断面11、22列伯努利方程，其中的压力损失包括突然收缩和突然扩大两列伯努利方程，其中的压力损失包括突然收缩和突然扩大两项损失。项损失。n 薄壁小孔液流薄壁小孔液流 华中科技大学n 经整理得到流经薄壁小孔流量经整理得到流经薄壁小孔流量 q=CdAo（2p/）1/2n A0小孔截面积；小孔截面积；nCd流量系数，流量系数，Cd=CvCc Cv称为速度系数称为速度系数；Cc称为截面收缩系数。流量系数称为截面收缩系数。流量系数Cd的大小一般由实验确定，在液流完全收缩的情的大小一般由实验确定，在液流完全收缩的情况下，当况下，当Re10 5时，可以认为是不变的常数，时，可以认为是不变的常数，计算时按计算时按Cd=0.600.61 选取选取 薄壁小孔因沿程阻力损失小，薄壁小孔因沿程阻力损失小，q 对油温变化不敏感，对油温变化不敏感，因此多被用作调节流量的节流器。因此多被用作调节流量的节流器。华中科技大学n滑阀阀口滑阀阀口n滑阀阀口可视为薄壁小孔，流经阀口的流量为滑阀阀口可视为薄壁小孔，流经阀口的流量为 qCdDxv(2p/)1/2n式中式中 Cd流量系数，根据雷诺数查图流量系数，根据雷诺数查图120 D滑阀阀芯台肩直径滑阀阀芯台肩直径 xv阀口开度，阀口开度，xv24mmn 锥阀阀口锥阀阀口n 锥阀阀口与薄壁小孔类似，流经阀口的流量为锥阀阀口与薄壁小孔类似，流经阀口的流量为 qCddmxvsin(2p/)1/2n 式中式中Cd流量系数，根据雷诺数查图流量系数，根据雷诺数查图122 dm阀座孔直径阀座孔直径 xv阀芯抬起高度阀芯抬起高度 阀芯半锥角阀芯半锥角华中科技大学n短孔和细长孔短孔和细长孔n当长径比当长径比 0.5 l/d 4 时，称为短孔。时，称为短孔。n流经短孔的流量流经短孔的流量 q=CdA0(2p/)1/2nCd 应按曲线查得，雷诺数较大时，应按曲线查得，雷诺数较大时，Cd基本稳定在基本稳定在0.8 左右。短管左右。短管常用作固定节流器。常用作固定节流器。n当长径比当长径比 l/d 4 时，称为细长孔。时，称为细长孔。n流经细长孔的流量流经细长孔的流量 q=（d 4/128l）p 液流经过细长孔的流量和孔前后压差成正比，和液体粘度成反比。液流经过细长孔的流量和孔前后压差成正比，和液体粘度成反比。n流量受液体温度影响较大。流量受液体温度影响较大。n液阻液阻n定义孔口前后压力降与稳态流量的比值为液阻，即在稳态下，定义孔口前后压力降与稳态流量的比值为液阻，即在稳态下，它与流量变化所需要的压差变化成正比。它与流量变化所需要的压差变化成正比。R=d(p)/dq=p1-m/KLAmn液阻的特性：液阻的特性：nR与通流面积与通流面积A成反比，成反比，A=0，R为无限大；为无限大；A足够大时，足够大时，R0。np一一定，调节定，调节A，可以改变，可以改变R，从而调节流经孔口的流量。，从而调节流经孔口的流量。nA一定，改变一定，改变q，p 随之改变，这种液阻的阻力特性用于压力控随之改变，这种液阻的阻力特性用于压力控制阀的内部控制。制阀的内部控制。n多个孔口串联或并联，总液阻类似电阻的计算。多个孔口串联或并联，总液阻类似电阻的计算。华中科技大学缝隙流动缝隙流动通过平板缝隙的流量通过平板缝隙的流量 q=b h 3p/12l u ob h/2在压差作用下，流量在压差作用下，流量q 与与 缝隙值缝隙值h 的三次方成正比，的三次方成正比，这说明液压元件内缝隙的大小对泄漏量的影响非常大。这说明液压元件内缝隙的大小对泄漏量的影响非常大。平板缝隙平板缝隙 两平行平板缝隙间充满液体两平行平板缝隙间充满液体时，压差作用会使液体产生时，压差作用会使液体产生流动（压差流动）；两平板流动（压差流动）；两平板相对运动也会使液体产生流相对运动也会使液体产生流动（剪切流动）动（剪切流动）。华中科技大学环形缝隙环形缝隙n通过同心圆柱环形缝隙的流量公式：通过同心圆柱环形缝隙的流量公式：q=（d h 3/12l）p d h uo/2 当圆柱体移动方向和压差方向相同时取正号，当圆柱体移动方向和压差方向相同时取正号，方向相反时取负号。方向相反时取负号。相对运动的圆柱体与相对运动的圆柱体与孔之间的间隙为圆柱环孔之间的间隙为圆柱环形间隙。根据两者是否形间隙。根据两者是否同心又分为同心圆柱环同心又分为同心圆柱环形间隙和偏心环形间隙。形间隙和偏心环形间隙。通过其间的流量也包括通过其间的流量也包括压差流动流量和剪切流压差流动流量和剪切流动流量。设圆柱体直径动流量。设圆柱体直径为为d，缝隙值为，缝隙值为h，缝隙，缝隙长度为长度为 l。华中科技大学 设内外圆的偏心量为设内外圆的偏心量为 e，流经偏心圆柱环形缝隙，流经偏心圆柱环形缝隙的流量公式：的流量公式：q=（d ho3/12l）p（1+1.5 2）式中式中 ho为内外圆同心时半径方向的缝隙值为内外圆同心时半径方向的缝隙值 为为相对偏心率，相对偏心率，e/ho 当偏心量当偏心量e=ho，即即1 时（最大偏心状态）时（最大偏心状态），其通过的流量是同心环，其通过的流量是同心环形间隙流量的形间隙流量的2.5 倍。倍。因此在液压元件中应尽量因此在液压元件中应尽量使配合零件同心。使配合零件同心。华中科技大学圆锥环形缝隙的流量圆锥环形缝隙的流量 及液压卡紧现象及液压卡紧现象n当柱塞或柱塞孔，阀芯或当柱塞或柱塞孔，阀芯或阀体孔带有一定锥度时，阀体孔带有一定锥度时，两相对运动零件之间的间两相对运动零件之间的间隙为圆锥环形间隙，间隙隙为圆锥环形间隙，间隙大小沿轴线方向变化。大小沿轴线方向变化。n阀芯大端为高压，液流由阀芯大端为高压，液流由大端流向小端，称为倒锥，大端流向小端，称为倒锥，阀芯小端为高压，液流由阀芯小端为高压，液流由小端流向大端，称为顺锥。小端流向大端，称为顺锥。n 阀芯存在锥度不仅影响流经间隙的流量，而且影响缝隙中的阀芯存在锥度不仅影响流经间隙的流量，而且影响缝隙中的压力分布。压力分布。n 如果阀芯在阀体孔内出现偏心，作用在阀芯一侧的压力将大如果阀芯在阀体孔内出现偏心，作用在阀芯一侧的压力将大于另一侧的压力，使阀芯受到一个液压侧向力的作用。于另一侧的压力，使阀芯受到一个液压侧向力的作用。华中科技大学液压卡紧现象液压卡紧现象倒锥的液压侧向力使偏心距加大，当液压侧向力倒锥的液压侧向力使偏心距加大，当液压侧向力足够大时，阀芯将紧贴孔的壁面，产生所谓液压足够大时，阀芯将紧贴孔的壁面，产生所谓液压卡紧现象；而顺锥的液压侧向力则力图使偏心距卡紧现象；而顺锥的液压侧向力则力图使偏心距减小，不会出现液压卡紧现象。减小，不会出现液压卡紧现象。为减少液压侧向力，一般在阀芯或柱塞的圆柱面为减少液压侧向力，一般在阀芯或柱塞的圆柱面开径向均压槽，使槽内液体压力在圆周方向处处开径向均压槽，使槽内液体压力在圆周方向处处相等，槽深和宽为相等，槽深和宽为0.31.0mm。华中科技大学液压冲击液压冲击n液压冲击液压冲击因某些原因液体压力在一瞬间会因某些原因液体压力在一瞬间会突然升高，产生很高的压力峰值突然升高，产生很高的压力峰值，这种现象，这种现象称为液压冲击。瞬间压力冲击不仅引起振动称为液压冲击。瞬间压力冲击不仅引起振动和噪声，而且会损坏密封装置、管道、元件，和噪声，而且会损坏密封装置、管道、元件，造成设备事故。造成设备事故。n液压冲击的类型液压冲击的类型 n管道阀门突然关闭时的液压冲击管道阀门突然关闭时的液压冲击n运动部件制动时产生的液压冲击运动部件制动时产生的液压冲击华中科技大学n减少液压冲击的措施：减少液压冲击的措施：n延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间。延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间。n限制管道流速及运动部件的速度。限制管道流速及运动部件的速度。n适当增大管径，以减小冲击波的传播速度。适当增大管径，以减小冲击波的传播速度。n尽量缩短管道长度，减小压力波的传播时尽量缩短管道长度，减小压力波的传播时间。间。n用橡胶软管或设置蓄能器吸收冲击的能量。用橡胶软管或设置蓄能器吸收冲击的能量。华中科技大学气穴现象气穴现象 气穴现象气穴现象液压系统中，某点压力低于液压油液所在液压系统中，某点压力低于液压油液所在温度下的空气分离压时，原先溶于液体中的空气会分离出温度下的空气分离压时，原先溶于液体中的空气会分离出来，使液体产生大量的气泡，这种现象称为气穴现象。当来，使液体产生大量的气泡，这种现象称为气穴现象。当压力进一步减小低于液体的饱和蒸汽压时，液体将迅速汽压力进一步减小低于液体的饱和蒸汽压时，液体将迅速汽化，产生大量蒸汽气泡使气穴现象更加严重。气穴现象多化，产生大量蒸汽气泡使气穴现象更加严重。气穴现象多发生在阀口和泵的吸油口。发生在阀口和泵的吸油口。气穴现象的危害气穴现象的危害 大量气泡使液流的流动特性变坏，造大量气泡使液流的流动特性变坏，造成流量和压力不稳定；气泡进入高压区，高压会使气泡迅成流量和压力不稳定；气泡进入高压区，高压会使气泡迅速崩溃，使局部产生非常高的温度和冲击压力，引起振动速崩溃，使局部产生非常高的温度和冲击压力，引起振动和噪声；当附着在金属表面的气泡破灭时，局部产生的高和噪声；当附着在金属表面的气泡破灭时，局部产生的高温和高压会使金属表面疲劳，时间一长会造成金属表面的温和高压会使金属表面疲劳，时间一长会造成金属表面的侵蚀、剥落，甚至出现海绵状的小洞穴，这种气蚀作用会侵蚀、剥落，甚至出现海绵状的小洞穴，这种气蚀作用会缩短元件的使用寿命，严重时会造成故障。缩短元件的使用寿命，严重时会造成故障。华中科技大学 减少气穴现象的措施减少气穴现象的措施 1、减小阀孔前后的压力降，一般使压力比减小阀孔前后的压力降，一般使压力比p1/p23.5。2、尽量降低泵的吸油高度，减少吸油管道阻力。、尽量降低泵的吸油高度，减少吸油管道阻力。3、各元件联接处要密封可靠，防止空气进入。、各元件联接处要密封可靠，防止空气进入。4、增强容易产生气蚀的元件的机械强度。、增强容易产生气蚀的元件的机械强度。