液压第三章液压流体力学精.ppt

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1、液压第三章液压流体力学第1页，本讲稿共39页液压流体力学基础定义：流体力学是研究流体平衡、运动以及与固体相互作用规律的力学分支。流体力学可分为：液压流体力学是流体力学的一个分支，其特征主要为：1.工作介质是油液；2.流体被封闭在管道中或者容器中，受到固体表面的约束；液压流体力学是液压传动的理论基础。第2页，本讲稿共39页第一节 液体静力学一、流体和作用在流体上的力 液体是由分子组成，分子之间实际上是不连续的。1753年，瑞典学者欧拉提出“连续介质的模型”：将流体看成是充满所在空间，彼此之间没有空隙存在的无数质点组成的连续体。“连续介质的模型”的两大贡献：1.着眼于宏观运动，摆脱了复杂的微观分子

2、运动；2.能利用连续函数的数学工具，将流体参数如、p都可看成是将和空间的连续函数。“连续介质的模型”在有些情况下是不适用的：例如稀薄气体的流动问题第3页，本讲稿共39页一、压力及其性质在液体上取一个分离体，则作用在该分离体上的力有：在国际单位制中：压力的计量单位是帕斯卡(Pa)（N/m2）在工程单位制中：压力的计量单位是工程大气压(kgf/cm2)、毫米水柱（mmH2O）换算关系：1Pa=1.0210-5(kgf/cm2)=10-5 bar =0.102 mmH2O =0.0075 mmHg第4页，本讲稿共39页二、重力作用下静止流体中的压力分布若要求出离液面深度为h处的压力p,则取分离体，建

3、立平衡方程由上式可知1.静止液体内任一点处的压力由两部分组成：一部分是液体表面的压力，另一部分是2.压力随液体深度呈直线规律分布。深海潜水为什么困难？3.离液面深度相同的处各点的压力处处相等。等压面第5页，本讲稿共39页三、压力的表示方法如果绝对压力大于大气压力，称为表压力；如果绝对压力小于大气压力，其差值的 绝对值称为真空度。（均为正值）例如某点真空度为 0.07MPa,则该点绝对压力为 0.1MPa-0.07 MPa=0.03MPa例3-1 Enter第6页，本讲稿共39页四 帕斯卡原理帕斯卡原理 在密闭容器内，如果外加压力发生变化，只要液体仍保持原来的静止状态不变，则液体中任一点的压力遵

4、循式（3-2）规律发生同样大小的变化。举例如图3-4，为一连通器。可见，压力取决于负载。假设F1=0(没有负载，也不考虑自重)，则无论怎样推水平缸，也不会建立压力。第7页，本讲稿共39页五、液体静压力作用在固体壁面上的力如前述，静止液体的质量压力H比液面压力Po要小很多，通常忽略不计，认为液体中压力处处相等。如果是平面，其承压的公式为：如果是曲面，(例如求某曲面上总的受力在某方向上的分力为多少）承压公式仍然等于pA。例如：求液体压力在半缸体x方向上的分力Fx解：解：第8页，本讲稿共39页结论 液体压力作用在曲面指定方向的分力，等于压力与该曲面在该方向上投影面积的乘积。实例：如图，液体压力P作用

5、在球阀或锥阀底部垂直方向的作用力F,等于液体压力P与承压面在垂直方向投影面积的乘积。第9页，本讲稿共39页第二节 流体动力学一、液体流动的概念1.理想流体与实际流体Enter.2.恒定流动与非恒定流动Enter.3.一维流动Enter.4.流域和流场Enter.5.流线和流束Enter.6.过流截面、流量、平均流速Enter.第10页，本讲稿共39页（三大方程）二、连续性方程进入.连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的一种表达方式。三、伯努利方程进入.伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的具体应用。四、动量方程进入.动量方程是动量定理在流体力学中的具体应用。第11页，本讲稿共39页第三节 管道

6、中液流的特性一、液体的流动状态Enter.二、直管中流动的压力损失Enter.三、局部压力损失Enter.第12页，本讲稿共39页第四节 孔口和缝隙液流一、圆形小孔流动Enter.1.细长小孔 2.薄壁小孔 3.短管二、平行缝隙流动（推导略）三、倾斜缝隙流动（推导略）补充：缝隙流在滑阀中的应用Enter-本章结束-第13页，本讲稿共39页第三章作业1.层流与紊流有什么区别？2.什么是气穴现象？对液压系统有什么危害？3.什么是液压冲击？对液压系统有什么危害？4.液压卡紧现象产生的原因是什么？解决办法有哪几种？5.如图液压站，油泵流量为 q=25L/min，吸油管直径d=25mm，吸油高度h=0.

7、5m,油的运动粘度 ，工作温度为50，若仅考虑吸油管内的沿程阻力损失，问泵内的真空度等于多少？（提示：先求出雷诺数，计算沿程阻力损失，再根据伯努利方程求解）第14页，本讲稿共39页1.理想流体与实际流体n理想流体：无粘性，不可压缩的流体n实际流体：有粘性，有压缩性的流体液体流动时，粘性的影响是很大的。但是这个问题非常复杂。工程上采用的方法是：开始分析时假设流体没有粘性，然后再考虑粘性的作用并通过实验对理想结论进行修正。第15页，本讲稿共39页2.恒定流动与非恒定流动n恒定流动（也称定常流动、非时变流动、稳定流动）：液体在空间任意点的物理参量如压力、流速、密度等，都不随时间变化而变化。n非恒定流

8、动（也称非定常流动、时变流动、非稳定流动）：只要有一个物理参量随时间而变化，就称为非恒定流动。在液压系统中，一般静态分析时，可以认为流体是恒定流动；作动态分析时，必须按实际情况考虑，也就是按非恒定流动考虑问题。第16页，本讲稿共39页3.一维流动l 选择合适的坐标，使得流动参量只是一个坐标的函数，就称为一维流动；l 如果是2个或3个坐标的函数，就称为二维流动和三维流动；实际流体在三维空间流动，很难出现真正意义上的一维流动。工程上常把封闭容器内液体的流动按一维流动处理，再通过实验数据来修正。第17页，本讲稿共39页4.流域和流场n流域：充满流动液体的空间区域；n流场：若流域中每个空间点上都有确定

9、的流速向量和压力，这个流域就称为流场。第18页，本讲稿共39页5.流线和流束流线：某一时刻在流场中标志各点运动状态的曲线。曲线上各点的切线就是该点的流速方向；由于任一时刻，液体中每一点只有一个速度，因此流线不可能相交。恒定流动中，流线的形状不随时间而变。流束：存在一个面积A,通过A各点的流线的集合就是流束。当A趋向于0 时,这个流束就称为微小流束.第19页，本讲稿共39页6.过流截面、流量、平均流速过流截面：n与流束中所有流线正交的面称为过流截面。n可能是平面（如B），也可能是曲面（如A）；n实际中通常把垂直于运动方向的平面定为过流截面。流量q：n单位时间内流过过流截面的液体体积称为流量。n平

10、均流速：假如过流截面上各点都具有相等的流速V，则有第20页，本讲稿共39页1.动力粘度 牛顿内摩擦定律：或者式中：Ff-相邻两层流体内摩擦力 -动力粘度，为常数成为牛顿流体，为变数为非牛顿流体。的单位为Pa.sdu/dy-速度梯度，即层间速度差异的程度2.运动粘度 运动粘度 单位：m2/s3.相对粘度:有恩氏粘度、赛氏粘度、雷氏粘度等恩氏粘度：在50温度下，将200 cm3体积的被测流体装入恩氏粘度计，测定其流过恩氏粘度计度底部2.8mm小孔的时间T1;同样方法测得蒸馏水在20 条件下流过同一个恩氏粘度计的时间T2,其比值就是恩氏粘度：恩氏粘度无量纲第21页，本讲稿共39页一、液体的流动状态流

11、体在管道中的流动有两种状态：层流：流体质点平行运动，没有横向位移；紊流：除了有平行运动，还有横向位移；判别方式-雷诺数(无因次量)第22页，本讲稿共39页二、直管中流动的压力损失(沿程阻力损失).理想流体在管道中流动时，在管道截面上流体质点的流动速度是相同的。.实际流体由于受到粘性的影响，分布规律如图示。紊流时的沿程阻力系数查表获得Enter.：第23页，本讲稿共39页三、局部阻力损失定义：液流流经弯头、接头、突变截面及阀口、滤网等局部装置时，发生强烈紊动并产生漩涡，由此造成的压力损失称为局部阻力损失。局部阻力损失一般通过实验确定。计算时用以下公式。第24页，本讲稿共39页 查表获得阻力系数沿

12、程阻力系数可查表获得。紊流时，根据管壁相对表面粗糙度和雷诺数查得。第25页，本讲稿共39页圆形小孔流动1.薄壁小孔:l/d 0.5 2.细长小孔:l/d 4 3.短管:0.5 l/d 4第26页，本讲稿共39页缝隙流在滑阀中的应用B图中，小端对着高压侧，不平衡力有利于减小偏心，AC图中，不平衡力造成偏心更严重解决措施：均压槽Enter、颤振信号，尽量小端朝高压侧第27页，本讲稿共39页均压槽第28页，本讲稿共39页1.连续性方程取一控制体V，如上图，其内部液体的质量为m,单位时间内流入和流出的质量流量为qm1和qm2，根据质量守恒定律，有这就是液流的连续性方程。如果液体在不等截面的管道内流动，

13、如下图：取截面1和截面2之间的管道部分为控制体。假设1.控制体积不随时间变化，即dV/dt=0 2.恒定流动下密度不随时间变化，即d/dt=0代入上式，等号右边等于0，即第29页，本讲稿共39页2.动量方程如图，CV为控制体，CS为控制体表面取控制体，分析作用在其上的合外力以及流入流出控制体表面的流体动量变化之间的关系如果流体为稳定一元流动而且不可压缩，则有：p物理意义：流体所受到的合外力等于流体动量变化率；q流体从控制体流出和流入时，由于控制面上各点的流速不同而产生动量变化率；q因为是稳定流动，所以瞬态液动力可以不考虑，仅仅计算稳态液动力；q可以采用平均流速代替实际流速，引起误差可采用系数予

14、以修正；（实际应用时由于误差不大，系数 可取1）实例1进入.实例2进入.第30页，本讲稿共39页3.伯努利方程 如果流体作稳定流动且不考虑粘性（不考虑流动阻力），那么，任意截面的总比能（比压能、比动能、比位能）不变，且可以相互转化。伯努利方程的几何意义Enter.伯努利方程的物理意义Enter.伯努利方程的应用实例1-毕托管问题Enter.伯努利方程的应用实例2-液压泵的吸油问题Enter.伯努利方程的应用实例3-文丘里流量计问题Enter第31页，本讲稿共39页实例1-锥阀受力分析求作用在阀芯上的力取控制体(锥阀下点划线内部分)其上受力：1.下面液体对控制体的力：pA,方向向上；2.阀芯对控

15、制体的力：F,方向向下;建立y方向(轴向)动量方程:式中 为稳态液动力,其方向总是朝着阀芯关闭的方向.第32页，本讲稿共39页实例2-液体射流作用在挡板上的力 已知射流流量q,射流平均流速V1,求射流作用在挡板上的力.解:取abcdef为控制体.其上受力:1.在ab、cd、ef截面上仅受大气压力，表压力为0；2.在de面上受到挡板阻力F(与所求力等值反向)第33页，本讲稿共39页伯努利方程的几何意义伯努利方程的几何意义：截面1的总水头等于截面2的总水头加上从截面1到截面2的损失水头。如果不考虑液体粘性，则任意截面的总水头相等（恒为一条直线）。第34页，本讲稿共39页伯努利方程的物理意义第35页

16、，本讲稿共39页伯努利方程的应用实例1-毕托管毕托管：一种测量管道或槽中流体速度的仪器。在管口内管口外取点1点2，且点1、2在同一水平面。若不计损失，列出点1点2的伯努力方程：第36页，本讲稿共39页伯努利方程的应用实例2-吸油问题求吸油口处的真空度。列出1-1和2-2的伯努利方程：第37页，本讲稿共39页伯努利方程应用之三-文丘里流量计如图建立1-1、2-2截面的伯努利方程、连续性方程和压力平衡方程：第38页，本讲稿共39页例3-1图3-3示一容器内充满油液，活塞上的力为F=1000N,活塞面积A=110-3m2，问活塞下方深度为h=0.5m处的压力等于多少？（油液密度900Kg/m3）可见，液体在受压情况下，其液柱高度引起的那部分压力gh相当小，可以忽略不计。可以认为压力几乎处处相等。（下节就采用了这个假定）。第39页，本讲稿共39页