液壓傳動流體力學基礎(chǔ)

1、2022-2-2112022-2-211第二章第二章 液壓流體力學基礎(chǔ)液壓流體力學基礎(chǔ)液壓傳動及控制液壓傳動及控制 液壓流體力學液壓流體力學 屬工程流體力學的范疇，應用流體屬工程流體力學的范疇，應用流體力學的理論結(jié)果力學的理論結(jié)果來來研究液體在液壓系統(tǒng)內(nèi)的研究液體在液壓系統(tǒng)內(nèi)的運動、運動、平衡平衡以及液體與液壓元件間的相互作用規(guī)律以及液體與液壓元件間的相互作用規(guī)律液體靜力學液體靜力學 研究液體在靜止狀態(tài)下的力學規(guī)律及研究液體在靜止狀態(tài)下的力學規(guī)律及其應用其應用液體動力學液體動力學 研究液體流動時流速和壓力的變化規(guī)研究液體流動時流速和壓力的變化規(guī)律律液壓流體力學液壓流體力學 液體流體力學液體流體

2、力學 液壓傳動中的應用需要解決的流體力學問題：液壓傳動中的應用需要解決的流體力學問題： 管道中液流的特性：管道中液流的特性： 用于計算流體在管路中流動時的壓力損失用于計算流體在管路中流動時的壓力損失 孔口及縫隙的壓力流量特性：孔口及縫隙的壓力流量特性： 分析節(jié)流調(diào)速回路性能和計算元件泄露量的理論依據(jù)分析節(jié)流調(diào)速回路性能和計算元件泄露量的理論依據(jù) 液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象：液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象： 如何有效避免有害現(xiàn)象如何有效避免有害現(xiàn)象 液體液體靜壓力的特性靜壓力的特性： 液體液體靜壓力垂直于承壓面，方向靜壓力垂直于承壓面，方向為該面內(nèi)法線方向為該面內(nèi)法線方向。 液體液體內(nèi)任一點所受的靜壓力在各內(nèi)任一點

3、所受的靜壓力在各個方向上都相等。個方向上都相等。靜壓力及其特性靜壓力及其特性液體靜力學是液體靜力學是研究靜止液體的力學規(guī)律以及這些規(guī)律的應用。這里所說的靜止液體是指液體內(nèi)部質(zhì)點間沒有相對運動而言，至于盛裝液體的容器，不論它是靜止的或是運動的，都沒有關(guān)系。2.1 2.1 液體靜力學液體靜力學 在重力作用下的靜止液體，其受在重力作用下的靜止液體，其受力情況如圖力情況如圖2.1a2.1a所所示：示： 液體重力液體重力 液面液面上的上的壓力壓力 容器容器壁面作用在液體上的壁面作用在液體上的壓力壓力 2.1 液體靜力學液體靜力學 靜壓力的基本方程靜壓力的基本方程圖圖2.12.1重力作用下的靜止液體重力作

4、用下的靜止液體如要求出液體內(nèi)離液面深度為如要求出液體內(nèi)離液面深度為h h的的某一點壓力，可以從液體內(nèi)取出某一點壓力，可以從液體內(nèi)取出一個底面通過該點的垂直小液柱一個底面通過該點的垂直小液柱作為控制體作為控制體。 2.1 液體靜力學液體靜力學 靜壓力的基本方程靜壓力的基本方程 圖圖2.12.1重力作用下的靜止液體重力作用下的靜止液體這個小液柱在重力及周圍液體的這個小液柱在重力及周圍液體的壓壓力的作用力的作用下處于平衡狀態(tài)，其在垂下處于平衡狀態(tài)，其在垂直方向上的力平衡方程式為直方向上的力平衡方程式為 ：0gp ApAh A式中，式中，g gh hA A為小液柱的重力。為小液柱的重力。上式化簡后得：

5、上式化簡后得： hppg0式（式（2.32.3）是液體靜壓力基本方程式）是液體靜壓力基本方程式 2.1 液體靜力學液體靜力學 靜止靜止液體液體中中的壓力的壓力分布分布 壓力隨深度壓力隨深度線性增加；線性增加；等深等壓。等深等壓。 2.1 液體靜力學液體靜力學 靜止靜止液體液體中中的壓力的壓力分布分布 例例2.12.1（教材（教材P15P15） 已知：油已知：油=900kg/m=900kg/m3 3, , F=1000NF=1000N，A=1A=11010-3-3m m2 2，忽略活塞的質(zhì)量。求：，忽略活塞的質(zhì)量。求：在在h=0.5mh=0.5m處的處的P=?P=?解解：（：（1 1）活塞和液面

6、接觸處的壓力為：）活塞和液面接觸處的壓力為： p p0 0=F/A=1000=F/A=1000/(/(1 11010-3-3) )=10=106 6(Pa)(Pa) （2 2）h h處的壓力：處的壓力： p=pp=p0 0+ +gh=1.0044gh=1.004410106 6N/mN/m2 210106 6 PaPa從上面可以看到，從上面可以看到，液體在受壓情況下液體在受壓情況下，其液，其液柱高度所引起的那部分壓力相當小，可以忽柱高度所引起的那部分壓力相當小，可以忽略不計，并認為整個靜止液體內(nèi)部的壓力是略不計，并認為整個靜止液體內(nèi)部的壓力是近乎相等的。近乎相等的。 2.1 液體靜力學液體靜力

7、學 靜止靜止液體液體中中的壓力的壓力分布分布 例：如圖所示，有一直徑為例：如圖所示，有一直徑為d d，重量為重量為G G的活塞侵在液體中，的活塞侵在液體中，并在力并在力F F的作用下處于靜止狀的作用下處于靜止狀態(tài)，若液體的密度為態(tài)，若液體的密度為，活，活塞侵入深度為塞侵入深度為h h，試確定液體，試確定液體在測量管內(nèi)的上升高度在測量管內(nèi)的上升高度x x。xFdGh解：對活塞進行受力分析，解：對活塞進行受力分析，活塞受到向下的力：活塞受到向下的力： F F下下F FG G活塞受到向上的力：活塞受到向上的力：由于活塞在由于活塞在F F作用下受力平衡，作用下受力平衡，則：則：F F下下F F上上，所

8、以：，所以：42dxhgF上hgdGFx24 （1）壓力單位）壓力單位 國際單位：國際單位：帕（帕（Pa=N/m2）、千帕（）、千帕（kPa）、兆帕（）、兆帕（MPa） 工程單位：工程單位：公斤力公斤力/厘米厘米2（kgf/cm2）、巴（）、巴（bar）或工程大）或工程大氣壓（氣壓（at） 1at=1Kgf/cm2=9.81104Pa=10mH2O=0.1MPa 1bar=105Pa=0.1MPa 1bar=1.02kgf/cm2 1atm(標準大氣壓標準大氣壓)=0.986923105Pa 液液柱柱高：高： 1mH2O(米水柱米水柱)=9.8103Nm2 1mmHg(毫米汞柱毫米汞柱)=1.

9、33102Nm22.1 液體靜力學液體靜力學 壓力的表示方法壓力的表示方法 靜壓力在物理學上稱壓強工程中習慣稱為壓力1公斤壓力=0.1MPa （2）絕對壓力、相對壓力（表壓力）和真空度）絕對壓力、相對壓力（表壓力）和真空度2.1 液體靜力學液體靜力學 壓力的表示方法壓力的表示方法 今后，今后，。 圖圖2.3 2.3 絕對壓力與相對壓力間的關(guān)系絕對壓力與相對壓力間的關(guān)系絕對壓力=相對壓力+大氣壓表壓力（正的相對壓力）=絕對壓力-大氣壓真空度（負的相對壓力）=絕對壓力-大氣壓1Kgf/cm2=9.81104Pa 2.1 液體靜力學液體靜力學 帕斯卡原理帕斯卡原理 在密閉容器內(nèi)，施加于靜止液體的在密

10、閉容器內(nèi)，施加于靜止液體的壓力可以等值地傳遞到液體各點。壓力可以等值地傳遞到液體各點。 這就是這就是，也稱為，也稱為。由此由此可得：可得：液壓傳動可使力放大，可使力縮小，也可以改變力的方向。液壓傳動可使力放大，可使力縮小，也可以改變力的方向。液體內(nèi)的壓力是由負載決定的。液體內(nèi)的壓力是由負載決定的。作用作用在大活塞上的負載在大活塞上的負載F F1 1形成液體形成液體壓力壓力p p= = F F1 1/A/A1 1。為防止大為防止大活塞下降，在小活塞上應施加的力活塞下降，在小活塞上應施加的力 F F2 2= pA= pA2 2= F= F1 1A A2 2/A/A1 1。應用帕斯卡原理的實例應用帕

11、斯卡原理的實例 總結(jié)總結(jié)液壓流體力學液體靜力學液體動力學靜壓力基本方程帕斯卡原理靜壓力及其特性hppg0 基本概念基本概念 （一）（一）理想流體、理想流體、 定常流動（恒定流動）定常流動（恒定流動） （二）（二）流線、流管、流束流線、流管、流束 （三）（三）通流截面（過流斷面）、通流截面（過流斷面）、 流量、流量、 平均流速平均流速2.2 2.2 液體動力學液體動力學 基本原理基本原理 流量（連續(xù)性方程）、流量（連續(xù)性方程）、 伯努利方程、伯努利方程、 動量方程動量方程流體運動學和流體動力學的三個基本方程流體運動學研究流體的運動規(guī)律流體動力學研究作用于流體上的力與流體運動之間的關(guān)系。 實際液體

12、具有黏性，研究液體的流動時必須考慮黏性的影響。 但由于這個問題非常復雜，所以開始分析時可以假設液體沒有黏性，然后再考慮粘性的作用并通過實驗驗證等辦法對理想化的結(jié)論進行補充或修正。這種方法同樣可以用來處理液體的可壓縮性問題。理想理想液體液體：既既無粘性又不可壓縮的假想無粘性又不可壓縮的假想液體。液體。理想液體理想液體 2.2 2.2 液體動力學液體動力學 定常流動定常流動（或恒定流動、穩(wěn)定流動（或恒定流動、穩(wěn)定流動）液體液體流動時，如液體中流動時，如液體中任何一點任何一點的的壓力壓力、速度速度和和密密度度都不隨時間而都不隨時間而變化的一種流動狀態(tài)變化的一種流動狀態(tài)反之反之，只要，只要壓力、速度或

13、密度壓力、速度或密度中有一個參數(shù)隨時間中有一個參數(shù)隨時間變化，則液體的流動被稱為非定常流動。變化，則液體的流動被稱為非定常流動。2.2 液體動力學液體動力學 定常定常流動流動 ，可以認為流體作，可以認為流體作；，則必須按，則必須按來考慮來考慮。任意一點 2.2 液體動力學液體動力學 實驗實驗 當當液體整個作線形流動時，稱為液體整個作線形流動時，稱為一維流動一維流動； 當作當作平面或空間流動時，稱為平面或空間流動時，稱為二維二維或或三維流動三維流動。一維流一維流動最簡單，但是嚴格意義上的一維流動要求液流截面上動最簡單，但是嚴格意義上的一維流動要求液流截面上各點處的速度矢量完全相同，這種情況在現(xiàn)實

14、中各點處的速度矢量完全相同，這種情況在現(xiàn)實中極為少見極為少見。通常通常把封閉容器內(nèi)液體的流動按一維流動把封閉容器內(nèi)液體的流動按一維流動處理處理再再用實驗數(shù)據(jù)用實驗數(shù)據(jù)來修正其來修正其結(jié)果。結(jié)果。液壓傳動液壓傳動中對工作介質(zhì)流動的分析討論就是這樣中對工作介質(zhì)流動的分析討論就是這樣進行的進行的。2.2 液體動力學液體動力學 一維流動一維流動 是是，它表示在同一瞬時流，它表示在同一瞬時流場中各質(zhì)點的運動狀態(tài)。場中各質(zhì)點的運動狀態(tài)。2.2 液體動力學液體動力學 流線流線 流線流線之間之間，流線也，流線也，它它。，因而，因而流線形狀也隨時流線形狀也隨時間變化間變化，流線形狀不隨時間，流線形狀不隨時間變化

15、變化 流線流線上每一質(zhì)點的速度向量與這條曲線相切上每一質(zhì)點的速度向量與這條曲線相切 流線流線代表了某一瞬時一群流體質(zhì)點的流速代表了某一瞬時一群流體質(zhì)點的流速方向方向流場流場中每一質(zhì)點在每一瞬時只能有一個中每一質(zhì)點在每一瞬時只能有一個速度速度液流液流通過空間點的速度隨時間通過空間點的速度隨時間變化變化 2.2 液體動力學液體動力學 流管流管和流束和流束 ；。；。一維流動一維流動流線流線間夾角很小，或流線曲率半徑很大的間夾角很小，或流線曲率半徑很大的流動流動將流管截面無限縮小趨近于將流管截面無限縮小趨近于零零微小微小流管流管微小微小流束流束根據(jù)根據(jù)流線不會相交的性質(zhì)，流管內(nèi)外的流線流線不會相交的性

16、質(zhì)，流管內(nèi)外的流線均不會穿越均不會穿越流管流管。流管流管在在流場中畫一不流場中畫一不屬于屬于任何流線任何流線的的任意封閉任意封閉曲線曲線，沿該封閉曲線上的每一點作流線，沿該封閉曲線上的每一點作流線，由這些由這些流線組成的流線組成的表面表面。流管內(nèi)的流線群稱為。流管內(nèi)的流線群稱為流束流束。 2.2 液體動力學液體動力學 通流截面、流量和平均流速通流截面、流量和平均流速 流流束中束中如如圖圖c c中的中的和和，通流截面上每點處的流動速度都，通流截面上每點處的流動速度都于這個面。于這個面。，常用常用 表示表示 ，即：，即：tVq 式中式中 流量，在液壓傳動中流量流量，在液壓傳動中流量 常用單位常用單

17、位； 液體的體積；液體的體積； 流過液體體積流過液體體積所需的時間。所需的時間。一般而言，不可壓縮流體的流量指的是體積流量另外，質(zhì)量流量，kg/s 2.2 液體動力學液體動力學 通流截面、流量和平均流速通流截面、流量和平均流速 液壓領(lǐng)域的應用條件：不可壓縮定常流動液壓領(lǐng)域的應用條件：不可壓縮定常流動液壓流體力學：不可壓縮的定常流動的流量連續(xù)性液壓流體力學：不可壓縮的定常流動的流量連續(xù)性方程方程液壓的應用：液壓的應用：分分支流支流合并流合并流2.2 液體動力學液體動力學 流量連續(xù)性方程流量連續(xù)性方程 （質(zhì)量守恒）（質(zhì)量守恒） 在一個連通管道中 2.2 液體動力學液體動力學 連續(xù)性方程連續(xù)性方程

18、例：如圖所示，已知流量例：如圖所示，已知流量q q1 1=25L/min=25L/min，小活塞桿直徑，小活塞桿直徑d d1 1=20mm=20mm，小活塞直徑小活塞直徑D D1 1=75mm=75mm，大活塞桿直徑，大活塞桿直徑d d2 2=40mm=40mm，大活塞直徑，大活塞直徑D D2 2=125mm=125mm，假設沒有泄漏流量，求大小活塞的運動速度，假設沒有泄漏流量，求大小活塞的運動速度v v1 1，v v2 2。解：根據(jù)液體在解：根據(jù)液體在同一連通管道同一連通管道中中作定常流動的連續(xù)方程作定常流動的連續(xù)方程q=vAq=vA，求，求大小活塞的運動速度大小活塞的運動速度v v1 1，

19、v v2 2。smmmLdDqv/102. 0207514. 341min/2541222212111smDDvDqv/037. 041414122211222 2.2 液體動力學液體動力學 伯努利方程（能量守恒）伯努利方程（能量守恒） 重力場中黏性不可壓縮定常流總流的伯努利方程僅受重力作用的實際液體在流管中作平行流動或緩變流動能量損失物理意義：單位重力實際液體的能量守恒 2.2 液體動力學液體動力學 伯努利方程（能量守恒）伯努利方程（能量守恒） 液壓應用領(lǐng)域：（1）流體不可壓縮 油的體積彈性模量約為（1.22）103 MPa（2）定常流動（3）選取緩變流動的截面為研究對象截面形狀比較規(guī)則速度

20、沒有急劇的大小和方向的改變 2.2 液體動力學液體動力學 動量方程（能量守恒）動量方程（能量守恒） 從剛體動力學中引用流體所受外力由動量（定理）方程求得：作用于控制體積內(nèi)的液體的外力等于該控制體積內(nèi)液體動量的變化率液壓領(lǐng)域的應用應用條件：不可壓縮定常流動應用目的：應用動量（定理）方程求流體對固體的作用力流體對固體的作用力液壓領(lǐng)域的典型應用：求閥芯的穩(wěn)態(tài)液動力液體所受的外力液體對固體的作用力 動量方程（能量守恒）動量方程（能量守恒） + 總結(jié)總結(jié)液壓流體力學液體靜力學液體動力學靜壓力基本方程帕斯卡原理靜壓力及其特性hppg0基本原理基本概念理想流體理想流體、 定常流動（恒定流動）定常流動（恒定流

21、動）流線流線、流管、流束、流管、流束通通流截面（過流斷面）、流截面（過流斷面）、 流量、流量、 平均流速平均流速 液體流體力學液體流體力學 液壓傳動中的應用需要解決的流體力學問題：液壓傳動中的應用需要解決的流體力學問題： 管道中液流的特性：管道中液流的特性： 用于計算流體在管路中流動時的壓力損失用于計算流體在管路中流動時的壓力損失 （1）壓力損失的物理原因：液體的內(nèi)摩擦，流體質(zhì)）壓力損失的物理原因：液體的內(nèi)摩擦，流體質(zhì)點相互之間的碰撞。（局部流動的速度大小和方向點相互之間的碰撞。（局部流動的速度大小和方向變化，宏觀上產(chǎn)生漩渦、分離變化，宏觀上產(chǎn)生漩渦、分離、脫流現(xiàn)象）脫流現(xiàn)象）2.3 2.3

22、管道中液流的特性管道中液流的特性 液體的液體的流動流動時的壓力損失時的壓力損失在拐角處由于流體微團相互之間的摩擦作用，使得一部分機械能不可逆的轉(zhuǎn)換成熱能，在流動過程中，不斷地有微團被主流帶走，同時也有微團補充到拐角區(qū)，這種流體微團的不斷補充和帶走，必然產(chǎn)生撞擊、摩擦和質(zhì)量交換，從而消耗一部分機械能 （2）研究壓力損失的意義）研究壓力損失的意義 優(yōu)化設計液壓系統(tǒng)；減少壓力損失；利用壓力優(yōu)化設計液壓系統(tǒng)；減少壓力損失；利用壓力損失所形成的壓差來控制液壓元件的動作損失所形成的壓差來控制液壓元件的動作2.3 2.3 管道中液流的特性管道中液流的特性 液體的液體的流動流動時的壓力損失時的壓力損失 2.3

23、 2.3 管道中液流的特性管道中液流的特性 液體的液體的流動流動時的壓力損失時的壓力損失壓力差水力損失表示水頭，單位為液柱的高度 2.3 2.3 管道中液流的特性管道中液流的特性 液體的液體的流動流動時的壓力損失時的壓力損失 彎管的局部損失系數(shù)2.3 2.3 管道中液流的特性管道中液流的特性 液體的液體的流動流動時的壓力損失時的壓力損失dcr 三通管管接頭直通式管接頭直角式管接頭鉸接式管接頭 （5）系統(tǒng)管路中的沿程壓力損失如何計算？）系統(tǒng)管路中的沿程壓力損失如何計算？ 沿程壓力損失沿程壓力損失:平直管路上液體因各流層之間平直管路上液體因各流層之間的內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的壓力損失。的內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的壓力損

24、失。2.3 2.3 管道中液流的特性管道中液流的特性 液體的液體的流動流動時的壓力損失時的壓力損失 2.3 2.3 管道中液流的特性管道中液流的特性 雷諾數(shù)及雷諾判據(jù)雷諾數(shù)及雷諾判據(jù)1. 1. 層流和湍流層流和湍流 19 19世紀末，英國物理學家世紀末，英國物理學家首先通過實驗觀察了水在首先通過實驗觀察了水在圓管內(nèi)的流動情況，發(fā)現(xiàn)液體有兩種流動狀態(tài)：圓管內(nèi)的流動情況，發(fā)現(xiàn)液體有兩種流動狀態(tài)：和和。層流：層流：液體質(zhì)點沒有橫向運動，互不干擾作定向而不混雜地液體質(zhì)點沒有橫向運動，互不干擾作定向而不混雜地有層次的流動。有層次的流動。湍流：湍流：當液體的流速大于某一數(shù)值之后，液體除交錯而又混當液體的流

25、速大于某一數(shù)值之后，液體除交錯而又混亂地沿某一方向運動外，還有一個橫向的脈動速度。亂地沿某一方向運動外，還有一個橫向的脈動速度。 層流層流和和湍流湍流是兩種不同性質(zhì)的流態(tài)。是兩種不同性質(zhì)的流態(tài)。層流時，液體流速較低，質(zhì)點層流時，液體流速較低，質(zhì)點受黏性受黏性制約，不能隨意運動制約，不能隨意運動，黏性黏性力起主導作用力起主導作用；湍流時，液體流速較高湍流時，液體流速較高，黏性，黏性的制約作用減弱，的制約作用減弱，慣性力起主慣性力起主導作用導作用。 第第41張張/共共91張張12:36 2.3 2.3 管道中液流的特性管道中液流的特性 液體的流動狀態(tài)液體的流動狀態(tài) 2.3 2.3 管道中液流的特性

26、管道中液流的特性 液體的流動狀態(tài)液體的流動狀態(tài) 2. 2. 雷諾數(shù)雷諾數(shù)液體的流動狀態(tài)可用液體的流動狀態(tài)可用來判別。來判別。實驗證明，液體在圓管中的流動狀態(tài)不僅與管內(nèi)的實驗證明，液體在圓管中的流動狀態(tài)不僅與管內(nèi)的有關(guān)有關(guān)，還和，還和、液體的、液體的有關(guān)。而用來判別液有關(guān)。而用來判別液流狀態(tài)的是由這三個參數(shù)所組成的一個稱為流狀態(tài)的是由這三個參數(shù)所組成的一個稱為的的ddRev圓形截面管dH=d（管道內(nèi)徑） 2.3 2.3 管道中液流的特性管道中液流的特性 液體的流動狀態(tài)液體的流動狀態(tài) 對于對于的管道來說，的管道來說，應用下式計算應用下式計算vdReHAd4H水力直徑水力直徑的大小對管道的的大小對管

27、道的通流能力通流能力影響很大影響很大。水力水力直徑大，意味著液流與管壁接觸少，阻力小，通流能力直徑大，意味著液流與管壁接觸少，阻力小，通流能力大，即使通流截面積小時也不容易堵塞。大，即使通流截面積小時也不容易堵塞。在面積相等但形狀不同在面積相等但形狀不同的所有通流截面中，的所有通流截面中，圓圓形管的形管的水力直徑水力直徑最大最大 第第44張張/共共91張張12:36液體的流動狀態(tài)液體的流動狀態(tài) 2.3 2.3 管道中液流的特性管道中液流的特性 臨界雷諾數(shù)及雷諾判據(jù)臨界雷諾數(shù)：臨界雷諾數(shù)：液流由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r的雷諾數(shù)和由湍流轉(zhuǎn)液流由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r的雷諾數(shù)和由湍流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鲿r的雷諾數(shù)是不同的，

28、后者數(shù)值小。所以一般都用變?yōu)閷恿鲿r的雷諾數(shù)是不同的，后者數(shù)值小。所以一般都用后者作為判別流動狀態(tài)的依據(jù)，記作后者作為判別流動狀態(tài)的依據(jù)，記作ReRecrcr。當雷諾數(shù)當雷諾數(shù)ReReReReReRecrcr時時, , 液流大多為湍流液流大多為湍流。典型情況，光滑金屬管中：典型情況，光滑金屬管中：Re2000Re2000Re200023002300時，液體作湍流運動時，液體作湍流運動湍流層流 液體的流動狀態(tài)液體的流動狀態(tài) 2.3 2.3 管道中液流的特性管道中液流的特性 液體的流動狀態(tài)液體的流動狀態(tài) 2.3 2.3 管道中液流的特性管道中液流的特性 泊肅葉流(Poiseuille流）rv 液體的

29、流動狀態(tài)液體的流動狀態(tài) 2.3 2.3 管道中液流的特性管道中液流的特性 液體的流動狀態(tài)液體的流動狀態(tài) 2.3 2.3 管道中液流的特性管道中液流的特性 圓管湍流運動的特點圓管湍流運動的特點a.a.壓力損失與層流時大（因為湍流運動的復雜性）壓力損失與層流時大（因為湍流運動的復雜性）b.b.管截面的速度分布同層流不一樣管截面的速度分布同層流不一樣c.c.壓力損失還取決于管道內(nèi)壁的表面粗糙度（湍流粗糙管和壓力損失還取決于管道內(nèi)壁的表面粗糙度（湍流粗糙管和湍流光滑管）湍流光滑管） 液體的流動狀態(tài)液體的流動狀態(tài) 2.3 2.3 管道中液流的特性管道中液流的特性 表2.2 2.3 2.3 管道中液流的特

30、性管道中液流的特性 液體的液體的流動流動時的壓力損失時的壓力損失損失與管長、管徑、液體黏度和流速等因素有關(guān)損失與管長、管徑、液體黏度和流速等因素有關(guān)?？倝毫倝毫p失與流速的平方成正比，適當限制流速是減小管路損失與流速的平方成正比，適當限制流速是減小管路壓力損失的重要措施壓力損失的重要措施之一。之一。 液體流體力學液體流體力學 液壓傳動中的應用需要解決的流體力學問題：液壓傳動中的應用需要解決的流體力學問題： 管道中液流的特性：管道中液流的特性： 用于計算流體在管路中流動時的壓力損失用于計算流體在管路中流動時的壓力損失 孔口及縫隙的壓力流量特性：孔口及縫隙的壓力流量特性： 分析節(jié)流調(diào)速回路性能和

31、計算元件泄露量的理論依據(jù)分析節(jié)流調(diào)速回路性能和計算元件泄露量的理論依據(jù)p,q 除管流外其它的典型流動除管流外其它的典型流動形式形式2.4 2.4 孔口和隙縫流動孔口和隙縫流動 孔口各種縫隙流動：平行平板縫隙流、圓柱環(huán)狀 縫隙流和平行圓盤縫隙流小孔出流：薄壁孔、厚壁孔和細長孔閥口流動：錐閥和滑閥等節(jié)流口流動分析節(jié)流調(diào)速回路性能和計算元件泄露量 第第54張張/共共91張張12:36流體流經(jīng)孔口的普遍規(guī)律流體流經(jīng)孔口的普遍規(guī)律2.4 2.4 孔口和隙縫流動孔口和隙縫流動 流量系數(shù)考慮壓力損失，由伯努利方程得到 管路系統(tǒng)總的壓力損失基本方程 孔口分類：孔口分類： 薄壁孔薄壁孔(l/d0.5)(l/d0

32、.5) 短短孔（厚壁孔）（孔（厚壁孔）（0.5l/d40.54(l/d4）孔口流孔口流量量 2.4 2.4 孔口和隙縫流動孔口和隙縫流動 (1) 薄壁小孔（薄壁小孔（ l/d0.5 l/d0.5 ）的流動特點）的流動特點 有進口、出口的壓力損失有進口、出口的壓力損失2.4 孔口和隙縫流動孔口和隙縫流動 孔口流孔口流量量 圖圖2.20 2.20 通過薄壁小孔的流體通過薄壁小孔的流體能量損失由什么造成？能量損失程度能量損失程度阻力大小阻力大小Cd值越大，能量損失越小Cd值越小，能量損失越大 第第58張張/共共91張張12:36(1) 薄壁小孔（薄壁小孔（ l/d0.5 l/d0.5 ）的流動特點）

33、的流動特點 2.4 孔口和隙縫流動孔口和隙縫流動 孔口流孔口流量量 圖圖2.20 2.20 通過薄壁小孔的流體通過薄壁小孔的流體當當管道直徑與小孔直徑之管道直徑與小孔直徑之比比d d/ /d d0 077時，流體的收縮作用不受孔前時，流體的收縮作用不受孔前管道內(nèi)壁的影響，這時稱管道內(nèi)壁的影響，這時稱；當當d d/ /d d0 07 7時，孔前管道內(nèi)壁對流體進時，孔前管道內(nèi)壁對流體進入小孔有導向作用，這時稱入小孔有導向作用，這時稱。 由于由于薄壁小孔具有沿程壓力損失小、通過小孔薄壁小孔具有沿程壓力損失小、通過小孔的流量對工作介質(zhì)溫度的變化不敏感等特性，所以的流量對工作介質(zhì)溫度的變化不敏感等特性，

34、所以常被常被。 正因為如此，在液壓與氣壓傳動中，常采用一正因為如此，在液壓與氣壓傳動中，常采用一些與薄壁小孔流動特性相近的閥口作為可調(diào)節(jié)孔口些與薄壁小孔流動特性相近的閥口作為可調(diào)節(jié)孔口，如錐閥、滑閥、噴嘴擋板閥等。，如錐閥、滑閥、噴嘴擋板閥等。2.4 孔口和隙縫流動孔口和隙縫流動 孔口流孔口流量量 （2）短孔（）短孔（ 0.5l/d4 0.5l/d4 ）的流動特點）的流動特點 a、有局部壓力損失：進口壓力損失和收縮后的擴散有局部壓力損失：進口壓力損失和收縮后的擴散損失損失 b、收縮后的沿程壓力損失收縮后的沿程壓力損失2.4 孔口和隙縫流動孔口和隙縫流動 孔口流孔口流量量 的流量公式依然是式（的

35、流量公式依然是式（2.402.40），但其流量系數(shù)，但其流量系數(shù)C Cd d應由圖應由圖2.222.22查出查出。由圖可知，當。由圖可知，當ReRe20002000時，時，C Cd d基基本保持在本保持在0.80.8左右。左右。圖圖2.22 2.22 短孔流量系數(shù)短孔流量系數(shù)作固定節(jié)流器 2.4 孔口和隙縫流動孔口和隙縫流動 孔口流孔口流量量 液體流經(jīng)細長孔的流量和孔前后壓差液體流經(jīng)細長孔的流量和孔前后壓差p p成正比，成正比，而和液體粘度而和液體粘度成反比。因此流量受液體溫度變化成反比。因此流量受液體溫度變化的影響較大。這一點和薄壁小孔的特性明顯不同。的影響較大。這一點和薄壁小孔的特性明顯不

36、同。泊肅葉流動 第第62張張/共共91張張12:362.4 孔口和隙縫流動孔口和隙縫流動 短孔和細長孔短孔和細長孔（4）液壓閥閥口的壓力流量特性：）液壓閥閥口的壓力流量特性： 在一定的壓差作用下，流經(jīng)閥口的流量由壓差在一定的壓差作用下，流經(jīng)閥口的流量由壓差流量方程來求出：流量方程來求出： 2.4 孔口和隙縫流動孔口和隙縫流動 縫隙縫隙流動流動縫隙流動的特點A、縫隙高度相對其長度和寬度而言要小的多；B、分析流動通常按層流處理（特別是油介質(zhì)） 2.4 孔口和隙縫流動孔口和隙縫流動 平行平板縫隙平行平板縫隙圖圖2.25 2.25 平行平板縫隙液流平行平板縫隙液流在壓差作用下，通過縫隙的流量與縫隙值的

37、三次方成正比，在壓差作用下，通過縫隙的流量與縫隙值的三次方成正比，這說明這說明。u 2.4 孔口和隙縫流動孔口和隙縫流動 平行平板縫隙平行平板縫隙平行平板平行平板縫隙流縫隙流ydyu0yx （2）圓柱環(huán)狀縫隙流）圓柱環(huán)狀縫隙流2.4 孔口和隙縫流動孔口和隙縫流動 圓環(huán)隙縫流量圓環(huán)隙縫流量a. a. 流經(jīng)流經(jīng)的流量的流量 同心環(huán)形縫隙間的液流同心環(huán)形縫隙間的液流a a）縫隙較?。┛p隙較小 b b）縫隙較大）縫隙較大縫隙較大時用公式2.52來計算圓柱體和內(nèi)孔沒有相對圓柱體和內(nèi)孔沒有相對運動時，運動時，u u0 0=0=0 復習：實驗課在復習：實驗課在219上上層流湍流vdReHRcr判斷流動狀態(tài)，

38、計算壓力損失壓力損失與管長、管徑、液體黏度和流速等因與管長、管徑、液體黏度和流速等因素有關(guān)。素有關(guān)。壓力損失孔口流量層流湍流 復習：實驗課在復習：實驗課在219上上縫隙流量 2.4 孔口和隙縫流動孔口和隙縫流動 流經(jīng)偏心環(huán)形縫隙的流量流經(jīng)偏心環(huán)形縫隙的流量 當當，即，即u u0 0=0=0時，其流量公式為時，其流量公式為因此因此在液壓與氣動元件中，在液壓與氣動元件中，為了減小縫隙泄漏量，應采取措為了減小縫隙泄漏量，應采取措施，盡量使其配合處于同心狀態(tài)施，盡量使其配合處于同心狀態(tài)。b. b. 流經(jīng)流經(jīng)的的流量流量h0為內(nèi)外圓同心時半徑方向的縫隙值）（ 54. 212)5 . 11 (032pld

39、hq當當 =0=0時，它就是時，它就是同心環(huán)形縫隙的流量公式同心環(huán)形縫隙的流量公式；當當 =1=1，即有最大偏心量時，其流量為同心環(huán)形縫隙流量的，即有最大偏心量時，其流量為同心環(huán)形縫隙流量的2.52.5倍。倍。 液體流體力學液體流體力學 液壓傳動中的應用需要解決的流體力學問題：液壓傳動中的應用需要解決的流體力學問題： 管道中液流的特性：管道中液流的特性： 用于計算流體在管路中流動時的壓力損失用于計算流體在管路中流動時的壓力損失 孔口及縫隙的壓力流量特性：孔口及縫隙的壓力流量特性： 分析節(jié)流調(diào)速回路性能和計算元件泄露量的理論依據(jù)分析節(jié)流調(diào)速回路性能和計算元件泄露量的理論依據(jù) 液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象：

40、液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象： 如何有效避免有害現(xiàn)象如何有效避免有害現(xiàn)象 （1）液壓沖擊的物理本質(zhì)）液壓沖擊的物理本質(zhì) 液壓系統(tǒng)中，由于液壓元件的工作狀態(tài)的突然改液壓系統(tǒng)中，由于液壓元件的工作狀態(tài)的突然改變（突然關(guān)閉或開啟液流通道），引起的油壓瞬時變（突然關(guān)閉或開啟液流通道），引起的油壓瞬時急劇上升，產(chǎn)生很高的壓力峰值，出現(xiàn)沖擊波的傳急劇上升，產(chǎn)生很高的壓力峰值，出現(xiàn)沖擊波的傳遞過程，這種現(xiàn)象稱之為液壓沖擊（水錘現(xiàn)象）遞過程，這種現(xiàn)象稱之為液壓沖擊（水錘現(xiàn)象）（2）液壓沖擊的危害）液壓沖擊的危害 產(chǎn)生劇烈的振動和噪聲；引起管道、元件和密封產(chǎn)生劇烈的振動和噪聲；引起管道、元件和密封件的損壞；使元件動作失靈

41、等件的損壞；使元件動作失靈等液壓沖擊液壓沖擊2.5 2.5 液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象 液壓沖擊液壓沖擊2.5 2.5 液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象 最高工作壓力=平均壓力+沖擊壓力峰值諾科夫斯基（俄） （4）減輕液壓沖擊的措施）減輕液壓沖擊的措施 延長閥門關(guān)閉和運動部件制動換向的時間，可采用換向時間延長閥門關(guān)閉和運動部件制動換向的時間，可采用換向時間可調(diào)的換向閥可調(diào)的換向閥. . 適當適當加大管徑，限制管道流速加大管徑，限制管道流速v v，一般在液壓系統(tǒng)中把，一般在液壓系統(tǒng)中把v v控制控制在在4.5m/s4.5m/s以內(nèi)，使以內(nèi)，使pmaxpmax不超過不超過5MPa5M

42、Pa就可以認為是安全的就可以認為是安全的。 在容易發(fā)生液壓沖擊的在容易發(fā)生液壓沖擊的部位部位安裝安全閥來限制壓力安裝安全閥來限制壓力升高；升高；也也可以在這些部位安裝橡膠可以在這些部位安裝橡膠軟管或設置蓄能器，以吸收沖擊軟管或設置蓄能器，以吸收沖擊壓力。壓力。 正確正確設計閥口或設置制動裝置，使運動部件制動時速度變化設計閥口或設置制動裝置，使運動部件制動時速度變化比較均勻比較均勻。 盡可能盡可能縮短管長，以減小壓力沖擊波的傳播時間，變直接沖縮短管長，以減小壓力沖擊波的傳播時間，變直接沖擊為間接沖擊擊為間接沖擊。2.5 液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象 液壓沖擊液壓沖擊 （1）氣穴現(xiàn)象）氣穴

43、現(xiàn)象 根據(jù)伯努利方程，液壓介質(zhì)流經(jīng)閥口的收縮截面時，該根據(jù)伯努利方程，液壓介質(zhì)流經(jīng)閥口的收縮截面時，該處的壓力要降低，壓力降低而形成氣泡。處的壓力要降低，壓力降低而形成氣泡。有關(guān)氣穴的兩種物理解釋：有關(guān)氣穴的兩種物理解釋：a、當壓力降低至介質(zhì)的飽和蒸汽壓力時，就會產(chǎn)生空化現(xiàn)象，、當壓力降低至介質(zhì)的飽和蒸汽壓力時，就會產(chǎn)生空化現(xiàn)象，形成大量的蒸汽泡；形成大量的蒸汽泡；b、當壓力降低至介質(zhì)的空氣分離壓力時，就會有大量的空氣、當壓力降低至介質(zhì)的空氣分離壓力時，就會有大量的空氣從液體中析出，形成大量的空氣泡。從液體中析出，形成大量的空氣泡。液壓油的空氣分離壓比飽和蒸汽壓力高液壓油的空氣分離壓比飽和蒸汽

44、壓力高水的水的空氣分離壓比空氣分離壓比飽和蒸汽壓力小飽和蒸汽壓力小2.5 液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象 氣氣穴和氣蝕穴和氣蝕空氣在液體中的溶解度與空氣在液體中的溶解度與液體的絕對壓力成正比液體的絕對壓力成正比p介質(zhì)液壓油水p空p飽p飽p空 （2）氣蝕現(xiàn)象）氣蝕現(xiàn)象 氣泡隨液流被帶到下游的高壓區(qū)，氣泡的體積急劇氣泡隨液流被帶到下游的高壓區(qū)，氣泡的體積急劇縮小或潰滅縮小或潰滅，氣泡中的空氣或蒸汽重新溶入到液體中或凝結(jié)成液體。氣泡中的空氣或蒸汽重新溶入到液體中或凝結(jié)成液體。 在氣泡潰滅的瞬間，使液體以很大的速度從周圍沖向氣泡中在氣泡潰滅的瞬間，使液體以很大的速度從周圍沖向氣泡中心，產(chǎn)生頻率很高、瞬時壓力很大的沖擊，還伴生有噪聲和振動，心，產(chǎn)生頻率很高、瞬時壓力很大的沖擊，還伴生有噪聲和振動，油液氧化變質(zhì)。油液氧化變質(zhì)。 氣泡潰滅如發(fā)生在液壓元件的固體表面上，則氣泡潰滅時產(chǎn)氣泡潰滅如發(fā)生在液壓元件的固體表面上，則氣泡潰滅時產(chǎn)生的生的射流沖蝕、高溫、化學腐蝕射流沖蝕、高溫、化學腐蝕等效應的聯(lián)合作用會導致液壓元等效應的聯(lián)合