第02章流体力学基础.ppt

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1、航空工程学院一、液压系统工作介质一、液压系统工作介质二、液压二、液压流体静力学三、液压流体动力学三、液压流体动力学四、管道中液流的能量损失四、管道中液流的能量损失五、孔口和缝隙流动五、孔口和缝隙流动2.1.1液压油的主要参数液压油的主要参数液压油的主要参数液压油的主要参数vv密度和重度：密度和重度：密度和重度：密度和重度：vv一般认为液压油的密度和重度是不变的，计算时一般认为液压油的密度和重度是不变的，计算时一般认为液压油的密度和重度是不变的，计算时一般认为液压油的密度和重度是不变的，计算时可用：可用：可用：可用：v液压油是液压传动的工作介质液压油是液压传动的工作介质液压油是液压传动的工作介质

2、液压油是液压传动的工作介质vv压缩性压缩性压缩性压缩性vv体积弹性模数体积弹性模数体积弹性模数体积弹性模数vv系统内混有空气时，体积弹性模数大大降低系统内混有空气时，体积弹性模数大大降低系统内混有空气时，体积弹性模数大大降低系统内混有空气时，体积弹性模数大大降低2.1.1液压油的主要参数液压油的主要参数vv粘性：粘性：粘性：粘性：流体流动时，在液体内部显示出的内摩擦力的性质。流体流动时，在液体内部显示出的内摩擦力的性质。流体流动时，在液体内部显示出的内摩擦力的性质。流体流动时，在液体内部显示出的内摩擦力的性质。vv粘度：粘度：粘度：粘度：粘度是流体在单位速度梯度下流动时产生的剪切应力，粘度是流

3、体在单位速度梯度下流动时产生的剪切应力，粘度是流体在单位速度梯度下流动时产生的剪切应力，粘度是流体在单位速度梯度下流动时产生的剪切应力，是衡量流体粘性的指标。是衡量流体粘性的指标。是衡量流体粘性的指标。是衡量流体粘性的指标。vv类型类型类型类型 动力粘度动力粘度动力粘度动力粘度 运动粘度运动粘度运动粘度运动粘度 相对粘度相对粘度相对粘度相对粘度2.1.1液压油的主要参数液压油的主要参数2.1.2粘度粘度-动力粘度动力粘度动力粘度动力粘度v动力粘度动力粘度动力粘度动力粘度2.1.2 粘度粘度-运动粘度运动粘度运动粘度运动粘度v运动粘度运动粘度运动粘度运动粘度 运动粘度没有特殊的物理意义运动粘度没

4、有特殊的物理意义运动粘度没有特殊的物理意义运动粘度没有特殊的物理意义粘度名称粘度名称单位制单位制动力粘度动力粘度运动粘度运动粘度国国 际际 制制N N s/ms/m2 2(帕帕 秒，秒，PaPa S S)m m2 2/sec/sec厘米克秒制厘米克秒制dynedyne secsec/cm/cm2 2(泊，泊，P)P)1P=100cP(1P=100cP(厘泊，厘泊，cPcP)cmcm2 2/sec(/sec(斯，斯，stst)1st=100cst(1st=100cst(厘斯，厘斯，cstcst)英英 制制lb-sec/ftlb-sec/ft2 2lb-sec/inlb-sec/in2 2ftft

5、2 2/sec/secinin2 2/sec(/sec(牛特牛特)2.1.2粘度粘度粘度粘度-相对粘度相对粘度相对粘度相对粘度v相对粘度：相对粘度：在规定条件下，用粘度计测出的液体的粘在规定条件下，用粘度计测出的液体的粘在规定条件下，用粘度计测出的液体的粘在规定条件下，用粘度计测出的液体的粘度度度度。中国：中国：中国：中国：恩氏粘度恩氏粘度恩氏粘度恩氏粘度 0 0 0 0E E E E 美国：美国：美国：美国：赛氏通用秒赛氏通用秒赛氏通用秒赛氏通用秒 SSUSSUSSUSSU 英国：英国：英国：英国：雷氏秒雷氏秒雷氏秒雷氏秒 RSSRSSRSSRSS 法国：法国：法国：法国：巴氏度巴氏度巴氏度

6、巴氏度 0 0 0 0B B B B 2.1.2粘度粘度粘度粘度-恩氏粘度的测定方法恩氏粘度的测定方法恩氏粘度的测定方法恩氏粘度的测定方法 v恩氏粘度的测定方法恩氏粘度的测定方法恩氏粘度的测定方法恩氏粘度的测定方法 测定测定测定测定200cm200cm200cm200cm在温度为在温度为在温度为在温度为t t t t C C C C的被测液体在自重作用下流的被测液体在自重作用下流的被测液体在自重作用下流的被测液体在自重作用下流过专用恩格勒粘度计中直径为过专用恩格勒粘度计中直径为过专用恩格勒粘度计中直径为过专用恩格勒粘度计中直径为 2.82.82.82.8小孔所需的时小孔所需的时小孔所需的时小孔

7、所需的时间间间间t t t t1 1 1 1，然后测出同体积的蒸馏水在，然后测出同体积的蒸馏水在，然后测出同体积的蒸馏水在，然后测出同体积的蒸馏水在20202020 C C C C时流过同一小时流过同一小时流过同一小时流过同一小孔所需时间孔所需时间孔所需时间孔所需时间t t t t2 2 2 2，t t t t1 1 1 1与与与与t t t t2 2 2 2 的比值即为被测液体在的比值即为被测液体在的比值即为被测液体在的比值即为被测液体在t t t t C C C C的的的的恩氏粘度值恩氏粘度值恩氏粘度值恩氏粘度值,工业一般以工业一般以工业一般以工业一般以 20202020、50 50 50

8、 50 和和和和100 100 100 100 作作作作为测定恩氏粘度的标准温度为测定恩氏粘度的标准温度为测定恩氏粘度的标准温度为测定恩氏粘度的标准温度2.1.2粘度粘度粘度粘度-赛氏粘度的测定方法赛氏粘度的测定方法赛氏粘度的测定方法赛氏粘度的测定方法 v 赛氏粘度的测定方法赛氏粘度的测定方法赛氏粘度的测定方法赛氏粘度的测定方法 测定测定测定测定60cm360cm360cm360cm3、温度为、温度为、温度为、温度为t t t t C C C C的油液在自重作用下，的油液在自重作用下，的油液在自重作用下，的油液在自重作用下，流过专用赛波尔特流过专用赛波尔特流过专用赛波尔特流过专用赛波尔特（Sa

9、yboltSayboltSayboltSaybolt）测试仪中）测试仪中）测试仪中）测试仪中一个标准长度和直径小一个标准长度和直径小一个标准长度和直径小一个标准长度和直径小孔所需的时间。孔所需的时间。孔所需的时间。孔所需的时间。赛波尔特粘度计赛波尔特粘度计水箱水箱容器容器加热组件加热组件温度计温度计水浴水浴油液油液塞子塞子2.1.2粘度粘度粘度粘度-各国粘度及换算各国粘度及换算各国粘度及换算各国粘度及换算粘度单位 名称又 名符 号单 位采用国家与运动粘度（2/S）之换算公式动力粘度动力粘性系数（绝对粘度）厘泊苏运动粘度运动粘性系数（绝对粘度）厘斯cct（苏）cst（英）中苏英美日恩氏粘度相对粘

10、度EBY(苏)度中、欧洲（乌别洛德近似公式）国际赛氏秒通用赛波尔特秒SSU(SUB)秒美商用雷氏秒雷氏1秒R(RSS)秒英2.1.2粘度粘度粘度粘度-粘度特性粘度特性粘度特性粘度特性v粘温特性粘温特性粘温特性粘温特性 液体液体液体液体 VS.VS.VS.VS.气体气体气体气体 温度升高，液体粘度下降而气体粘度上升。温度升高，液体粘度下降而气体粘度上升。温度升高，液体粘度下降而气体粘度上升。温度升高，液体粘度下降而气体粘度上升。v粘压特性粘压特性粘压特性粘压特性 压力增大，液体粘度增大压力增大，液体粘度增大压力增大，液体粘度增大压力增大，液体粘度增大 压力低于压力低于压力低于压力低于30Mpa3

11、0Mpa30Mpa30Mpa时，可忽略不计。时，可忽略不计。时，可忽略不计。时，可忽略不计。2.1.2粘度粘度粘度粘度-粘度对液压系统性能的影响粘度对液压系统性能的影响粘度对液压系统性能的影响粘度对液压系统性能的影响油液的粘度对系统的功率损失有较大的影响油液的粘度对系统的功率损失有较大的影响机械损失机械损失 VS.VS.泄漏损失泄漏损失粘度 机械损失 泄漏损失 功率损失 适合的粘度 2.1.3液压油的化学性能液压油的化学性能液压油的化学性能液压油的化学性能v热稳定性热稳定性热稳定性热稳定性 v氧化稳定性氧化稳定性氧化稳定性氧化稳定性 v水解稳定性水解稳定性水解稳定性水解稳定性 v相容性相容性相

12、容性相容性 2.1.42.1.4液压油性能指标液压油性能指标液压油性能指标液压油性能指标良好的润滑性；良好的润滑性；合适的粘度；合适的粘度；高的弹性模数；高的弹性模数；较高的化学稳定性；较高的化学稳定性；较高的材料相容性；较高的材料相容性；防火性；防火性；对人体无毒或过敏反应。对人体无毒或过敏反应。2.1.5液压传动工作液的分类液压传动工作液的分类液压传动工作液的分类液压传动工作液的分类特性特性特性特性液压油液压油液压油液压油颜色颜色颜色颜色耐燃性耐燃性耐燃性耐燃性粘度粘度粘度粘度稳定性稳定性稳定性稳定性毒性毒性毒性毒性吸水性吸水性吸水性吸水性适用的适用的适用的适用的密封材料密封材料密封材料密

13、封材料应用应用应用应用植物基植物基植物基植物基蓝色蓝色蓝色蓝色易燃易燃大大低低无毒无毒小小天然橡胶天然橡胶老式飞机老式飞机矿物基矿物基矿物基矿物基红色红色红色红色可燃可燃适中适中较高较高无毒无毒小小合成耐油橡胶合成耐油橡胶减震支柱减震支柱磷酸酯基磷酸酯基磷酸酯基磷酸酯基紫色紫色紫色紫色耐燃耐燃较小较小高高低毒低毒大大异丁烯橡胶异丁烯橡胶聚四氟乙烯聚四氟乙烯大型客机大型客机2.1.6液压油使用注意事项液压油使用注意事项液压油使用注意事项液压油使用注意事项v对液压系统的防护对液压系统的防护对液压系统的防护对液压系统的防护 不同规格的液压油绝不能混用不同规格的液压油绝不能混用不同规格的液压油绝不能混

14、用不同规格的液压油绝不能混用 保持油液必要的清洁度保持油液必要的清洁度保持油液必要的清洁度保持油液必要的清洁度 防止系统进入空气防止系统进入空气防止系统进入空气防止系统进入空气v对其他系统和飞机结构的防护对其他系统和飞机结构的防护对其他系统和飞机结构的防护对其他系统和飞机结构的防护 v对维护人员的防护对维护人员的防护对维护人员的防护对维护人员的防护一、液压系统工作介质二、液压二、液压流体静力学流体静力学三、液压流体动力学三、液压流体动力学四、管道中液流的能量损失四、管道中液流的能量损失五、孔口和缝隙流动五、孔口和缝隙流动2.2.12.2.1 平衡流体上的作用力一、质量力一、质量力v 与流体微团

15、质量大小有关并且集中作用在微团质量中与流体微团质量大小有关并且集中作用在微团质量中心上的力。心上的力。质量力包括：质量力包括：重力、直线运动惯性力、离心惯性力。重力、直线运动惯性力、离心惯性力。2.2.12.2.1 平衡流体上的作用力二、表面力作用在所研究某部分流体的表面上，且与表面积大小成比例的力作用在所研究某部分流体的表面上，且与表面积大小成比例的力 沿表面内法线方向的压力沿表面切向的摩擦力从普遍意义上讲，表面力有如下特点：和作用面不一定垂直；（可分解为正应力和切应力两部分）。和的方向有关。切应力：正应力（压强）：2.2.1 2.2.1 平衡流体上的作用力平衡流体上的作用力2.2.22.2

16、.22.2.22.2.2 流体静压强及其特性流体静压强及其特性二、流体静压强的两个特性二、流体静压强的两个特性二、流体静压强的两个特性二、流体静压强的两个特性1.方向性方向性流体静压力的方向总是沿着作用面的内法线方向；流体静压力的方向总是沿着作用面的内法线方向；(2)(2)(2)(2)因流体几乎不能承受拉力，故因流体几乎不能承受拉力，故p p指向受压面。指向受压面。原原原原因因:(1):(1)静止流体不能承受剪力，即静止流体不能承受剪力，即=0=0，故，故p p垂直受压面；垂直受压面；2.2.22.2.2流体静压强及其特性流体静压强及其特性二、流体静压强的两个特性二、流体静压强的两个特性二、流

17、体静压强的两个特性二、流体静压强的两个特性2.大小性大小性流体静压力与作用面在空间的方位无关，仅是该点坐标的函数。流体静压力与作用面在空间的方位无关，仅是该点坐标的函数。略去无穷小项ozxdzdxdyyBDCo2.2.3 2.2.3 2.2.3 2.2.3 流体平衡微分方程式流体平衡微分方程式一、一、一、一、平衡微分方程式平衡微分方程式在静止流体中取如图所示微小六面体。在静止流体中取如图所示微小六面体。设其中心点设其中心点a(x,y,z)的密度为的密度为，压强为压强为p，所受质量力为所受质量力为f。yzoyxzydxdzdyaf,p,2.2.3 2.2.3 2.2.3 2.2.3 流体平衡微分

18、方程式流体平衡微分方程式以以x x方向为例方向为例,列力平衡方程式列力平衡方程式表面力：表面力：表面力：表面力：质量力质量力质量力质量力:p-p/xdx/2p+p/xdx/2yzoyxzydxdzdybacf,p,2.2.32.2.32.2.32.2.3流体平衡微分方程式流体平衡微分方程式同理，考虑同理，考虑y y，z z方向，可得方向，可得:上式即为上式即为流体平衡微分方程流体平衡微分方程 (欧拉平衡微分方程欧拉平衡微分方程)p-p/xdx/2p+p/xdx/2yzoyxzydxdzdybacf,p,2.2.3 2.2.3 2.2.3 2.2.3 流体平衡微分方程式流体平衡微分方程式同理，考

19、虑同理，考虑y y，z z方向，可得方向，可得:上式即为上式即为流体平衡微分方程流体平衡微分方程 (欧拉平衡微分方程欧拉平衡微分方程)一、一、一、一、平衡微分方程式（续）平衡微分方程式（续）1.1.1.1.平衡微分方程式平衡微分方程式 （续）（续）物理意义：物理意义：在静止流体中，单位质量流体在静止流体中，单位质量流体上的质量力与静压强的合力相平衡上的质量力与静压强的合力相平衡适用范围：适用范围：所有静止流体或相对静止的流体。所有静止流体或相对静止的流体。2.2.42.2.42.2.42.2.4流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式一、一、一、一、流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式作用

20、在流体上的质量力只有重力作用在流体上的质量力只有重力均匀的不可压缩流体均匀的不可压缩流体积分得：积分得：zxp11基准面z2p22p0goz11.1.1.1.基本方程式基本方程式2.2.4 2.2.4 2.2.4 2.2.4 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式一、一、一、一、流体静力学基本方程式（续）流体静力学基本方程式（续）2.2.2.2.物理意义物理意义物理意义物理意义位位势势能能压压强强势势能能h hp p总总势势能能 在重力作用下的连续均质不可压所静止流体中，各点在重力作用下的连续均质不可压所静止流体中，各点的单位重力流体的的单位重力流体的总势能保持不变总势能保持不变。2.2.4

21、 2.2.4 2.2.4 2.2.4 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式一、一、一、一、流体静力学基本方程式（续）流体静力学基本方程式（续）3.3.3.3.几何意义几何意义几何意义几何意义位位置置水水头头压压强强水水头头静静水水头头在重力作用下的连续均质不可压静止流体中，静水头线为水平线。p02p2z2z11p1完全真空z112z2pe2/gAAAA基准面pe1/gpa/gp2/gp1/gp1p0p2pa2.2.4 2.2.4 2.2.4 2.2.4 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式一、一、一、一、流体静力学基本方程式（续）流体静力学基本方程式（续）4.4.4.4.帕斯卡原理帕斯

22、卡原理帕斯卡原理帕斯卡原理 在重力作用下不可压缩流体表面上的压强，将以同一数值沿各个方向传递到流体中的所有流体质点。a a点压强：点压强：2.2.5 2.2.5 2.2.5 2.2.5 绝对压强绝对压强绝对压强绝对压强 计示压强计示压强计示压强计示压强 液柱式测压计液柱式测压计液柱式测压计液柱式测压计一、压强的计量一、压强的计量1.绝对压强以完全真空为基准计量的压强。以完全真空为基准计量的压强。2.计示压强以当地大气压强为基准计量的压强。以当地大气压强为基准计量的压强。表压：表压：真空：真空：完全真空 p=0大气压强 p=papo绝对压强绝对压强appap4)l/d4)的流的流动动 通过薄壁小

23、孔的流动通过薄壁小孔的流动 称为小孔流量系数称为小孔流量系数v通过薄壁小孔的流量与液体粘度无关，因而流量受液体温度影响较通过薄壁小孔的流量与液体粘度无关，因而流量受液体温度影响较小小.但流量与孔口前后压差的关系是非线性的但流量与孔口前后压差的关系是非线性的 图2-15 液体在薄壁小孔中的流动通通过细长过细长小孔的流小孔的流动动 是细长小孔的通流截面积是细长小孔的通流截面积v液体流经细长小孔的流量将随液体温度的变化而变化。液体流经细长小孔的流量将随液体温度的变化而变化。但细长小孔的流量与孔前后的压差关系是线性的但细长小孔的流量与孔前后的压差关系是线性的2.3.3 通过小孔的流动通过小孔的流动v统

24、一的经过小孔的流量公式统一的经过小孔的流量公式 式中式中 A:A:孔的通流截面积，孔的通流截面积，p:p:孔前后压差，孔前后压差，m:m:由孔结构形式决定的指数由孔结构形式决定的指数,0.5m1,0.5m1 k:k:由孔口形式有关的系数由孔口形式有关的系数 当孔为薄壁小孔时，当孔为薄壁小孔时，m=0.5,m=0.5,为细长小孔时为细长小孔时m=1m=1，2.3.4 通过间隙的流动通过间隙的流动v配合间隙配合间隙v泄漏泄漏:当流体流经这些间隙时就会发生从压力高处经过间隙流到系统中压当流体流经这些间隙时就会发生从压力高处经过间隙流到系统中压力低处或直接进入大气的现象力低处或直接进入大气的现象(前者

25、称为内泄漏，后者称为外泄漏前者称为内泄漏，后者称为外泄漏)v泄漏主要是由压力差与间隙造成的泄漏主要是由压力差与间隙造成的v油液在间隙中的流动状态一般是层流油液在间隙中的流动状态一般是层流 2.4 液压系统的气穴与液压冲击现象液压系统的气穴与液压冲击现象v气穴气穴(空穴空穴):在流动液体中，由于某点处的压力低于空气分离压而在流动液体中，由于某点处的压力低于空气分离压而产生汽泡的现象产生汽泡的现象v液压冲击液压冲击:在液压系统中由于某种原因，液体压力在一瞬间会突然升在液压系统中由于某种原因，液体压力在一瞬间会突然升高高,产生很高的压力峰值产生很高的压力峰值,这种现象称为液压冲击这种现象称为液压冲击