流体力学A全解课件.ppt

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1、华中科技大学液压流体力学液压流体力学n液体静力学液体静力学 研究液体在静止状态下的力学规律及其应研究液体在静止状态下的力学规律及其应用用n液体动力学液体动力学 研究液体流动时流速和压力的变化规律研究液体流动时流速和压力的变化规律n管道中液流的特性管道中液流的特性 用于计算液体在管路中流动时的压用于计算液体在管路中流动时的压力损失力损失n孔口及缝隙的压力流量特性孔口及缝隙的压力流量特性 是分析节流调速回路性能是分析节流调速回路性能和计算元件泄漏量的理论依据和计算元件泄漏量的理论依据n液压冲击和气穴现象液压冲击和气穴现象华中科技大学静压力及其特性静压力及其特性n液体的静压力液体的静压力n静止液体在

2、单位面积上所受的法向力称为静压力。静止液体在单位面积上所受的法向力称为静压力。p=limF/A （A0）n若在液体的面积若在液体的面积A上所受的作用力上所受的作用力F为均匀分布时，静为均匀分布时，静压力可表示为压力可表示为 p=F/A n液体静压力在物理学上称为压强，工程实际应用中习惯液体静压力在物理学上称为压强，工程实际应用中习惯称为压力。称为压力。n液体静压力的特性液体静压力的特性n 液体静压力垂直于承压面，方向为该面内法线方向。液体静压力垂直于承压面，方向为该面内法线方向。n液体内任一点所受的静压力在各个方向上都相等。液体内任一点所受的静压力在各个方向上都相等。华中科技大学静压力基本方程

3、式静压力基本方程式n静压力基本方程式静压力基本方程式 p=p0+gh n重力作用下静止液体压力分布特征重力作用下静止液体压力分布特征：n压力由两部分组成：液面压力压力由两部分组成：液面压力p0，自重形成的压力自重形成的压力gh。n液体内的压力与液体深度成正比。液体内的压力与液体深度成正比。n离液面深度相同处各点的压力相等，压力相等的所有点组成离液面深度相同处各点的压力相等，压力相等的所有点组成等压面，重力作用下静止液体的等压面为水平面。等压面，重力作用下静止液体的等压面为水平面。n静止液体中任一质点的总能量静止液体中任一质点的总能量 p/g+h 保持不变，即能量守恒。保持不变，即能量守恒。n压

4、力的表示法及单位压力的表示法及单位 绝对压力绝对压力 以绝对真空为基准进行度量以绝对真空为基准进行度量 相对压力或表压力相对压力或表压力 以大气压为基准进以大气压为基准进行度量行度量 真空度真空度 绝对压力不足于大气压力的那绝对压力不足于大气压力的那部分压力值部分压力值单位单位 帕帕 Pa(N/m2)华中科技大学 帕斯卡原理帕斯卡原理n图示是应用帕斯卡原理的实例图示是应用帕斯卡原理的实例 作用在大活塞上的负载作用在大活塞上的负载F1形成液体压形成液体压力力 p=F1/A1 为防止大活塞下降，在小活塞上应施为防止大活塞下降，在小活塞上应施加的力加的力 F2=pA2=F1A2/A1 由此可得由此可

5、得n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。n液体内的压力是由负载决定的液体内的压力是由负载决定的。在密闭容器内，施加于静止液体的压力可以等值地在密闭容器内，施加于静止液体的压力可以等值地传递到液体各点，这就是帕斯卡原理。也称为静压传传递到液体各点，这就是帕斯卡原理。也称为静压传递原理。递原理。华中科技大学静压力对固体壁面的作用力静压力对固体壁面的作用力 液体和固体壁面接触时，固体壁面将受到液体和固体壁面接触时，固体壁面将受到液体静压力的作用液体静压力的作用n当固体壁面为平面时，液体压力在该平面当固体壁面为平面时，液体压力在该平面

6、的总作用力的总作用力 F=p A ，方向垂直于该平面。方向垂直于该平面。n当固体壁面为曲面时，液体压力在曲面某当固体壁面为曲面时，液体压力在曲面某方向上的总作用力方向上的总作用力 F=p Ax，Ax 为曲面为曲面在该方向的投影面积。在该方向的投影面积。华中科技大学液体动力学基本概念液体动力学基本概念 通流截面通流截面 垂直于流动方向的截面，也称为过流截面。垂直于流动方向的截面，也称为过流截面。流量流量 单位时间内流过某一通流截面的液体体积，流量以单位时间内流过某一通流截面的液体体积，流量以q表示，单位为表示，单位为 m3/s 或或 L/min。平均流速平均流速 实际流体流动时，速度的分布规律很

7、复杂。假实际流体流动时，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，平均流速为设通流截面上各点的流速均匀分布，平均流速为v=q/A。华中科技大学流量连续性方程流量连续性方程流量连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的表达方式。流量连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的表达方式。液体在管内作恒定流液体在管内作恒定流动，任取动，任取1、2两个通流截两个通流截面，根据质量守恒定律，面，根据质量守恒定律，在单位时间内流过两个截在单位时间内流过两个截面的液体流量相等，即：面的液体流量相等，即：1v1 A1=2v2 A2 不考虑液体的压缩性则得不考虑液体的压缩性则得 q=v A=常量常量 流量连

8、续性方程说明了恒定流动中流过各截面的不可压流量连续性方程说明了恒定流动中流过各截面的不可压缩流体的流量是不变的。因而流速与通流截面的面积成缩流体的流量是不变的。因而流速与通流截面的面积成反比。反比。华中科技大学伯努利方程伯努利方程 n理想流体的伯努利方程理想流体的伯努利方程 n p1/g+Z1+v12/2g=p2/g+Z2+v22/2gn在管内作稳定流动的理想流体具有压力能，势能和动能三种形式在管内作稳定流动的理想流体具有压力能，势能和动能三种形式的能量，它们可以互相转换，但其总和不变，即能量守恒。的能量，它们可以互相转换，但其总和不变，即能量守恒。n实际流体的伯努利方程实际流体的伯努利方程

9、n p1/g+Z1+1v12/2g=p2/g+Z2+2 v22/2g+hwn实际流体存在粘性，流动时存在能量损失，实际流体存在粘性，流动时存在能量损失，h hw 为单位质量液体在为单位质量液体在两截面之间流动的能量损失。两截面之间流动的能量损失。n用平均流速替代实际流速，用平均流速替代实际流速，为动能修正系数。为动能修正系数。伯努利方程是能量守恒定伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的表达方式。律在流体力学中的表达方式。液体在管内作恒定流动，任取液体在管内作恒定流动，任取两个截面两个截面1、2，有：，有：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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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主要介绍孔口的流量公式及液阻特性。特性。n薄壁小孔薄壁小孔 当长径比当长径比

16、 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。当液流经过管道由小孔流出时，由于液体惯性作用，使通过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，这一收缩和扩散过程产生很大的能量损失。散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。两项损失。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

17、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，况下，当当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 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