流體力學(xué)基礎(chǔ)第一章課件

1.1液體靜力學(xué)基礎(chǔ)

1.2液體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

1.3液體在管道中的流動(dòng)

1.4液體流經(jīng)孔口和縫隙的特性

1.5液壓沖擊教學(xué)內(nèi)容第一章液體流體力學(xué)基礎(chǔ)

BasisofLiquidHydrodynamics

11.1液體靜力學(xué)基礎(chǔ)

1.1.0液壓油的主要物理性質(zhì)及液壓油的選擇1.1.1液體的靜壓力1.1.2液體靜壓力基本方程1.1.3壓力的表示方法及單位1.1.4液體靜壓力對(duì)固體壁面上的作用力BasisofLiquidHydrostatics

21.1.0液壓油的主要物理性質(zhì)密度ρ：?jiǎn)挝惑w積液體的質(zhì)量

式中m：液體的質(zhì)量(kg)；V：液體的體積（m3）；ρ=900kg/m3

重度：比體積：密度的倒數(shù)。31.1.0液壓油的主要物理性質(zhì)熱膨脹性：液體體積隨溫度變化而變化的性質(zhì)，其大小用熱膨脹系數(shù)表示。表示液體在某恒定壓力下，當(dāng)溫度改變1K或1度時(shí)引起的相對(duì)體積變化量。對(duì)于液壓用油，從工程實(shí)用觀點(diǎn)來(lái)看，可以認(rèn)為熱膨脹系數(shù)只取決于油液本身而與壓力及溫度無(wú)關(guān)，數(shù)值范圍在（6.45-9.37×10-4)之間。5粘度液體的粘性：

液體在流動(dòng)時(shí)相鄰流層產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的特性

靜止液體則不顯示粘性

液體的粘度：

液體粘性的大小可用粘度來(lái)衡量。

粘度是液體的根本特性，也是選擇液壓油的最重要指標(biāo)。常用的粘度有三種不同單位：即動(dòng)力粘度、運(yùn)動(dòng)粘度和相對(duì)粘度。6動(dòng)力粘度（絕對(duì)粘度）μ

牛頓內(nèi)摩擦定律式中μ:稱為動(dòng)力粘度系數(shù)（Pa·s）τ:單位面積上的摩擦力（即剪切應(yīng)力）:速度梯度，即液層間速度對(duì)液層距離的變化率物理意義：當(dāng)速度梯度為1時(shí)接觸液層間單位面積上的內(nèi)摩擦力

法定計(jì)量單位：帕·秒（Pa·s）7相對(duì)粘度（恩式粘度oΕ）

恩氏粘度：它表示200mL被測(cè)液體在toC時(shí)，通過(guò)恩氏粘度計(jì)小孔（ф=2.8mm）流出所需的時(shí)間t1，與同體積20oC的蒸餾水通過(guò)同樣小孔流出所需時(shí)間t2之比值工業(yè)上常用20oC、50oC和100oC作為測(cè)定恩式粘度的標(biāo)準(zhǔn)溫度，分別以oΕ20、oΕ50、oΕ100表示恩式粘度與運(yùn)動(dòng)粘度（mm2/s）的換算關(guān)系：

9粘溫特性

圖1-5幾種國(guó)產(chǎn)油液粘溫圖定義：粘度隨溫度變化的特性具體參見(jiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第５卷10液壓油的選擇液壓油的要求

液壓油選擇的依據(jù)：工作壓力的高低環(huán)境溫度工作部件運(yùn)動(dòng)速度的高低穩(wěn)定性好抗泡沫性好流動(dòng)點(diǎn)和凝固點(diǎn)低比熱和導(dǎo)熱系數(shù)大，體積膨脹系數(shù)小粘度適當(dāng)，粘溫特性良好良好的潤(rùn)滑性和高油膜強(qiáng)度純凈度高、雜質(zhì)少相容性好11液壓油的調(diào)合

131.1.1液體的靜壓力

PressureofFluid靜壓力:是指液體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí),其單位面積上所受的法向作用力若包含液體某點(diǎn)的微小面積ΔA上所作用的法向力為ΔF，則該點(diǎn)的靜壓力p定義為：若法向力F均勻地作用在面積A上，則壓力可表示為:14液體靜壓力的性質(zhì)

（1）液體的壓力沿著內(nèi)法線方向作用于承壓面，即靜止液體只承受法向壓力；（2）靜止液體內(nèi)，任意一點(diǎn)所受到的靜壓力在各個(gè)方向都相等。

15液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中壓力的建立

1－油泵2－液壓閥3－液壓缸4－死擋鐵空載、無(wú)油壓加載、有油壓17超載、油壓劇增油壓取決于最小負(fù)載

液壓系統(tǒng)中某處油液的壓力是由于受到各種形式負(fù)載的擠壓而產(chǎn)生的；壓力的大小決定于負(fù)載，并隨負(fù)載變化而變化；當(dāng)某處有幾個(gè)負(fù)載并聯(lián)時(shí)，則壓力取決于克服負(fù)載的各個(gè)壓力值中的最小值；壓力建立的過(guò)程是從無(wú)到有，從小到大迅速進(jìn)行的。181.1.2液體靜壓力的基本方程液體靜壓力基本方程:反映了在重力作用下靜止液體中的壓力分布規(guī)律

p=po+ρghp是靜止液體中深度為h處的任意點(diǎn)上的壓力,p0為液面上的壓力，若液面為與大氣接觸的表面，則p0等于大氣壓同一容器同一液體中的靜壓力隨著深度h的增加線性地增加同一液體中深度h相同的各點(diǎn)壓力都相等.在重力作用下靜止液體中的等壓面是深度（與液面的距離）相同的水平面

191.1.３壓力的表示方法及單位相對(duì)壓力（表壓力）:以大氣壓力為基準(zhǔn)，測(cè)量所得的壓力是高于大氣壓的部分

絕對(duì)壓力:以絕對(duì)零壓為基準(zhǔn)測(cè)得的壓力絕對(duì)壓力=相對(duì)壓力+大氣壓力真空度:如果液體中某點(diǎn)的絕對(duì)壓力小于大氣壓力，則稱該點(diǎn)出現(xiàn)真空。此時(shí)相對(duì)壓力為負(fù)值，常將這一負(fù)相對(duì)壓力的絕對(duì)值稱為該點(diǎn)的真空度

真空度=|負(fù)的相對(duì)壓力|=|絕對(duì)壓力-大氣壓力|21壓力單位換算表22例解：23壓力油管設(shè)計(jì)對(duì)于鋼管當(dāng)p＜7MPa時(shí)，S=8；p≤17.5MPa時(shí)，S=6;p＞17.5MPa時(shí)，S=4。對(duì)于銅管：251.2流動(dòng)液體的動(dòng)力學(xué)規(guī)律基本概念連續(xù)性方程伯努利方程（能量方程）動(dòng)量方程261.2.2連續(xù)性方程:質(zhì)量守恒定律在流體力學(xué)中的表現(xiàn)形式連續(xù)性方程：表示在某瞬時(shí)流進(jìn)、流出某假想控制體（體積為V）的流體質(zhì)量流量的代數(shù)和（qm1-qm2)等于該瞬時(shí)控制體中流體質(zhì)量的變化率(dm/dt)。上式右端：第一項(xiàng)是控制體中流體受壓后密度變化所增補(bǔ)的流體質(zhì)量；第二項(xiàng)是控制體體積變化而增補(bǔ)的流體質(zhì)量。291.2.2連續(xù)性方程當(dāng)理想液體在固定不變的固體界面所圍的容腔中作滿容腔一維恒定流動(dòng)時(shí)：不可壓縮流體作定常流動(dòng)時(shí)，通過(guò)流束（或管道）的任一通流截面的流量相等；通過(guò)通流截面的流速則與通流截面的面積成反比。301.2.3伯努利方程(能量方程):能量守恒定律在流體力學(xué)中的具體形式理想液體運(yùn)動(dòng)微分方程理想液體的伯努利方程實(shí)際液體的伯努利方程伯努利方程應(yīng)用實(shí)例31理想液體運(yùn)動(dòng)微分方程重力場(chǎng)中作一維流動(dòng)的理想流體

u=u(s，t)，p=p(s，t)*重力

*壓力

*慣性力

根據(jù)牛頓第二定律32理想液體運(yùn)動(dòng)微分方程化簡(jiǎn)得歐拉方程：對(duì)定常流動(dòng)：定常流動(dòng)運(yùn)動(dòng)微分方程：33理想液體微流束上的伯努利方程理想液體恒定流動(dòng)運(yùn)動(dòng)微分方程式積分得理想液體一維恒定流動(dòng)時(shí)微流束上的伯努利方程理想液體微流束上物理意義：理想液體在重力場(chǎng)中作恒定流動(dòng)時(shí)其其任意截面處的三個(gè)比能量（單位質(zhì)量或重量流體的位能、壓力能、動(dòng)能）之和恒為常數(shù)。34實(shí)際液體總流束上的伯努利方程實(shí)際液體微流束上的伯努利方程：考慮粘性摩擦產(chǎn)生能量損耗。hw’為微流束兩截面間的比能量損耗35實(shí)際液體總流束上的伯努利方程兩邊同乘

并對(duì)總流截面A1,A2積分得總流截面能量方程上式兩邊除單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)總流截面的液體重量實(shí)際液體總流束截面上的比能量方程或伯努利方程物理意義：?jiǎn)挝恢亓恳后w內(nèi)的能量守恒36實(shí)際液體總流束上的伯努利方程37應(yīng)用伯努利方程的注意點(diǎn)：

1）斷面1、2需順向選取，且選在平行流或緩變流過(guò)流斷面上；

2）斷面中心在高度基準(zhǔn)面以上時(shí)，z取正值，反之取負(fù)值，通常選取特殊位置的水平面為高度基準(zhǔn)面；

3）斷面上的壓力應(yīng)取同一種表示法，都取相對(duì)壓力，或都取絕對(duì)壓力；

4）因采用平均流速，z+p/γ可取斷面上任一點(diǎn)，但一般對(duì)管流而言，計(jì)算點(diǎn)都取在軸心線上。

383940411.2.4動(dòng)量方程42431.3管路系統(tǒng)流動(dòng)分析兩種流動(dòng)狀態(tài)定常管流的壓力損失通過(guò)小孔的流動(dòng)通過(guò)間隙的流動(dòng)441.3.1兩種流動(dòng)狀態(tài)層流

紊流

雷諾數(shù):液體在圓管中的流動(dòng)狀態(tài)決定于由管道中流體的平均流速υ、管道直徑d和液體運(yùn)動(dòng)粘度這三個(gè)參數(shù)所組成的無(wú)量綱數(shù)的大小:流動(dòng)液體的雷諾數(shù)低于臨界雷諾數(shù)(由紊流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿?時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)為層流，反之液流的狀態(tài)為紊流雷諾數(shù)的物理意義:流動(dòng)液體的慣性力與粘性力之比45對(duì)于非圓截面管道：461.3.2圓管中的層流流動(dòng)圓管層流是液壓傳動(dòng)中最常見(jiàn)的流動(dòng)狀態(tài)，其流線穩(wěn)定,質(zhì)點(diǎn)只有軸向流速而無(wú)橫向流速，其流速的分布規(guī)律、流量可進(jìn)行理論計(jì)算。471.3.2圓管中的層流流動(dòng)481.3.3圓管中的紊流流動(dòng)流體在圓管紊流時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)的流速大小和方向時(shí)刻都在變化著，稱為脈動(dòng)。主流速脈動(dòng)情況如圖。491.3.3圓管中的紊流流動(dòng)501.3.4流體在管道中流動(dòng)時(shí)的能量損失實(shí)際流體具有粘性，在流動(dòng)時(shí)為克服粘性摩擦阻力就要產(chǎn)生能量損失，這種能量損失表現(xiàn)為壓力下降，故叫壓力損失。損失掉的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?，將使系統(tǒng)溫度升高，故應(yīng)盡量減小壓力損失。1、沿程壓力損失；2、局部壓力損失；3、流體在管道中流動(dòng)的總壓力損失。51沿程壓力損失:流體在等直徑的直管中流動(dòng)時(shí)因摩擦阻力而產(chǎn)生的壓力損失。

λ:沿程壓力損失系數(shù),在光滑圓管中作層流流動(dòng)時(shí)，其理論值為.其實(shí)際值因受其他因數(shù)影響較理論值稍大。上式對(duì)層流和紊流均適用，僅是系數(shù)λ取值不同而已。52局部壓力損失Δpξ:當(dāng)流體在管道中流動(dòng)時(shí)，因遇管道截面突變、轉(zhuǎn)彎、分叉、管接頭、各種閥門等局部障礙，會(huì)使流體的流動(dòng)方向和速度變化，從而產(chǎn)生撞擊、分離脫流、旋渦等復(fù)雜現(xiàn)象，帶來(lái)附加阻力，增加能量損失。

ξ稱為局部壓力損失系數(shù)；v為液體的平均流速，一般情況下均指局部阻力下游處的流速．

53流體在管道中流動(dòng)的總壓力損失：整個(gè)管路系統(tǒng)的總壓力損失是系統(tǒng)中所有直管的沿程壓力損失和所有局部壓力損失之和：使用條件:管路系統(tǒng)中兩相鄰局部壓力損失之間距離足夠大（相連管徑的10-20倍）

系統(tǒng)動(dòng)力元件所供的工作壓力:

管路系統(tǒng)的壓力效率：

541.4流體流經(jīng)孔口和縫隙的特性

在液壓傳動(dòng)中常用通過(guò)改變閥口通流截面積或通流通道的長(zhǎng)短來(lái)控制流量的節(jié)流裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)流量控制。突然收縮處的流動(dòng)叫節(jié)流。這種節(jié)流裝置的通流截面一般為不同形式的小孔。液體流經(jīng)孔口時(shí)孔的分類：

l/d≤0.5時(shí)為薄壁小孔；l/d≥4時(shí)為細(xì)長(zhǎng)小孔；0.5<l/d≤4時(shí)為短孔。l為小孔的通流長(zhǎng)度；d為小孔的孔徑。551.4.1通過(guò)薄壁小孔的流動(dòng)液流在小孔上游大約d/2處開始加速并從四周流向小孔。由于流線不能突然轉(zhuǎn)折到與管軸線平行，在液體慣性的作用下，外層流線逐漸向管軸方向收縮，逐漸過(guò)渡到與管軸線方向平行，從而形成收縮截面Ac。對(duì)于圓孔，約在小孔下游d/2處完成收縮。液流收縮的程度取決于Re、孔口及邊緣形狀、孔口離管道內(nèi)壁的距離等因素。對(duì)于圓形小孔，當(dāng)管道直徑D與小孔直徑d之比D/d≥6時(shí)，流速的收縮作用不受管壁的影響，稱為完全收縮。反之，管壁對(duì)收縮程度有影響時(shí)，則稱為不完全收縮。通常把最小收縮面積Ac與孔口截面積之比值稱為收縮系數(shù)Cc，Cc＝Ac/A。其中A為小孔的通流截面積。561.4.1通過(guò)薄壁小孔的流動(dòng)取截面1—1和C—C為計(jì)算截面，列伯努利方程為：通過(guò)薄壁小孔的流量與液體粘度無(wú)關(guān)，因而流量受液體溫度影響較小。但流量與孔口前后壓差的關(guān)系是非線性的。571.4.1通過(guò)薄壁小孔的流動(dòng)確定C—C截面的位置和壓力十分困難，一般在出口下游適當(dāng)?shù)牡胤饺?-2截面處測(cè)得壓力p2，取截面1—1和2—2為計(jì)算截面，得：581.4.2通過(guò)短孔的流動(dòng)短孔的流量仍可用薄壁小孔的公式計(jì)算，但其出流系數(shù)不同，數(shù)值可以在圖1-24查出。短孔加工比薄壁小孔容易，故常用作固定的節(jié)流器使用。591.4.3通過(guò)細(xì)長(zhǎng)孔的流動(dòng)細(xì)長(zhǎng)孔的流量可以采用圓管中的層流流動(dòng)流量計(jì)算公式計(jì)算：油液流經(jīng)細(xì)長(zhǎng)小孔的流量與小孔前后的壓差Δp的一次方呈正比，同時(shí)由于公式中也包含油液的粘度μ，因此流量受油溫變化的影響較大。統(tǒng)一的流經(jīng)孔口的流量公式601.4.5間隙流動(dòng)液壓元件內(nèi)各零件間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，必須要有適當(dāng)間隙。間隙過(guò)大，會(huì)造成泄漏；間隙過(guò)小，會(huì)使零件卡死。如圖所示的泄漏，是由壓差和間隙造成的。內(nèi)泄漏的損失轉(zhuǎn)換為熱能，使油溫升高，外泄漏污染環(huán)境，兩者均影響系統(tǒng)的性能與效率，因此，研究液體流經(jīng)間隙的泄漏量、壓差與間隙量之間的關(guān)系，對(duì)提高元件性能及保證系統(tǒng)正常工作是必要的。間隙中的流動(dòng)一般為層流，一種是壓差造成的流動(dòng)稱壓差流動(dòng)，另一種是相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的流動(dòng)稱剪切流動(dòng)，還有一種是在壓差與剪切同時(shí)作用下的流動(dòng)。61626364兩平行圓盤A和B之間的間隙為h，液流由圓盤中心孔流入，在壓差的作用下向四周徑向流出。由于間隙很小，液流呈層流，因?yàn)榱鲃?dòng)是徑向的，所以對(duì)稱于中心軸線。柱塞泵的滑履與斜盤之間以及某些端面推力靜壓軸承均屬這種情況。6566671.5液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象1.液壓沖擊

在液壓系統(tǒng)中，當(dāng)極快地?fù)Q向或關(guān)閉液壓回路時(shí)，致使液流速度急速地改變(變向或停止)，由于流動(dòng)液體的慣性或運(yùn)動(dòng)部件的慣性，會(huì)使系統(tǒng)內(nèi)的壓力發(fā)生突然升高或降低，這種現(xiàn)象稱為液壓沖擊。681.5液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象液壓沖擊的危害很大,發(fā)生液壓沖擊時(shí)管路中的沖擊壓力往往急增很多倍，而使按工作壓力設(shè)計(jì)的管道破裂。此外，所產(chǎn)生的液壓沖擊波會(huì)引起液壓系統(tǒng)的振動(dòng)和沖擊噪聲。因此在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮這些因素，應(yīng)當(dāng)盡量減少液壓沖擊的影響。為此，一般可采用如下措施：(1)緩慢關(guān)閉閥門、延長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)部件制動(dòng)換向時(shí)間，可削減沖擊強(qiáng)度。(2)限制管道內(nèi)液體流動(dòng)速度及運(yùn)動(dòng)部件的速度。(3)適當(dāng)加大管徑，不僅可以降低流速，而且可以減小壓力沖擊波的傳播速度；盡量縮短管長(zhǎng)，可以減小壓力波傳播時(shí)間。(4)采用橡膠軟管，以增加系統(tǒng)的彈性，減小液壓沖擊；(5)在易發(fā)生液壓沖擊處，設(shè)置卸荷閥或蓄能器，以吸收沖擊。691.5液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象（1）管道閥門關(guān)閉時(shí)的液壓沖擊

（2）運(yùn)動(dòng)部件制動(dòng)時(shí)的沖擊壓力

701.5液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象2、空穴現(xiàn)象一般液體中溶解有空氣，水中溶解有約2%體積的空氣，液壓油中溶解有(6%～12%)體積的空氣。成溶解狀態(tài)的氣體對(duì)油液體積彈性模量沒(méi)有影響，成游離狀態(tài)的小氣泡則對(duì)油液體積彈性模量產(chǎn)生顯著的影響?？諝獾娜芙舛扰c壓力成正比。當(dāng)壓力降低時(shí)，原先壓力較高時(shí)溶解于油液中的氣體成為過(guò)飽和狀態(tài)，于是就要分解出游離狀態(tài)微小氣泡，其速率是較低的，但當(dāng)壓力低于空氣分離壓pg時(shí)，溶解的氣體就要以很高速度分解出來(lái)，成