大學(xué)液壓與氣動(dòng)技術(shù)第二章復(fù)習(xí)重點(diǎn)

第二章流體力學(xué)根底第一節(jié)流體及其物理性質(zhì)一、流體的定義能流動(dòng)的物第一節(jié)流體及其物理性質(zhì)第一節(jié)流體及其物理性質(zhì)質(zhì)為流體。從力學(xué)特征講，流體是一種受任何微小剪切力都能連續(xù)變形的物質(zhì)。二、流體的物理性質(zhì)1、密度ρ與重度γ2、可壓縮性：體積壓縮系數(shù)k--單位壓力變化下的體積相對(duì)變化量。k=-1/ΔP·Δv/v0k=0時(shí)：不可壓縮流體，簡(jiǎn)稱“不可壓流體〞。3、流體的粘性：〔1〕定義：流體在外力作用下流動(dòng)或有流動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，分子間的內(nèi)聚力要阻止分子相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生一種內(nèi)摩擦力，這種現(xiàn)象叫做流體的粘性。靜止流體不呈現(xiàn)粘性?！?〕牛頓內(nèi)摩擦定律〔粘性遵循的規(guī)律〕平板運(yùn)動(dòng)時(shí)受阻力為或式中F—平板所受液體的阻力〔N〕；A—平板與液體接觸的面積〔m2〕V—兩平板的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度〔m/s〕；y—兩平板間的垂直距離〔m〕；μ—與流體性質(zhì)有關(guān)的比例系數(shù)〔N?s/m2〕；—作用在單位面積上的內(nèi)摩擦力或剪切力。對(duì)速度不是線性分布的情況，取相距為dy的流體薄層，其速度差為dy，即可將上式推廣為不受速度分布規(guī)律限制的一般形式該式稱為牛頓內(nèi)摩擦定律，是牛頓在1686年通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的。它說(shuō)明，流體內(nèi)摩擦力的大小與流體內(nèi)的速度梯度和接觸面積大小成正比，并且與流體的性質(zhì)，即粘性有關(guān)。比例系數(shù)稱為動(dòng)力粘度?！?〕粘度動(dòng)力粘度：μ單位〔N?S/m2或Pa?S〕運(yùn)動(dòng)粘度：v單位為m2/S。并不是所有流體的粘度和內(nèi)摩擦力的關(guān)系都可用牛頓內(nèi)摩擦定律來(lái)表示。將符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體稱為牛頓流體，而將不符合牛頓內(nèi)磨擦定律的流體稱為非牛頓流體?！?〕粘溫特性同一流體的粘性系數(shù)與流體的溫度有很大關(guān)系，而與壓力關(guān)系不大。氣體的μ值隨溫度的升高而增大，液體的μ值隨溫度的增高而減少。說(shuō)明液體具有明顯的粘溫特性。三、理想流體、流體質(zhì)點(diǎn)及連續(xù)介質(zhì)的概念1.理想流體：粘度μ=V=0的流體稱為理想流體或無(wú)粘性流體。2.流體質(zhì)點(diǎn)：是流體中宏觀尺寸非常小、微觀尺寸足夠大的任意一個(gè)物理實(shí)體?！擦黧w微團(tuán)〕流體質(zhì)點(diǎn)在任一時(shí)刻都有一定的宏觀物理量，如質(zhì)量、密度、溫度、壓強(qiáng)、速度、動(dòng)能等。3.連續(xù)介質(zhì)的概念既然認(rèn)為流體力學(xué)中最小的物理實(shí)體是流體質(zhì)點(diǎn)而不是流體分子，也就等于認(rèn)定流體是由無(wú)窮多個(gè)、無(wú)窮小的、緊密相鄰的流體質(zhì)點(diǎn)所組成的無(wú)間隙的連續(xù)介質(zhì)。第二節(jié)液壓油〔液〕的性質(zhì)及其選用一、液壓油〔液〕的種類常用的液壓油〔液〕可分為兩大類：石油基液壓油抗燃液壓液除此之外還有一些專用液壓油，另外，也有的艦船液壓系統(tǒng)直接以海水或淡水為工作介質(zhì)。液壓油〔液〕的牌號(hào)是以粘度的大小來(lái)劃分的。標(biāo)稱粘度等級(jí)是用40oC時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度中心值的近似值表示，單位為mm2/s。液壓油〔液〕代號(hào)例如：L-HM32含義:L—潤(rùn)滑劑類；H—液壓油〔液〕組；M—防銹、抗氧和抗磨型；32—粘度等級(jí)為32mm2/s。二、液壓油〔液〕應(yīng)具備的性質(zhì)1.適當(dāng)?shù)恼扯?良好的溫粘特性3良好的化學(xué)穩(wěn)定性4良好的防腐蝕性和抗燃、防爆性。5良好的潤(rùn)滑性能。6對(duì)人體無(wú)害，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，本錢低。三、液壓油〔液〕的選用根據(jù)：〔1〕液壓系統(tǒng)的工作壓力〔2〕環(huán)境溫度〔3〕運(yùn)動(dòng)速度〔4〕液壓泵的類型第三節(jié)流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)是研究平衡流體的力學(xué)規(guī)律及其在工程技術(shù)上的應(yīng)用。所謂“流體是靜止的〞或“流體處于平衡狀態(tài)〞，指的是流體內(nèi)部流體質(zhì)點(diǎn)間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)而言，至于盛裝流體的容器，不管它是靜止的或是運(yùn)動(dòng)的，都沒(méi)有關(guān)系。平衡流體互相之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因而流體粘性在平衡狀態(tài)下不起作用。所以，流體靜力學(xué)所得的結(jié)論，對(duì)理想流體或?qū)嶋H粘性流體都適用。一、流體靜壓力平衡流體在單位面積上所受到的沿內(nèi)法線方向上的法向作用力稱為流體靜壓力。靜壓力在物理學(xué)中那么稱為靜壓強(qiáng)。二、流體靜壓力的性質(zhì)1.流體靜壓力總是指向承壓面的內(nèi)法線方向。2.平衡流體中任一點(diǎn)所受到的壓力在各個(gè)方向上都相等。三、平衡流體上的作用力分為兩種：質(zhì)量力和外表力1.質(zhì)量力是與流體微團(tuán)質(zhì)量大小有關(guān)，并且集中作用在流體微團(tuán)質(zhì)量中心上的力。2.外表力是一種大小與外表面積有關(guān)，而且分布作用在流體外表上的力。外表力按其作用方向可以分為兩種：一種是沿外表切向的摩擦力；一種是沿外表內(nèi)法線方向的法向作用力。四、重力場(chǎng)中的平衡流體帕斯卡原理五、靜壓力的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)有兩種：絕對(duì)壓力和相對(duì)壓力。以絕對(duì)零壓力〔即絕對(duì)真空〕為標(biāo)準(zhǔn)所表示的壓力，稱為絕對(duì)壓力。以當(dāng)?shù)卮髿鈮毫闃?biāo)準(zhǔn)所表示的壓力，稱為相對(duì)壓力。絕對(duì)壓力與相對(duì)壓力之間的關(guān)系見(jiàn)圖第三節(jié)流體靜力學(xué)六、平衡流體對(duì)固體壁面的作用力流體靜壓力對(duì)固體平面的作用力F=pA第四節(jié)流體動(dòng)力學(xué)根底?流體動(dòng)力學(xué)?研究流體流動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、能量轉(zhuǎn)換和流動(dòng)液體對(duì)固體壁面的作用力等問(wèn)題。一、流體運(yùn)動(dòng)的描述方法?1、拉格朗日法和質(zhì)點(diǎn)系?這種方法是研究流場(chǎng)中每一個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，然后，綜合所有的流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況，便可得到整個(gè)流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。?2、歐拉法和控制體?歐拉法著眼的是流經(jīng)某個(gè)固定空間位置的不同流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，綜合所有空間點(diǎn)，便可得到整個(gè)流場(chǎng)的變化。?因一般情況下，在同一空間點(diǎn)上的流體質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)參數(shù)是不同的，同一時(shí)刻，在不同空間點(diǎn)上的流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)也是不同的，所以，流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)即是空間坐標(biāo)的函數(shù)，也是時(shí)間的函數(shù)。即二、流體運(yùn)動(dòng)的根本概念?1、物理量的質(zhì)點(diǎn)導(dǎo)數(shù)?運(yùn)動(dòng)中的流體質(zhì)點(diǎn)的某物理量〔如速度、壓強(qiáng)、密度、溫度、動(dòng)量、動(dòng)能等等〕的質(zhì)點(diǎn)導(dǎo)數(shù)是指其對(duì)時(shí)間的變化率，即?質(zhì)點(diǎn)的物理量可以是壓強(qiáng)、密度、溫度，也可以是流體運(yùn)動(dòng)的速度。對(duì)速度來(lái)說(shuō)，有可見(jiàn)，速度這個(gè)物理量的質(zhì)點(diǎn)導(dǎo)數(shù)就是流體質(zhì)點(diǎn)的加速度二、流體運(yùn)動(dòng)的根本概念2、定常場(chǎng)和均勻場(chǎng)如果流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)不隨時(shí)間而變化，這樣的流動(dòng)稱為定常流動(dòng)或恒定流動(dòng)，相應(yīng)的流場(chǎng)稱為定常流場(chǎng)或簡(jiǎn)稱為定常場(chǎng)。?如果流場(chǎng)中流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)不隨空間位置的變化而變化，或者說(shuō)整個(gè)流場(chǎng)中流體質(zhì)點(diǎn)的各物理量均相同，這樣的流動(dòng)稱為均勻流，其流場(chǎng)稱為均勻流場(chǎng)或簡(jiǎn)稱為均勻場(chǎng)。?3、跡線和流線?跡線是流體質(zhì)點(diǎn)在空間運(yùn)動(dòng)時(shí)的軌跡?流線是在流場(chǎng)中某一瞬時(shí)繪出的一條曲線，在該曲線上各點(diǎn)的速度矢量與這條曲線相切。?4、一維流動(dòng)?將運(yùn)動(dòng)參數(shù)僅表示為一個(gè)坐標(biāo)的函數(shù)的流動(dòng)稱為一維流動(dòng)或一元流動(dòng)。5、流量和平均流動(dòng)速度?流量:Q單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)某一控制面的流體體積稱為該控制面的流量。其單位為m3/s。?平均流速:在很多流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究和實(shí)際工程計(jì)算中，往往并不需要了解通流斷面上每一點(diǎn)的流體流動(dòng)速度，而只要知道該通流斷面上流體流速的平均值就可以了，這個(gè)平均值稱為平均流速。假設(shè)以v表示平均流速，那么有三、流體運(yùn)動(dòng)根本方程?描述流體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中其根本物理量〔如質(zhì)量、壓強(qiáng)、速度、動(dòng)量、動(dòng)能等〕變化規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式就是流體運(yùn)動(dòng)的根本方程。它是物理根本定律〔如質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律等〕在流體運(yùn)動(dòng)上的具體應(yīng)用，也是研究流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的根底。三、流體運(yùn)動(dòng)根本方程?1、流量連續(xù)方程?2、理想流體的運(yùn)動(dòng)微分方程?3、理想流體的伯努利方程?4、不可壓粘性流體的伯努利方程?5、定常場(chǎng)中不可壓粘性流體的動(dòng)量方程1、流量連續(xù)方程一元定常流動(dòng)的流量連續(xù)方程為：??對(duì)不可壓縮流體來(lái)說(shuō)，由于是常數(shù)，其一元流動(dòng)的連續(xù)方程為：?2、理想流體的運(yùn)動(dòng)微分方程理想流體的運(yùn)動(dòng)微分方程實(shí)際上是牛頓第二定律在理想流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題上的具體應(yīng)用，因此，從牛頓第二定律出發(fā)就可方便地將方程導(dǎo)出。?對(duì)于定常流動(dòng)，因，所以有3、理想流體伯努利方程?1〕沿流線的伯努利方程?對(duì)于同一流線上的任意兩點(diǎn)，有?該式稱為理想不可壓縮流體沿流線定常流動(dòng)的伯努利方程，簡(jiǎn)稱伯努利方程。?〔2〕總流的伯努利方程?4、不可壓粘性流體的伯努利方程?重力作用下不可壓縮粘性流體作定常流動(dòng)時(shí)總流的伯努利方程為?5、定常場(chǎng)中不可壓粘性流體的動(dòng)量方程?由理論力學(xué)知道，質(zhì)點(diǎn)系的動(dòng)量定理為：作用于質(zhì)點(diǎn)系上的所有外力的矢量和等于質(zhì)點(diǎn)系的動(dòng)量對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，即?這就是最常用一維定常不可壓縮流體流動(dòng)的動(dòng)量方程式。Β=1第四節(jié)管道中液流的特性?一、流態(tài)、雷諾數(shù)?流態(tài)：層流和紊流?用雷諾數(shù)來(lái)判別?雷諾數(shù)：Re=υd/v?v--為運(yùn)動(dòng)粘度?臨界雷諾數(shù)：Recr=2300〔金屬圓管，由實(shí)驗(yàn)測(cè)定〕?當(dāng)Re<Recr時(shí)：液流為層流?當(dāng)Re≥Recr時(shí)：液流為紊流?二、圓管層流?Q=Πd4ΔP/128μL?三、圓管紊流?流量和壓力都是脈動(dòng)的，大小、方向都隨時(shí)間變化。?四、壓力損失：?沿程壓力損失和局部壓力損失?1、沿程壓力損失：液體在等直徑管路中流動(dòng)時(shí)，因摩擦而產(chǎn)生的壓力損失。?ΔP=λ·ι/d·ρυ2/2?式中：λ--沿程阻力系數(shù)；υ--液體的平均流速度；ρ--液體的密度；ι—管的長(zhǎng)度；d—管的直徑?層流時(shí)：λ=64/Re；?紊流時(shí)：λ與Re大小、管壁的外表粗糙度有關(guān)。?2、局部壓力損失：是由于管道截面的突然變化，液流方向改變或其它形式的液流阻力而引起的壓力損失。?ΔP=ξ·ρυ2/2?ξ——局部阻力系數(shù)，可通過(guò)查資料獲得。第五節(jié)孔口流動(dòng)?根據(jù)粘性流體伯努利方程和流量連續(xù)方程推出：?薄壁小孔—ι/d≤0.5；?短孔—0.5<ι/d≤4???Cd—流量系數(shù)；?ΔP=P1-P2—孔口前后的壓力差?細(xì)長(zhǎng)孔—ι/d>4?〔圓管層流公式〕第五節(jié)氣穴現(xiàn)象?氣穴現(xiàn)象：在流動(dòng)的液體中，因某點(diǎn)處的壓力低于空氣別離壓而使氣泡產(chǎn)生的現(xiàn)象。?危害：使液壓裝置產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)，使金屬外表受到腐蝕。?減小氣穴現(xiàn)象的措施：主要是防止液壓系統(tǒng)中的壓力過(guò)速降低，具體措施如下：?1、減小閥孔前后的壓力差，一般希望閥孔前后的壓力比p1/p2<3.5。?2、正確設(shè)計(jì)和使用液壓泵。?3、提高零件的抗氣蝕能力：增加零件的機(jī)械強(qiáng)度，采用抗腐蝕能力強(qiáng)的金屬材料，減小零件外表粗糙度等。第六節(jié)液壓沖擊?一、液壓沖擊概念?在液壓系統(tǒng)中，當(dāng)管道中的閥門突然關(guān)閉或開(kāi)啟時(shí)，管內(nèi)液體壓力發(fā)生急劇交替升降的波動(dòng)過(guò)程，稱為液壓沖擊。?直接液壓沖擊：當(dāng)管道中的閥門突然關(guān)閉時(shí)，閥門處的壓力急劇上升，出現(xiàn)峰值，可能使液壓元件和管道損壞，并伴有巨大的振動(dòng)和噪聲。當(dāng)管道中的閥門突然開(kāi)啟時(shí)，那么使壓力突然下降。這種開(kāi)閉所引起的沖擊，叫做直接液壓沖擊。?間接液壓沖擊：如果閥門不是突然開(kāi)閉，即其開(kāi)閉時(shí)間t大于tc，那么峰值壓力較低，危害性也較小。這種情況下出現(xiàn)的沖擊稱為間接液壓沖擊。?其中：tc=2L/c?式中：L—從閥門到較大容腔處的管長(zhǎng)；?c—壓力波在管中的傳播速度。?二、液壓沖擊的危害?出現(xiàn)液壓沖擊時(shí)，液體中的瞬時(shí)峰值壓力可以比正常工作壓力大好幾倍。雖然峰值壓力比管道的破壞壓力要小得多，但由于壓力增長(zhǎng)極快，足以使密封裝置、管道或其它液壓元件損壞。液壓沖擊還會(huì)使工作機(jī)械引起振動(dòng)，產(chǎn)生很大噪聲，影響工作質(zhì)量。有時(shí)，液壓沖擊使某些元件〔如閥、壓力繼電器等〕產(chǎn)生誤動(dòng)作，導(dǎo)致設(shè)備破壞。?三、液壓沖擊產(chǎn)生的原因?1、由管內(nèi)液流流速突變引起的液壓沖擊；?2、由運(yùn)動(dòng)部件制動(dòng)所產(chǎn)生的液壓沖擊。?