第二章 液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)

第二章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)第1頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月一、液壓油的主要性質(zhì)1、密度單位體積液體的質(zhì)量稱為該液體的密度?！?-1流動(dòng)液體的基本力學(xué)特性單位：kg/m3一般液壓油的密度為900kg/m3第2頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月可壓縮性:液體受壓力作用而發(fā)生體積縮小的性質(zhì)。體積壓縮系數(shù)：體積為v的液體，當(dāng)壓力增大△p時(shí)，體積減小△v,則液體在單位壓力變化下體積的相對(duì)變化量。2、可壓縮性κ=-△v/△pvK=1/κ=-△pv/△v液體的體積模量：K表示單位體積相對(duì)變化量所需要的壓力增量，也即液體抵抗壓縮能力的大小。第3頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月在常溫下，一般認(rèn)為油液是不可壓縮的。若分析動(dòng)態(tài)特性或p變化很大的高壓系統(tǒng)，則必須考慮可壓縮性的影響。盡量減少油液中的游離空氣。第4頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月3、粘性（1）物理本質(zhì)液體在外力作用下流動(dòng)時(shí),由于液體分子間的內(nèi)聚力和液體分子與壁面間的附著力，導(dǎo)致液體分子間相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力，這種特性稱為粘性。或:流動(dòng)液體流層之間產(chǎn)生內(nèi)部摩擦阻力的性質(zhì)。第5頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）牛頓內(nèi)摩擦定律

液體流動(dòng)時(shí)，相鄰液層間的內(nèi)摩擦力F與液層接觸面積A及液層之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度du成正比，而與液層間的距離dy成反比，即：F=μAdu/dy若用單位接觸上的內(nèi)摩擦力τ（切應(yīng)力）來表示，則：（牛頓內(nèi)摩擦定律）τ=F/A=μ·du/dy

μ-粘性系數(shù)du/dy-速度梯度∵液體靜止時(shí),du/dy=0∴靜止液體不呈現(xiàn)粘性第6頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

（3）粘度

常用的粘度有三種：動(dòng)力粘度（絕對(duì)粘度）、運(yùn)動(dòng)粘度和相對(duì)粘度。

1）動(dòng)力粘度μ是表征流動(dòng)液體內(nèi)摩擦力大小的粘度系數(shù)。其值等于液體在以單位速度梯度流動(dòng)時(shí)，液層接觸面單位面積上的內(nèi)摩擦力，即：μ=F/（Adu/dy）=τ·dy/du單位：Pa·s(帕·秒）第7頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月2）運(yùn)動(dòng)粘度ν:動(dòng)力粘度μ與液體密度ρ之比值，即：ν=μ/ρ物理意義：無（只是因?yàn)棣?ρ在流體力學(xué)中經(jīng)常出現(xiàn),∴用ν代替（μ/ρ）)單位：㎡/s，c㎡/s，m㎡/sISO和我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，工作介質(zhì)按其在一定下運(yùn)動(dòng)粘度的平均值來標(biāo)定粘度等級(jí)。第8頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）粘度和溫度的關(guān)系油液對(duì)溫度的變化很敏感，由左圖可看出：溫度升高，油的粘度即降低。油的粘度隨溫度變化的性質(zhì)稱粘溫特性。第9頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月液體所受的壓力增大時(shí)，其分子間的距離將減小，內(nèi)摩擦力增大，粘度亦隨之增大。（5）粘度與壓力的關(guān)系第10頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月4、其它性質(zhì)油液的其他物理及化學(xué)性質(zhì)包括：防銹性、潤滑性、抗燃性、抗凝性、抗氧化性、抗泡沫性、抗乳化性、導(dǎo)熱性、相容性以及純凈性等。都對(duì)液壓系統(tǒng)工作性能有重要影響。第11頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月二、液壓油的選用1、液壓油的使用要求1）對(duì)人體無害且成本低廉；2）粘度適當(dāng)，粘溫特性好；3）潤滑性能好，防銹能力強(qiáng)；4）質(zhì)地純凈，雜質(zhì)少；5）對(duì)金屬和密封件有良好的相容性；6）氧化穩(wěn)定性好，長期工作不易變質(zhì)；7）抗泡沫性和抗乳化性好；8）體積膨脹系數(shù)?。?）燃點(diǎn)高，凝點(diǎn)低；

第12頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月2、液壓油的品種主要分為：礦油型、合成型和乳化型三大類液壓油的主要品種、ISO代號(hào)及其特性用途見表2-1。目前，90%以上的液壓設(shè)備采用石油型液壓油，其粘度高、潤滑性能較好，但抗燃性較差。第13頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月三、液壓油的選擇1、油液品種的選擇一般應(yīng)根據(jù)是否液壓專用、有無起火危險(xiǎn)、工作壓力及溫度范圍等。2、選擇油的粘度等級(jí)一般是液壓系統(tǒng)的工作壓力較高或環(huán)境溫度較高時(shí)，選擇粘度較高的液壓油。工作部件的運(yùn)動(dòng)速度較高時(shí)，選擇粘度較低的液壓油。由于液壓泵對(duì)液壓油的性質(zhì)最為敏感，因此，常根據(jù)液壓泵的類型及其要求來選擇液壓油的粘度。第14頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月四、液壓油的污染及控制1、污染的危害（1）堵塞（2）加速液壓元件的磨損，擦傷密封件，造成泄漏增加（3）水分和空氣的混入會(huì)降低液壓油的潤滑能力，并使其變質(zhì)，產(chǎn)生氣蝕，使液壓元件加速損壞，使液壓系統(tǒng)出現(xiàn)振動(dòng)、噪音、爬行等現(xiàn)象。第15頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月2、污染的原因（1）殘留物的污染液壓元件內(nèi)殘留物（2）侵入物的污染環(huán)境侵入（3）生成物的污染金屬微粒、密封件磨損、液壓油變質(zhì)等。第16頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月3、污染的控制（1）消除殘留物的污染（2）力求減少外來污染（3）濾除系統(tǒng)產(chǎn)生的雜質(zhì)（4）定期檢查更換液壓油第17頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-2液體靜力學(xué)一、靜壓力（壓力）及其性質(zhì)1.靜止液體：液體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)與質(zhì)點(diǎn)無相對(duì)運(yùn)動(dòng)2.靜壓力：?jiǎn)挝幻娣e上液體所受作用力單位:第18頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-2液體靜力學(xué)一、靜壓力（壓力）及其性質(zhì)3.性質(zhì)：靜止液體不呈粘性；液體靜壓力垂直于作用面，指向作用面的內(nèi)法線方向；靜止液體內(nèi)，任意點(diǎn)的壓力在各個(gè)方向上都相等。第19頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-2液體靜力學(xué)二、在重力作用下靜止液體中的壓力分布

第20頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-2液體靜力學(xué)二、在重力作用下靜止液體中的壓力分布

結(jié)論：靜壓力由兩部分組成：液面壓力液柱重量產(chǎn)生的壓力靜止液體內(nèi)的壓力沿深度呈直線規(guī)律分布；離液面深度相同處各點(diǎn)的壓力都相等。第21頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-2液體靜力學(xué)三、壓力的表示方法及單位1.絕對(duì)壓力2.相對(duì)壓力3.真空度帕（Pa）：N/㎡絕對(duì)壓力＝相對(duì)壓力＋大氣壓力真空度＝大氣壓力－絕對(duì)壓力＝負(fù)的相對(duì)壓力第22頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-2液體靜力學(xué)四、帕斯卡定律－－靜壓傳遞原理帕斯卡原理（靜壓傳遞原理）：在密閉的容器內(nèi)，施加于靜止液體上的壓力將以等值同時(shí)傳到液體各點(diǎn)。第23頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-2液體靜力學(xué)四、帕斯卡定律－－靜壓傳遞原理盛放在密封容器內(nèi)的液體，其外加壓力p0發(fā)生變化時(shí)，只要液體仍然保持原有的靜止?fàn)顟B(tài)，液體中的任一點(diǎn)的壓力，均將發(fā)生同樣大小的變化。第24頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-3液體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)液體動(dòng)力學(xué)：

1.基本概念；

2.基本方程：連續(xù)方程（質(zhì)量守恒定律）伯努利方程（能量守恒定律）動(dòng)量方程（動(dòng)量守恒定律）第25頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月一、基本概念1.理想液體：是一種假想的沒有粘性、不可壓縮的液體。2.恒定流動(dòng)：指液體運(yùn)動(dòng)參數(shù)僅是空間坐標(biāo)的函數(shù)，不隨時(shí)間變化，即在任何時(shí)間內(nèi)，通過空間某一固定點(diǎn)的各液體質(zhì)點(diǎn)的速度、壓力和密度等參數(shù)都保持某一常數(shù)?！?-3液體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第26頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月一、基本概念3.非恒定流動(dòng)：通過空間某一固定點(diǎn)的各液體質(zhì)點(diǎn)的速度、壓力和密度等任一參數(shù)只要有一個(gè)是隨時(shí)間變化的，即為非恒定流動(dòng)?！?-3液體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第27頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月一、基本概念5.流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過某通流截面的液體體積，用qv來表示。4.過流斷面（通流截面）：液體在管道中流動(dòng)時(shí)，其垂直于流動(dòng)方向的截面。理想液體：

qv=V/t=Al/t=Au

單位：

m3/s;L/min.1m3/s=6×104L/min實(shí)際液體：§1-3液體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第28頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月一、基本概念6.平均流速：是假想的液體運(yùn)動(dòng)速度，認(rèn)為通流截面上所有各點(diǎn)的流速均等于該速度，以此流速通過通流截面的流量恰好等于以實(shí)際不均勻的流速所通過的流量?！?-3液體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第29頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月二、層流、紊流、雷諾數(shù)p16§1-3液體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第30頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月二、層流、紊流、雷諾數(shù)層流：指液體流動(dòng)時(shí)，液體質(zhì)點(diǎn)沒有橫向運(yùn)動(dòng)，互不混雜，呈線狀或?qū)訝畹牧鲃?dòng)。紊流：指液體流動(dòng)時(shí)，液體質(zhì)點(diǎn)有橫向流動(dòng)（或產(chǎn)生小漩渦），作混雜紊亂的流動(dòng)狀態(tài)?！?-3液體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第31頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月二、層流、紊流、雷諾數(shù)層流和紊流是兩種不同性質(zhì)的流動(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§1-3液體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第32頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月二、層流、紊流、雷諾數(shù)雷諾數(shù)非圓截面管道雷諾數(shù)計(jì)算詳見教材P16.式中：v

為管內(nèi)的平均流速d

為管道內(nèi)徑ν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。§1-3液體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第33頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月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Rec。當(dāng)Re＜Rec，為層流；當(dāng)Re＞Rec，為紊流。常見液流管道的臨界雷諾數(shù)見下表?！?-3液體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第34頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月二、層流、紊流、雷諾數(shù)§1-3液體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第35頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月三、連續(xù)性方程假設(shè)液體是不可壓縮的，而且是作恒定流動(dòng)，則液體的流動(dòng)過程遵守質(zhì)量守恒定律，即在單位時(shí)間內(nèi)流體流過通道任意截面的液體質(zhì)量相等?！?-3液體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第36頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月四、伯努利方程－－能量守恒定律§1-3液體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第37頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月⑴外力對(duì)液體所作的功

P17W=p1dA1ds1-p2dA2ds2=p1dA1u1dt-p2dA2u2dt由連續(xù)性方程：dA1u1=dA2u2=dq代入得：W=dqdt(p1-p2)(2)液體機(jī)械能的變化動(dòng)能的變化：ΔEk=ρdqdtu22/2-ρdqdtu12/2位能的變化：ΔEp=ρgdqdth2-ρgdqdth1機(jī)械能的變化：ΔE=ΔEk+ΔEp1、理想液體的伯努利方程

第38頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)能量守恒定律：外力對(duì)液體所作的功，應(yīng)等于其機(jī)械能的變化，即：ΔE=W

物理意義：在密閉管道內(nèi)作恒定流動(dòng)的理想液體，具有三種形式的能量。即壓力能、動(dòng)能和位能，它們之間可以相互轉(zhuǎn)化，但在管道內(nèi)任一處，單位重量的的液體所包含的這三種能量的總和是一定的。

§1-3液體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第39頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月2、實(shí)際液體的伯努利方程

式中：hw為能量損失。α1、

α2是動(dòng)能修正系數(shù)，其值與液體的流態(tài)有關(guān)，紊流時(shí)等于1，層流時(shí)等于2?！?-3液體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第40頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月五、動(dòng)量方程P19剛體力學(xué)動(dòng)量定理指出，作用在物體上的外力等于物體在單位時(shí)間內(nèi)的動(dòng)量變化量，即p19：

β1、β2——?jiǎng)恿啃拚禂?shù)，紊流時(shí)β=1，層流β=4/3。第41頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

上式表明：作用在液體控制體積上的外力的總和，等于單位時(shí)間內(nèi)流出控制表面與流入控制表面的液體動(dòng)量之差。作用在固體壁面上的力是：五、動(dòng)量方程第42頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月求滑閥閥芯所受的軸向穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力。

第43頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-4液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失

一、沿程壓力損失液體在等徑直管中流動(dòng)時(shí)因粘性摩擦而產(chǎn)生的壓力損失，稱為沿程壓力損失。1.層流時(shí)的沿程壓力損失

⑴通流截面上的流速分布規(guī)律

第44頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月（p1-p2）πr2=Ff

式中，內(nèi)摩擦力Ff=-2πrlμdu/dr（負(fù)號(hào)表示流速u隨r的增大而減?。?。若令Δp=p1-p2，則將Ff代入上式整理可得

§1-4液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失p20

第45頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月⑵通過管道的流量

對(duì)于半徑為r，寬度為dr的微小環(huán)形通流截面，面積dA=2πrdr，所通過的流量

§1-4液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失

第46頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月⑶管道內(nèi)的平均流速

⑷沿程壓力損失

§1-4液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失

λ為沿程阻力系數(shù)第47頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于圓管層流，理論值λ=64/Re。實(shí)際計(jì)算時(shí)，對(duì)金屬管取λ=75/Re，橡膠管λ=80/Re。2.紊流時(shí)的沿程壓力損失p21

λ=f（Re，Δ/d），對(duì)于光滑管，λ=0.3164Re-0.25；對(duì)于粗糙管，λ的值可以根據(jù)不同的Re和Δ/d從手冊(cè)上有關(guān)曲線查出(p22圖2-17)?！?-4液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失

第48頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月二、局部壓力損失批p22

液體流經(jīng)管道的彎頭、管接頭、突變截面以及閥口、濾網(wǎng)等局部裝置時(shí)，液流會(huì)產(chǎn)生旋渦，并發(fā)生強(qiáng)烈的紊動(dòng)現(xiàn)象，由此而造成的壓力損失稱為局部壓力損失。式中ζ——局部阻力系數(shù)。

qn——閥的額定流量；

Δpn——閥在額定流量qn下的壓力損失；

q——通過閥的實(shí)際流量?！?-4液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失

閥類元件局部壓力損失實(shí)際計(jì)算公式第49頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月三、管路中的總壓力損失

整個(gè)管路系統(tǒng)的總壓力損失應(yīng)為所有沿程壓力損失和所有局部壓力損失之和，即

從公式可以看出，減小流速，縮短管道長度，減少管道截面的突變，提高管道內(nèi)壁的加工質(zhì)量等，都可使壓力損失減小。

§1-4液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失

第50頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-5小孔和縫隙流量

一、液體流過小孔的流量小孔可分為三種：當(dāng)小孔的長徑比l/d≤0.5時(shí)，稱為薄壁孔；

l/d＞4時(shí)，稱為細(xì)長孔；

0.5＜l/d≤4時(shí)，稱為短孔。對(duì)薄壁孔：

第51頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月第52頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月式中，hw為局部能量損失，它包括兩部分，即截面突然減小時(shí)的局部壓力損失hw1和截面突然增大時(shí)的局部壓力損失hw2。

由于Ae《A2，所以

第53頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月將上式代入伯努利方程，并注意到由于A1=A2，故v1=v2，α1=α2；且h1=h2，得：

——小孔前后的壓力差，

——小孔速度系數(shù)，第54頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月式中

——流量系數(shù)，=——收縮系數(shù)，

——小孔通流截面的面積——收縮斷面的面積；對(duì)細(xì)長孔片(p21式2-26）：小孔的流量壓力特性公式（p25式2-37）：m——由孔的長徑比決定的指數(shù)。薄壁孔m=0.5，細(xì)長孔m

=1。K

——系數(shù)p25。第55頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月二、縫隙流量

㈠液體流過平行平板縫隙的流量1、流過固定平行平板縫隙的流量（壓差流動(dòng)）

pbdy+（τ+dτ）bdx=（p+dp）bdy+τbdx

整理后得：

第56頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

式中，C1、C2為積分常數(shù)。由邊界條件：當(dāng)y=0，u=0；y=δ，u=0，分別代入得：在縫隙液流中，dp/dx是一常數(shù)

第57頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月2.液體流過相對(duì)運(yùn)動(dòng)的平行平板縫隙的流量（剪切流動(dòng)）當(dāng)一平板固定，另一平板以速度u0作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，液體的平均流速v=u0/2，故由于平板相對(duì)運(yùn)動(dòng)而使液體流過縫隙的流量為：

既有壓差流動(dòng)，又有剪切流動(dòng)時(shí)p27

第58頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）圓環(huán)縫隙的流量

⑴流過同心圓環(huán)縫隙的流量

第59頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月⑵流過偏心圓環(huán)縫隙的流量

若圓環(huán)的內(nèi)外圓不同心，偏心距為e，則形成偏心圓環(huán)縫隙。其流量公式為：式中δ——內(nèi)外圓同心時(shí)的縫隙厚度；

ε——相對(duì)偏心率，

ε=e/δ

第60頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月一、液壓沖擊定義：在液壓系統(tǒng)中，由于某種原因，系統(tǒng)的壓力在某一瞬間會(huì)突然急劇上升，形成很高的壓力峰值，這種現(xiàn)象稱為液壓沖擊。1．液壓沖擊產(chǎn)生的原因（1）閥門突然關(guān)閉或換向；（2）運(yùn)動(dòng)部件突然制動(dòng)或換向；（3）某些液壓元件動(dòng)作失靈或不靈敏?！?-6液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象第61頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月液壓沖擊引起振動(dòng)、噪聲、導(dǎo)致某些元件如密封裝置、管路等損壞；使某些元件（如壓力繼電器、順序閥等）產(chǎn)生動(dòng)作，影響系統(tǒng)正常工作。2、液壓沖擊產(chǎn)生的危害性第62頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月3．沖擊壓力假設(shè)系統(tǒng)的正常工作壓力