液壓流體力學(xué)

液壓流體力學(xué)2023/6/111第一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三1.液壓油的物理性質(zhì)2.流體靜力學(xué)3.流體動(dòng)力學(xué)4.液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失5.孔口和縫隙流動(dòng)6.

液壓沖擊和氣蝕現(xiàn)象2023/6/112第二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三

第一節(jié)液壓油液的物理性質(zhì)

1、密度

2、可壓縮性

3、粘性4.對(duì)液壓油液的要求

液壓油的品種（P7-9）2023/6/113第三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三密度單位體積液體的質(zhì)量稱為液體的密度。

ρ＝m/V

（kg/m3）

一般礦物油系液壓油在20℃時(shí)密度約為900kg/m3

2023/6/114第四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三

可壓縮性

液體受壓力作用而發(fā)生體積變化的性質(zhì)稱為液體的可壓縮性。

體積壓縮系數(shù)

B=-dv/v/dp流體在單位壓力變化下的體積相對(duì)變化量

體積彈性系數(shù)

K＝1/B單位體積變化量所需要的壓力增量

液壓油液的體積彈性系數(shù)數(shù)值很大，一般認(rèn)為液壓油液不可壓縮。氣體的壓縮性遠(yuǎn)大于液體，其體積隨壓力和溫度變化的規(guī)律服從氣體狀態(tài)方程。2023/6/115第五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三

粘性

1）粘性的概念液體在外力作用下流動(dòng)時(shí)，液體分子間的內(nèi)聚力要阻礙分子間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，這種性質(zhì)稱為粘性。液體的粘度示意圖液體只有在流動(dòng)（或有流動(dòng)趨勢(shì)）時(shí)才會(huì)呈現(xiàn)出粘性，靜止液體是不呈現(xiàn)粘性的。

2023/6/116第六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三2）粘度表示液體粘性大小的物理量是粘度。粘度大，液層間的內(nèi)摩擦力就大，油液就稠;反之，油液就稀。（1）動(dòng)力粘度μ（2）運(yùn)動(dòng)粘度ν（3）相對(duì)粘度

2023/6/117第七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三粘度與溫度關(guān)系：液壓油的粘度隨溫度升高粘度下降。粘度－溫度曲線（見圖1-2）。

粘度與壓力關(guān)系：

液壓油的粘度隨壓力的升高而變大，隨壓力變化不大，可忽略不計(jì)。

粘度選用原則：高壓、高溫、低速選用粘度大的液壓油（泄漏）低壓、低溫、高速選用粘度小的液壓油（內(nèi)摩擦阻力）

3）粘度與溫度、壓力關(guān)系2023/6/118第八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三2023/6/119第九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三動(dòng)力粘度（絕對(duì)粘度）動(dòng)力粘度μ的物理意義是：液體在單位速度梯度下流動(dòng)時(shí)單位面積上產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力。動(dòng)力粘度的單位為Pa·s（帕·秒）。

動(dòng)力粘度表征液體粘性的內(nèi)摩擦系數(shù)μ=(F/A)/(du/dy)

該量無法直接測量，實(shí)際工作中通過測量相對(duì)粘度，換算出運(yùn)動(dòng)粘度，再由運(yùn)動(dòng)粘度換算成絕對(duì)粘度（見表2-1）2023/6/1110第十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三

運(yùn)動(dòng)粘度

液體的動(dòng)力粘度μ與其密度ρ的比值，稱為液體的運(yùn)動(dòng)粘度ν。運(yùn)動(dòng)粘度的單位為m2/s，習(xí)慣上用單位為厘斯cSt

。

1m2/s=106cSt

沒有明確的物理意義,但是工程實(shí)際中常用的物理量。我國液壓油采用40℃運(yùn)動(dòng)粘度平均值來標(biāo)號(hào)，如牌號(hào)L-HL32的液壓油表示這種油在40℃運(yùn)動(dòng)粘度平均值為32cSt。

2023/6/1111第十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三

相對(duì)粘度

相對(duì)粘度又稱條件粘度，它是按一定的測量條件制定的。根據(jù)測量的方法不同，可分為恩氏粘度°E、賽氏粘度SSU、雷氏粘度Re等。我國采用恩氏粘度。

恩氏粘度計(jì)2023/6/1112第十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三對(duì)液壓油液的要求

粘溫特性好

，一般液壓系統(tǒng)所選用的液壓油，其運(yùn)動(dòng)粘度大多為（13～68cSt)（40℃）良好的化學(xué)穩(wěn)定性。良好的潤滑性能，以減小元件中相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面的磨損。成分要純凈

，不含或含有極少量的雜質(zhì)、水分和水溶性酸堿等。材料相容性好,對(duì)金屬和密封件有良好的相容性。

抗泡沫性好，抗乳化性好，腐蝕性小，抗銹性好。對(duì)人體無害、成本低。2023/6/1113第十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三液壓油液的選用選用液壓油液首先考慮的是粘度。選擇時(shí)要注意：液壓系統(tǒng)的工作壓力壓力高，要選擇粘度較大的液壓油液。環(huán)境溫度溫度高，選用粘度較大的液壓油液。運(yùn)動(dòng)速度速度高，選用粘度較低的液壓油液。液壓泵的類型各類泵適用的粘度范圍不同.液壓油的污染及其控制2023/6/1114第十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三

第二節(jié)流體靜力學(xué)

主要是研究流體處于靜止?fàn)顟B(tài)下的力學(xué)規(guī)律和這些規(guī)律的應(yīng)用

一、液體靜壓力及其特性

二、靜壓力基本方程式

三、壓力表示法及單位四、靜壓力對(duì)固體壁面的作用力

2023/6/1115第十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三

液體靜壓力及其特性

液體靜壓力：靜止液體在單位面積上所受的法向力。液體靜壓力在物理學(xué)上稱為壓強(qiáng)，工程實(shí)際應(yīng)用中習(xí)慣稱為壓力。

在液體的面積A上所受的作用力F為均勻分布時(shí)，靜壓力可表示為p=F/A

2023/6/1116第十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三液體的靜壓力具有兩個(gè)重要特性：液體靜壓力垂直于承壓面，方向?yàn)樵撁鎯?nèi)法線方向。

液體內(nèi)任一點(diǎn)所受的靜壓力在各個(gè)方向上都相等。

2023/6/1117第十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三

液體靜力學(xué)基本方程p=p0+ρgh靜壓力基本方程式2023/6/1118第十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三重力作用下靜止液體壓力分布特征：

靜壓力由液面壓力p0和重力引起的壓力ρgh兩部分組成。液體內(nèi)的壓力隨液體深度增加而增加。

同一液體中深度h相同的各點(diǎn)壓力都相等。由壓力相等的組成的面稱為等壓面。在重力作用下靜止液體中的等壓面是一個(gè)水平面。液體中任一質(zhì)點(diǎn)的總能量p/ρg+h保持不變，因此靜壓力基本方程從本質(zhì)上反映了靜止液體中的能量守恒關(guān)系.

2023/6/1119第十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三

壓力的表示法及單位

（1）壓力的表示法絕對(duì)壓力：以絕對(duì)零值為基準(zhǔn)所表示的壓力。絕對(duì)壓力＝大氣壓力+表壓力

相對(duì)壓力：以大氣壓力為基準(zhǔn)所表示的壓力。又稱表壓力。

表壓力＝絕對(duì)壓力-大氣壓力（壓力表）真空度：如果液體中某點(diǎn)處的絕對(duì)壓力低于大氣壓,絕對(duì)壓力不足大氣壓力的那部分壓力值。

真空度＝大氣壓力－絕對(duì)壓力

2023/6/1120第二十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三絕對(duì)壓力、相對(duì)壓力和真空度的相對(duì)關(guān)系：

2023/6/1121第二十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三（2）壓力的單位法定壓力單位為帕斯卡，簡稱帕，符號(hào)為Pa，1Pa=1N/m2。由于Pa太小，工程上常用兆帕（MPa）來表示：1MPa=106Pa

壓力單位及其它非法定計(jì)量單位的換算關(guān)系:

1at（工程大氣壓）=1kgf/cm2=9.8×104Pa

1mH2O(米水柱)=9.8×103Pa

1mmHg(毫米汞柱)=1.33×102Pa

1bar(巴)=105Pa≈1.02kgf/cm22023/6/1122第二十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三

靜壓力對(duì)固體壁面的作用力

（1）液體對(duì)平面的作用力當(dāng)固體壁面為平面時(shí)，F(xiàn)=pA，方向垂直于該平面

。2023/6/1123第二十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三（2）液體對(duì)曲面的作用力液體壓力在曲面某方向上的作用力F=pAx，Ax為曲面在該方向的投影面積2023/6/1124第二十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三第三節(jié)流體動(dòng)力學(xué)主要是研究流體流動(dòng)狀態(tài)下的力學(xué)規(guī)律（流速和壓力的變化規(guī)律）.

一、液體運(yùn)動(dòng)的基本概念二、連續(xù)性方程

三、伯努利方程

四、動(dòng)量方程它們是流體動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)，是液壓與氣壓傳動(dòng)中分析問題和設(shè)計(jì)計(jì)算的理論依據(jù)。2023/6/1125第二十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三

液體運(yùn)動(dòng)的基本概念

1、理想液體2、定常流動(dòng)3、過流斷面4、流量5、平均流速

2023/6/1126第二十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三

理想液體

理想液體：假設(shè)既沒有粘性又沒有壓縮性的液體。實(shí)際液體：既有粘性又有壓縮性的液體。2023/6/1127第二十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三

定常流動(dòng)

液體流動(dòng)時(shí)，若液體中任何一點(diǎn)的壓力、速度和密度都不隨時(shí)間而變化，則這種流動(dòng)就稱為定常流動(dòng)，又稱穩(wěn)定流動(dòng)。液體流動(dòng)時(shí)，若液體中任何一點(diǎn)的壓力、速度和密度中有一個(gè)隨時(shí)間而變化，則這種流動(dòng)就稱為非定常流動(dòng)。定常流動(dòng)與非定常流動(dòng)2023/6/1128第二十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三過流斷面液體流動(dòng)時(shí)，其垂直于流動(dòng)方向的截面。2023/6/1129第二十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三流量單位時(shí)間內(nèi)通過某過流截面的液體的體積稱為流量。用q表示。流量的單位為m3/sorL/min2023/6/1130第三十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三平均流速平均流速是通過整個(gè)通流截面的流量q與通流截面積A的比值。平均流速在工程中有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

v＝q/A

2023/6/1131第三十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三

流量連續(xù)性方程

連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒定律在流體力學(xué)中的一種表達(dá)形式。質(zhì)量守恒定律

ρv1A1＝ρv2A2

q＝vA＝常量恒定流動(dòng)中流過各截面的不可壓縮流體的流量是不變的，因而流速與通流截面的面積成反比

2023/6/1132第三十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三

伯努利方程

伯努利方程就是能量守衡定律在流動(dòng)液體中的表現(xiàn)形式。

1、理想液體的伯努利方程

2、實(shí)際液體的伯努利方程

3、伯努利方程的應(yīng)用2023/6/1133第三十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三理想液體的伯努利方程以上兩式即為理想液體作定常流動(dòng)的伯努利方程2023/6/1134第三十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三

物理意義：

第一項(xiàng)為單位重量液體的壓力能稱為比壓能（p/ρg）；

第二項(xiàng)為單位重量液體的動(dòng)能稱為比動(dòng)能（u2/2g）；

第三項(xiàng)為單位重量液體的位能稱為比位能（z）。在管內(nèi)作穩(wěn)定流動(dòng)的理想流體具有壓力能，勢(shì)能和動(dòng)能三種形式的能量，它們可以互相轉(zhuǎn)換，但其總和不變，即能量守恒。靜壓力基本方程是伯努利方程的特例.2023/6/1135第三十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三實(shí)際液體的伯努利方程實(shí)際流體存在粘性，流動(dòng)時(shí)存在能量損失，hw為單位質(zhì)量液體在兩截面之間流動(dòng)的能量損失。

用平均流速替代實(shí)際流速，α為動(dòng)能修正系數(shù)2023/6/1136第三十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三伯努利方程方程的應(yīng)用液壓泵吸油口處的真空度是油箱液面壓力與吸油口處壓力p2之差。液壓泵吸油口處的真空度卻不能太大.實(shí)踐中一般要求液壓泵的吸油口的高度h不超過0.5米.液壓泵從油箱吸油2023/6/1137第三十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三伯努利方程應(yīng)用舉例如圖示簡易熱水器，已知A1=A2/4、h,問冷水管內(nèi)流量達(dá)到多少時(shí)才能抽吸熱水？解：列A1、A2截面的伯努利方程

p1/ρg+v12/2g=p2/ρg+v22/2g補(bǔ)充輔助方程p1=pa－ρghp2=pav1A1=v2A2代入得－h(huán)+v12/2g=(v1/4)2/2gv1=(32gh/15)0.5q=v1A1=(32gh/15)0.5A12023/6/1138第三十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三

動(dòng)量方程

動(dòng)量方程就是動(dòng)量定律在流動(dòng)液體中的具體應(yīng)用。用來計(jì)算流動(dòng)液體作用于限制壁面上的總作用力。作用在液體控制體積上的外力總和等于單位時(shí)間內(nèi)流出控制表面與流入控制表面的流體的動(dòng)量之差。應(yīng)用動(dòng)量方程注意：F、u是矢量；流動(dòng)流體作用在固體壁面上的力與作用在流體上的力大小相等、方向相反。

2023/6/1139第三十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三動(dòng)量定理應(yīng)用2023/6/1140第四十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三第四節(jié)液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失

一、壓力損失的基本概念二、層流、紊流、雷諾數(shù)三、沿程壓力損失四、局部壓力損失五、系統(tǒng)總壓力損失

2023/6/1141第四十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三壓力損失的基本概念

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)。

2023/6/1142第四十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三層流、紊流、雷諾數(shù)

層流：液體質(zhì)點(diǎn)互不干擾，液體的流動(dòng)呈線性或?qū)訝?，且平行于管道軸線；

紊流：液體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)雜亂無章，除了平行于管道軸線的運(yùn)動(dòng)以外，還存在著劇烈的橫向運(yùn)動(dòng)。

雷諾實(shí)驗(yàn)液體存在兩種不同性質(zhì)的流態(tài)。

液體的流動(dòng)狀態(tài)要用雷諾數(shù)來判定。

2023/6/1143第四十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三雷諾數(shù)

實(shí)驗(yàn)表明真正決定液流流動(dòng)狀態(tài)的是用管內(nèi)的平均流速v、液體的運(yùn)動(dòng)粘度υ

、管徑d三個(gè)數(shù)所組成的一個(gè)稱為雷諾數(shù)Re的無量綱數(shù)。

Re=vd/υ

雷諾數(shù)的物理意義：影響液體流動(dòng)的力主要有慣性力和粘性力，雷諾數(shù)就是流動(dòng)液體的慣性力與粘性力之比2023/6/1144第四十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三雷諾判據(jù)：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。常見液流管道的臨界雷諾數(shù)見書中表格

。（表2.3）對(duì)于非圓形截面管路，雷諾數(shù)定義為

A—液流的有效面積；χ—液流的濕周（液流有效截面的周界長度）。2023/6/1145第四十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三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。沿程壓力損失的大小與流體的流態(tài)有關(guān)。

2023/6/1146第四十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三沿程壓力損失Δpλ=λ（l/d）ρv2/2式中λ稱為沿程阻力系數(shù)。層流時(shí)的沿程壓力損失系數(shù)理論值λ=64/Re，金屬管取λ＝75/Re,橡膠管取λ＝80/Re紊流時(shí)的沿程壓力損失系數(shù)λ除了與雷諾數(shù)有關(guān)外，還與管道的粗糙度有關(guān)，λ=f（Re，Δ/d）2023/6/1147第四十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三局部壓力損失

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。

Δpξ=ξρv2/2ξ為局部阻力系數(shù)，具體數(shù)值可查有關(guān)手冊(cè)

2023/6/1148第四十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三系統(tǒng)總壓力損失整個(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∑Δp=∑Δpλ+∑Δpξ2023/6/1149第四十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三

第五節(jié)孔口和縫隙流動(dòng)

一、孔口液流特性

二、縫隙液流特性

液流經(jīng)過小孔的流量公式是研究節(jié)流調(diào)速的理論基礎(chǔ)，液流經(jīng)過縫隙的流量公式是分析計(jì)算液壓元件的泄漏的理論依據(jù)。

2023/6/1150第五十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三2023/6/1151第五十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三當(dāng)l/d≤0.5時(shí)，稱為薄壁小孔；當(dāng)l/d＞4時(shí)，稱為細(xì)長孔，當(dāng)0.5＜l/d≤4時(shí)，稱為短孔。流經(jīng)薄壁小孔流量

q=CdAo（2Δp/ρ）1/2

A0—小孔截面積；

Cd—流量系數(shù)，當(dāng)d1/d2＝7時(shí)取Cd=0.62

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。2023/6/1152第五十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三流經(jīng)細(xì)長孔的流量

q=（πd4/128μl）Δp流量受液體溫度影響較大。2023/6/1153第五十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三縫隙液流特性縫隙間充滿流體時(shí)，壓差作用會(huì)使流體產(chǎn)生流動(dòng)，稱為壓差流動(dòng)；兩壁面相對(duì)運(yùn)動(dòng)也會(huì)使流體產(chǎn)生流動(dòng)，稱為剪切流動(dòng)。2023/6/1154第五十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三平行平板縫隙流動(dòng)1、壓差流動(dòng)：上下兩平板固定不動(dòng)，液體在間隙兩端壓差作用下在間隙中流動(dòng)。

q=bh

3Δp/12μl

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

2023/6/1155第五十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三2、兩平行平板有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的間隙流動(dòng)

（1）純剪切流動(dòng):兩平板有相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度v，但無壓差。

（2）兩平板即有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，兩端又有壓差的流動(dòng)。

2023/6/1156第五十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三第六節(jié)

液壓沖擊和氣蝕現(xiàn)象液壓沖擊氣穴和氣蝕現(xiàn)象

2023/6/1157第五十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三液壓沖擊

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。

2023/6/1158第五十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三1、液壓沖擊產(chǎn)生的原因液體突然停止運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的液壓沖擊管道閥門突然關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的液壓沖擊運(yùn)動(dòng)部件制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的液壓沖擊2023/6/1159第五十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期三2、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2023/6/1160第六十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期