第三章 液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)(3)

1、第三章 液壓流體力學(xué)基礎(chǔ) 第三節(jié) 管道中流液的特性（1）流態(tài)、雷諾數(shù)）流態(tài)、雷諾數(shù)（2）沿程壓力損失）沿程壓力損失（3）局部壓力損失）局部壓力損失（4）總壓力損失）總壓力損失 第四節(jié) 孔口和縫隙的壓力流量特性 （1）薄壁小孔）薄壁小孔 （2）短孔和細(xì)長(zhǎng)孔）短孔和細(xì)長(zhǎng)孔 （3）平板縫隙）平板縫隙 （4）環(huán)形縫隙）環(huán)形縫隙 第五節(jié) 液壓沖擊與空穴現(xiàn)象第四節(jié) 管道中液流的特性 由于流動(dòng)液體具有由于流動(dòng)液體具有粘性粘性，以及流動(dòng)時(shí)，以及流動(dòng)時(shí)突然轉(zhuǎn)突然轉(zhuǎn)彎或通過(guò)閥口彎或通過(guò)閥口會(huì)產(chǎn)生撞擊和旋渦，因此液體流會(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)液動(dòng)時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生阻力。為了克服阻

2、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(lái)表示。壓力損失即是伯努利方程的壓力損失來(lái)表示。壓力損失即是伯努利方程中的中的h h項(xiàng)。項(xiàng)。 壓力損失由壓力損失由沿程壓力損失沿程壓力損失和和局部壓力損失局部壓力損失兩部分組成。兩部分組成。液流在管道中流動(dòng)時(shí)的壓力損失液流在管道中流動(dòng)時(shí)的壓力損失與液流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（與液流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（流態(tài)流態(tài)）有關(guān)。）有關(guān)。一、流態(tài)，雷諾數(shù)n雷諾實(shí)驗(yàn)裝置雷諾實(shí)驗(yàn)裝置 通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)液體在管道中流動(dòng)時(shí)存在兩種流動(dòng)狀態(tài)：通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)液體在管道中流動(dòng)時(shí)存在兩種流動(dòng)狀態(tài)： 層流層流粘性力起主導(dǎo)作用粘性力起主導(dǎo)作用 紊流紊流慣性力

3、起主導(dǎo)作用慣性力起主導(dǎo)作用液體的流動(dòng)狀態(tài)用雷諾數(shù)來(lái)判斷。液體的流動(dòng)狀態(tài)用雷諾數(shù)來(lái)判斷。如果液流的雷諾數(shù)相如果液流的雷諾數(shù)相同，它的流動(dòng)狀態(tài)也相同同，它的流動(dòng)狀態(tài)也相同。 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)，記為態(tài)的依據(jù)，稱為臨界雷諾數(shù)，記為ReRecr。 當(dāng)當(dāng)ReReReRecr，為層流；當(dāng)，為層流；當(dāng)ReReReRecr，為紊流。，為紊流。 常見(jiàn)液流管道的臨界雷諾數(shù)見(jiàn)表格常見(jiàn)液流管道的臨界雷諾數(shù)見(jiàn)表格- -。n雷諾數(shù)的工程意義雷諾數(shù)的工程意義dRev非圓管截面非圓管截面 ARRRe;v4 液體在圓管中流動(dòng)狀

4、態(tài)與平均流速液體在圓管中流動(dòng)狀態(tài)與平均流速v v、管道內(nèi)徑、管道內(nèi)徑d d、液體的運(yùn)動(dòng)粘度、液體的運(yùn)動(dòng)粘度v v有關(guān)。有關(guān)。n雷諾數(shù)的計(jì)算雷諾數(shù)的計(jì)算R R：通流截面的水力半徑：通流截面的水力半徑A A：有效面積：有效面積：濕周，有效截面的周界長(zhǎng)度：濕周，有效截面的周界長(zhǎng)度 mmdddAR3442圓管：計(jì)算d=12mm圓管、d=12mm、D=20mm以及d=12mm、D=24mm同心環(huán)狀管道的水力半徑。例例3-1dDdDAR）（同心圓管：224所以是紊流。、2320Re8000103006. 04vRe16crd液體在光滑金屬圓管管道中的流速為4m/s，管道內(nèi)徑為60mm，油的粘度3010-6

5、m2/s,試確定流態(tài)。如要為層流，其流速應(yīng)為多大？習(xí)題習(xí)題3-2smdd/16. 106. 0103023202320v2320vRe26、若為層流則：二、沿程壓力損失（1）、）、圓管層流圓管層流液體液體等速做層流流動(dòng)等速做層流流動(dòng)時(shí)，小時(shí)，小圓柱體受力平衡，有：圓柱體受力平衡，有：fFrpp221)(內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力:)/(2drdurlFf代入上式,得22max22164;4dlpRlpurRlpu最大流速：結(jié)論：管內(nèi)流速隨半徑按結(jié)論：管內(nèi)流速隨半徑按拋物線規(guī)律拋物線規(guī)律分布，最大流速發(fā)生在分布，最大流速發(fā)生在軸線上，最小流速在管壁上，為零。軸線上，最小流速在管壁上，為零。.管道內(nèi)液體的流

6、量、平均流速、沿程壓力損失管道內(nèi)液體的流量、平均流速、沿程壓力損失結(jié)論：式（3-33）是泊肅葉公式，流量與管徑的四次方成正比，壓差與管徑的平方成反比。 式（3-34）可知，平均流速為最大流速的一半。22424402222v32321284/1v:1288d)(42d)(422dd:dlpdlpplddAqpldRlprrrRlpqrrrRlprdruAuqR壓差沿程壓力損失：平均流速流量（3-33）（3-34）（3-35）層流沿程壓力損失： 液體在液體在等直徑等直徑管中流動(dòng)時(shí)因摩擦而產(chǎn)生的損失，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)不同沿程壓力稱為沿程壓力損失。因液體

7、的流動(dòng)狀態(tài)不同沿程壓力損失的計(jì)算有所區(qū)別。損失的計(jì)算有所區(qū)別。222v335Re32v64vv22v /dlllpdddd將、 代入（） ，并考慮，變換：對(duì)于層流對(duì)于層流 理論值：理論值：=64/Re 實(shí)際：金屬管實(shí)際：金屬管=75/Re,橡膠管橡膠管=80/Re（2）圓管紊流紊流沿程壓力損失：紊流沿程壓力損失：22lvpd紊流紊流=f(Re,=f(Re,/d/d) ) 按表按表3-23-2計(jì)算。計(jì)算。習(xí)題3-10 30號(hào)機(jī)械油在內(nèi)徑d=20mm的光滑鋼管內(nèi)流動(dòng)，v=3m/s，判斷其流態(tài)。若流經(jīng)管長(zhǎng)L=10m，求沿程損失p為多少？當(dāng)v=4m/s時(shí)，判斷其流態(tài)，并計(jì)算其沿程損失p為多少？所以是層

8、流。、2320Re2000103002. 03vRe16crd2v752;2ReLpd、將帶入622v4 0.023 Re2667Re232030 10v;(2lg1.74)22crdldpd、所以是紊流.液體流經(jīng)管道的彎頭、接頭、閥口等處液體流經(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，時(shí)，液體流速的大小和方向發(fā)生變化，會(huì)產(chǎn)生會(huì)產(chǎn)生漩渦漩渦并發(fā)生紊動(dòng)現(xiàn)象，由此造成并發(fā)生紊動(dòng)現(xiàn)象，由此造成的壓力損失稱為的壓力損失稱為局部壓力損失。局部壓力損失。p= v 2 / 2為為局部阻力系數(shù)局部阻力系數(shù)，實(shí)驗(yàn)獲得，具體，實(shí)驗(yàn)獲得，具體數(shù)值可查有關(guān)手冊(cè)。數(shù)值可查有關(guān)手冊(cè)。液流流過(guò)各種閥的局

9、部壓力損失可由閥液流流過(guò)各種閥的局部壓力損失可由閥在額定壓力下的壓力損失在額定壓力下的壓力損失pps s來(lái)?yè)Q算：來(lái)?yè)Q算：p= ps（q / qs ）2 額定壓力下的壓力損失額定壓力下的壓力損失pps s可由產(chǎn)品可由產(chǎn)品目錄查得。目錄查得。（二）局部壓力損失（二）局部壓力損失（三）總壓力損失 整個(gè)液壓系統(tǒng)的總壓力損失應(yīng)為所有整個(gè)液壓系統(tǒng)的總壓力損失應(yīng)為所有沿程壓沿程壓力損失和所有的局部壓力損失之和力損失和所有的局部壓力損失之和（通過(guò)所有閥、通過(guò)所有閥、直管、彎管所產(chǎn)生的壓力損失之和直管、彎管所產(chǎn)生的壓力損失之和）pppp2v2dl2v22ssqqp+第四節(jié) 孔口和縫隙的壓力流量特性一、液體流過(guò)小

10、孔的流量小孔：薄壁孔(L/d0.5); 細(xì)長(zhǎng)孔 (L/d4）；短孔（0.5100000時(shí)， C Cd d可以認(rèn)為是不變的常數(shù)，在液流完全收縮(/d7) 時(shí)，Cd=0.600.61 ；不完全收縮( /d1000可認(rèn)為是常數(shù)Xv=Cr的理論曲線XvCr的理論曲線Re1000Re1000可認(rèn)為是常數(shù)，流可認(rèn)為是常數(shù)，流量系數(shù)量系數(shù)CdCd=0.670.74=0.670.74，閥，閥口有倒角時(shí)口有倒角時(shí)CdCd=0.80.9=0.80.90022sinsin1220.77 0.82ddm vmm vmppqC ACd xAd hd xdddCd其中：錐閥的流量計(jì)算式：錐閥的流量計(jì)算式：lpAdlpdq

11、321280242 2、細(xì)長(zhǎng)孔、細(xì)長(zhǎng)孔(L/d4，如管道） 液流經(jīng)過(guò)細(xì)長(zhǎng)孔一般為層流，其流量和孔前后壓差成正比，液流經(jīng)過(guò)細(xì)長(zhǎng)孔一般為層流，其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。同時(shí)，容易被和液體粘度成反比，流量受液體溫度影響較大。同時(shí)，容易被堵塞。堵塞。3 3、短孔、短孔（0.5l/d4) 公式與薄壁小孔相同：PCAqd20 雷諾數(shù)較大時(shí)，雷諾數(shù)較大時(shí)，Cd基本穩(wěn)定在基本穩(wěn)定在0.80.8 左右。短孔比薄壁孔更左右。短孔比薄壁孔更容易加工，短管常用作容易加工，短管常用作固定節(jié)流器（固定的液阻）。固定節(jié)流器（固定的液阻）。例題3-13 圖示圓柱形閥芯，D=2cm，d

12、=1cm。壓力油在閥口處的壓力降為p1=3105Pa，在閥腔a點(diǎn)到b點(diǎn)的壓力降p2=0.5105Pa，油的密度=900kg/m3,通過(guò)閥口的角度=69，流量系數(shù)Cd=0.65，求油液對(duì)閥芯的作用力。102269sin/DA1PCAqxdv、流量：、閥口的通流面積：)(4A322dD 、閥腔的通流面積：例題3-13 圖示圓柱形閥芯，D=2cm，d=1cm。壓力油在閥口處的壓力降為p1=3105Pa，在閥腔a點(diǎn)到b點(diǎn)的壓力降p2=0.5105Pa，油的密度=900kg/m3,通過(guò)閥口的角度=69，流量系數(shù)Cd=0.65，求油液對(duì)閥芯的作用力。221112211114()1,(cos90cos)co

13、s5-cosxxFqvvFq vvqvFFqv 、動(dòng)量定理：；紊流時(shí)，在水平方向上 液體受力：（向右）、根據(jù)作用于反作用，閥芯受力：（向左）212;6() ;7F -F ()abFpp AF、閥腔壓力降對(duì)閥芯的作用力：向右、液流對(duì)閥芯總的作用力：向左2221200122120d()d(d )ddddddddd1 ddd1 d2d00; C,02d32vd dd()d(22p ydxppyxpuyxyupyxpuyC yCxuh dpyuyhuuChdxppplpppxdxlluppuhy yyqub yblhl 整理后得而因此積分后得由時(shí)；時(shí)得且縫隙流動(dòng)中為常數(shù)（），所以30000)d122h

14、hubhbhhy yyypuhl 二、流體流過(guò)縫隙流量二、流體流過(guò)縫隙流量1 1、平行平板縫隙、平行平板縫隙bhuplbhqbhuvAqplbhq030321122112 總流量：對(duì)運(yùn)動(dòng)）：作剪切流動(dòng)的流量（相壓差流動(dòng)下的流量：1 1、平行平板縫隙、平行平板縫隙u0結(jié)論：縫隙的流量與縫隙值的三次方成正比，說(shuō)明元件縫隙對(duì)結(jié)論：縫隙的流量與縫隙值的三次方成正比，說(shuō)明元件縫隙對(duì)對(duì)泄漏影響很大。對(duì)泄漏影響很大。0023021)5 . 11 (12duhdplhq032112ddhuplhq2 2、同心環(huán)縫隙流量、同心環(huán)縫隙流量3 3、偏心環(huán)縫隙流量、偏心環(huán)縫隙流量即：用即：用dd代替代替b b縫隙厚度

15、為內(nèi)外圓同心時(shí)的為偏心距，00,hehe4 4、液壓卡緊力、液壓卡緊力高壓端高壓端第五節(jié)、液壓沖擊與空穴現(xiàn)象一、液壓沖擊基本概念一、液壓沖擊基本概念1 1、含義、含義：由于某種原因致使壓力在某一瞬間突然急劇升降的波動(dòng)現(xiàn)象。這種現(xiàn)象就稱之為液壓沖擊、水錘現(xiàn)象。 2 2、原因、原因： （1）管道閥門關(guān)閉 （2）運(yùn)動(dòng)部件制動(dòng) （3）運(yùn)動(dòng)部件加速下落 流動(dòng)液體和運(yùn)動(dòng)部件慣性的作用，使系統(tǒng)內(nèi)瞬時(shí)形成很高的峰值壓力。管中液體類似于彈簧。3 3、后果、后果：產(chǎn)生噪音，影響元件和系統(tǒng)壽命。使某些壓力控制元件產(chǎn)生誤動(dòng)作，造成事故。 液壓沖擊第五節(jié)、液壓沖擊與空穴現(xiàn)象三、減小沖擊壓力具體措施三、減小沖擊壓力具體措施1、對(duì)閥門突然關(guān)閉而產(chǎn)生液壓沖擊的防治方法：減慢換向閥的關(guān)閉速度，例如采用直流電磁閥，其所產(chǎn)生的液壓沖擊要比交流電磁閥的小。適當(dāng)增大管徑，減小流速，從而可減小流速的變化值，以減小緩沖壓力；改進(jìn)換向閥控制邊界的結(jié)構(gòu)（在閥芯的棱邊上開(kāi)出長(zhǎng)方形或V形槽或?qū)⑵渥龀慑F形）。在容易產(chǎn)生液壓沖擊能力的地方設(shè)置蓄能器。蓄能器不但能縮短壓力波的傳播距離、時(shí)間，還能吸收壓力沖擊。采用軟管也可獲得良好減