管道中液流的特性流體特性

1、管道中液流的特性流體特性第1頁，共19頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)17分，星期二管道流動(dòng)由于流動(dòng)液體具有粘性，以及流動(dòng)時(shí)突然轉(zhuǎn)彎或通過閥口會(huì)產(chǎn)生撞擊和旋渦，因此液體流動(dòng)時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生阻力。為了克服阻力，流動(dòng)液體會(huì)損耗一部分能量，這種能量損失可用液體的壓力損失來表示。壓力損失即是伯努利方程中的hw項(xiàng)。壓力損失由沿程壓力損失和局部壓力損失兩部分組成。液流在管道中流動(dòng)時(shí)的壓力損失和液流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。流態(tài)、雷諾數(shù)沿程壓力損失局部壓力損失第2頁，共19頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)17分，星期二流態(tài)，雷諾數(shù)雷諾實(shí)驗(yàn)裝置第3頁，共19頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)17分，星期二通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)液體在管道

2、中流動(dòng)時(shí)存在兩種流動(dòng)狀態(tài)。層流粘性力起主導(dǎo)作用紊流慣性力起主導(dǎo)作用液體的流動(dòng)狀態(tài)用雷諾數(shù)來判斷。雷諾數(shù)Re = v d / ，v 為管內(nèi)的平均流速d 為管道內(nèi)徑為液體的運(yùn)動(dòng)粘度雷諾數(shù)為無量綱數(shù)。 如果液流的雷諾數(shù)相同，它的流動(dòng)狀態(tài)亦相同。一般以液體由紊流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鞯睦字Z數(shù)作為判斷液體流態(tài)的依據(jù)，稱為臨界雷諾數(shù)，記為Recr。 當(dāng)ReRecr，為層流；當(dāng)ReRecr，為紊流。常見液流管道的臨界雷諾數(shù)見書中表格。第4頁，共19頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)17分，星期二沿程壓力損失 液體在等直徑管中流動(dòng)時(shí)因摩擦而產(chǎn)生的損失，稱為沿程壓力損失。因液體的流動(dòng)狀態(tài)不同沿程壓力損失的計(jì)算有所區(qū)別。層流時(shí)

3、的沿程壓力損失 ：通流截面上的流速在半徑方向按拋物線規(guī)律分布 。通過管道的流量 q =（d 4/128l ）p管道內(nèi)的平均流速 v = (d 2/32l )p 沿程壓力損失 p =（64/Re)( l /d ) v 2 /2 =（l /d ）v 2 /2 為沿程阻力系數(shù)，實(shí)際計(jì)算時(shí)對(duì)金屬管取= 75 / Re。紊流時(shí)的沿程壓力損失 ： p =（l /d）v 2 /2除了與雷諾數(shù)有關(guān)外，還與管道的粗糙度有關(guān)。 = f（Re，/ d ），為管壁的絕對(duì)粗糙度，/d 為相對(duì)粗糙度。第5頁，共19頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)17分，星期二局部壓力損失液體流經(jīng)管道的彎頭、接頭、閥口等處時(shí)，液體流速的大

4、小和方向發(fā)生變化，會(huì)產(chǎn)生漩渦并發(fā)生紊動(dòng)現(xiàn)象，由此造成的壓力損失稱為局部壓力損失。p= v 2 / 2為局部阻力系數(shù)，具體數(shù)值可查有關(guān)手冊。液流流過各種閥的局部壓力損失可由閥在額定壓力下的壓力損失ps來換算：p= ps（q / qs ）2整個(gè)液壓系統(tǒng)的總壓力損失應(yīng)為所有沿程壓力損失和所有的局部壓力損失之和。p = p + p第6頁，共19頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)17分，星期二孔口流動(dòng)在液壓元件特別是液壓控制閥中，對(duì)液流壓力、流量及方向的控制通常是通過特定的孔口來實(shí)現(xiàn)的，它們對(duì)液流形成阻力，使其產(chǎn)生壓力降，其作用類似電阻，稱其為液阻?！翱卓诹鲃?dòng)”主要介紹孔口的流量公式及液阻特性。薄壁小孔

5、當(dāng)長徑比 l / d 0.5 時(shí)稱為薄壁小孔，一般孔口邊緣都做成刃口形式。 當(dāng)液流經(jīng)過管道由小孔流出時(shí)，由于液體慣性作用，使通過小孔后的液流形成一個(gè)收縮斷面，然后再擴(kuò)散，這一收縮和擴(kuò)散過程產(chǎn)生很大的能量損失。 對(duì)孔前、孔后通道斷面11、22列伯努利方程，其中的壓力損失包括突然收縮和突然擴(kuò)大兩項(xiàng)損失。 薄壁小孔液流 第7頁，共19頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)17分，星期二 經(jīng)整理得到流經(jīng)薄壁小孔流量 q = CdAo（2p /）1/2 A0小孔截面積；Cd流量系數(shù)，Cd=CvCc Cv稱為速度系數(shù) ；Cc稱為截面收縮系數(shù)。流量系數(shù)Cd的大小一般由實(shí)驗(yàn)確定，在液流完全收縮的情況下，當(dāng)Re10

6、5時(shí)，可以認(rèn)為是不變的常數(shù)，計(jì)算時(shí)按Cd=0.600.61 選取 薄壁小孔因沿程阻力損失小，q 對(duì)油溫變化不敏感，因此多被用作調(diào)節(jié)流量的節(jié)流器。第8頁，共19頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)17分，星期二滑閥閥口滑閥閥口可視為薄壁小孔，流經(jīng)閥口的流量為 qCdDxv(2p/)1/2式中 Cd流量系數(shù)，根據(jù)雷諾數(shù)查圖120 D滑閥閥芯臺(tái)肩直徑 xv閥口開度， xv24mm 錐閥閥口 錐閥閥口與薄壁小孔類似，流經(jīng)閥口的流量為 qCddmxvsin(2p/)1/2 式中Cd流量系數(shù)，根據(jù)雷諾數(shù)查圖122 dm閥座孔直徑 xv閥芯抬起高度 閥芯半錐角第9頁，共19頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)17分

7、，星期二短孔和細(xì)長孔當(dāng)長徑比 0.5 l / d 4 時(shí)，稱為短孔。流經(jīng)短孔的流量 q = CdA0(2p/)1/2Cd 應(yīng)按曲線查得，雷諾數(shù)較大時(shí)，Cd基本穩(wěn)定在0.8 左右。短管常用作固定節(jié)流器。當(dāng)長徑比 l / d 4 時(shí)，稱為細(xì)長孔。流經(jīng)細(xì)長孔的流量 q =（d 4 / 128l ）p 液流經(jīng)過細(xì)長孔的流量和孔前后壓差成正比，和液體粘度成反比。流量受液體溫度影響較大。液阻定義孔口前后壓力降與穩(wěn)態(tài)流量的比值為液阻，即在穩(wěn)態(tài)下，它與流量變化所需要的壓差變化成正比。R=d(p)/dq=p1-m/KLAm液阻的特性：R與通流面積A成反比，A=0，R為無限大；A足夠大時(shí)，R0。p一定，調(diào)節(jié)A，可

8、以改變R，從而調(diào)節(jié)流經(jīng)孔口的流量。A一定，改變q， p 隨之改變，這種液阻的阻力特性用于壓力控制閥的內(nèi)部控制。多個(gè)孔口串聯(lián)或并聯(lián)，總液阻類似電阻的計(jì)算。第10頁，共19頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)17分，星期二縫隙流動(dòng)通過平板縫隙的流量 q = b h 3p / 12l u ob h / 2在壓差作用下，流量q 與 縫隙值h 的三次方成正比，這說明液壓元件內(nèi)縫隙的大小對(duì)泄漏量的影響非常大。 平板縫隙 兩平行平板縫隙間充滿液體時(shí)，壓差作用會(huì)使液體產(chǎn)生流動(dòng)（壓差流動(dòng)）；兩平板相對(duì)運(yùn)動(dòng)也會(huì)使液體產(chǎn)生流動(dòng)（剪切流動(dòng)）。第11頁，共19頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)17分，星期二環(huán)形縫隙通過同心圓

9、柱環(huán)形縫隙的流量公式： q = （d h 3 / 12l ）p d h uo / 2 當(dāng)圓柱體移動(dòng)方向和壓差方向相同時(shí)取正號(hào)，方向相反時(shí)取負(fù)號(hào)。 相對(duì)運(yùn)動(dòng)的圓柱體與孔之間的間隙為圓柱環(huán)形間隙。根據(jù)兩者是否同心又分為同心圓柱環(huán)形間隙和偏心環(huán)形間隙。通過其間的流量也包括壓差流動(dòng)流量和剪切流動(dòng)流量。設(shè)圓柱體直徑為d，縫隙值為h，縫隙長度為 l 。第12頁，共19頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)17分，星期二 設(shè)內(nèi)外圓的偏心量為 e，流經(jīng)偏心圓柱環(huán)形縫隙的流量公式： q = （d ho3 / 12l ）p（1 + 1.5 2）式中 ho為內(nèi)外圓同心時(shí)半徑方向的縫隙值 為相對(duì)偏心率， e / ho 當(dāng)偏

10、心量e=ho， 即1 時(shí)（最大偏心狀態(tài)），其通過的流量是同心環(huán)形間隙流量的2.5 倍。 因此在液壓元件中應(yīng)盡量使配合零件同心。第13頁，共19頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)17分，星期二圓錐環(huán)形縫隙的流量 及液壓卡緊現(xiàn)象當(dāng)柱塞或柱塞孔，閥芯或閥體孔帶有一定錐度時(shí)，兩相對(duì)運(yùn)動(dòng)零件之間的間隙為圓錐環(huán)形間隙，間隙大小沿軸線方向變化。閥芯大端為高壓，液流由大端流向小端，稱為倒錐，閥芯小端為高壓，液流由小端流向大端，稱為順錐。 閥芯存在錐度不僅影響流經(jīng)間隙的流量，而且影響縫隙中的壓力分布。 如果閥芯在閥體孔內(nèi)出現(xiàn)偏心，作用在閥芯一側(cè)的壓力將大于另一側(cè)的壓力，使閥芯受到一個(gè)液壓側(cè)向力的作用。第14頁，共

11、19頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)17分，星期二液壓卡緊現(xiàn)象倒錐的液壓側(cè)向力使偏心距加大，當(dāng)液壓側(cè)向力足夠大時(shí)，閥芯將緊貼孔的壁面，產(chǎn)生所謂液壓卡緊現(xiàn)象；而順錐的液壓側(cè)向力則力圖使偏心距減小，不會(huì)出現(xiàn)液壓卡緊現(xiàn)象。為減少液壓側(cè)向力，一般在閥芯或柱塞的圓柱面開徑向均壓槽，使槽內(nèi)液體壓力在圓周方向處處相等，槽深和寬為0.31.0mm。第15頁，共19頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)17分，星期二液壓沖擊液壓沖擊因某些原因液體壓力在一瞬間會(huì)突然升高，產(chǎn)生很高的壓力峰值 ，這種現(xiàn)象稱為液壓沖擊。瞬間壓力沖擊不僅引起振動(dòng)和噪聲，而且會(huì)損壞密封裝置、管道、元件，造成設(shè)備事故。液壓沖擊的類型 管道閥門突然

12、關(guān)閉時(shí)的液壓沖擊運(yùn)動(dòng)部件制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的液壓沖擊第16頁，共19頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)17分，星期二減少液壓沖擊的措施：延長閥門關(guān)閉和運(yùn)動(dòng)部件制動(dòng)換向的時(shí)間。限制管道流速及運(yùn)動(dòng)部件的速度。適當(dāng)增大管徑，以減小沖擊波的傳播速度。盡量縮短管道長度，減小壓力波的傳播時(shí)間。用橡膠軟管或設(shè)置蓄能器吸收沖擊的能量。第17頁，共19頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)17分，星期二氣穴現(xiàn)象 氣穴現(xiàn)象液壓系統(tǒng)中，某點(diǎn)壓力低于液壓油液所在溫度下的空氣分離壓時(shí)，原先溶于液體中的空氣會(huì)分離出來，使液體產(chǎn)生大量的氣泡，這種現(xiàn)象稱為氣穴現(xiàn)象。當(dāng)壓力進(jìn)一步減小低于液體的飽和蒸汽壓時(shí)，液體將迅速汽化，產(chǎn)生大量蒸汽氣泡使氣穴現(xiàn)象更加嚴(yán)重。氣穴現(xiàn)象多發(fā)生在閥口和泵的吸油口。 氣穴現(xiàn)象的危害 大量氣泡使液流的流動(dòng)特性變壞，造成流量和壓力不穩(wěn)定；氣泡進(jìn)入高壓區(qū)，高壓會(huì)使氣泡迅速崩潰，使局部產(chǎn)生非常高的溫度和沖擊壓力，引起振動(dòng)和噪聲；當(dāng)附著在金屬表面的氣泡破滅時(shí)，局部產(chǎn)生的高溫和高壓會(huì)使金屬表面疲勞，時(shí)間一長會(huì)造成金屬表面的侵蝕、剝落，甚至出現(xiàn)海綿狀