第一章流体力学基础课件.ppt
2019/6/23,第一章 流体力学基础,1,第一节 工作介质,一、液压传动介质 （一）基本要求与种类 液压传动及控制所用的工作介质为液压油液或其他合成液体，其应具备的功能如下： （1）传动，把由液压泵所赋予的能量传递给执行元件。 （2）润滑液压泵、液压阀、液压执行元件等运动件。 （3）冷却，吸收并带出液压装置所产生的热量。 （4）防锈防止液压元件所用各种金属的锈蚀。 为使液压系统长期保持正常的工作性能，对其工作介质提出的要求是： （l）可压缩性，可压缩性尽可能小，响应性好。 （2）黏度，温度及压力对粘度影响小，具有适当的粘度，粘温特性好。 （3）润滑性，能对液压元件滑动部位充分润滑。,2019/6/23,第一章 流体力学基础,2,（4）安定性，不因热、氧化或水解而变质，剪切稳定性好，使用寿命长。 （5）防锈和抗腐蚀性，对铁及非铁金属的锈蚀性小。 （6）抗泡沫性，介质中的气泡容易逸出并消除。 （7）抗乳化性，除含水液压液外的油液，油水分离要容易。 （8）洁净性，质地要纯净，尽可能不含污染物，当污染物从外部侵入时能迅速分离。 （9）相容性，对金属、密封件、橡胶软管、涂料等有良好的相容性。 （10）阻燃性，燃点高，挥发性小，最好具有阻燃性。 （11）其他对工作介质的其他要求还有：无毒性和臭味；比热容和热导率要大；体胀系数要小等。,第一节 工作介质,2019/6/23,第一章 流体力学基础,3,其实，能够同时满足上述各项要求的理想的工作介质是不存在的。液压系统中使用的工作介质按国际标准组织（ISO）的分类如表11所示。目前90以上的液压设备采用石油基液压油液。基油为精制的石油润滑油馏分。为了改善液压油液的性能，以满足液压设备的不同要求，往往在基油中加人各种添加剂。 添加剂有两类： 一类是改善油液化学性能的，加抗氧化剂、防腐剂、防锈剂等； 另一类是改善油液物理性能的，如增粘剂、抗磨剂、防爬剂等。,第一节 工作介质,2019/6/23,第一章 流体力学基础,4,第一节 工作介质,2019/6/23,第一章 流体力学基础,5,第一节 工作介质,（二）物理性质,1密度 单位体积液体所具有的质量称为该液体的密度，即,2019/6/23,第一章 流体力学基础,6,第一节 工作介质,2可压缩性 液体因所受压力增高而发生体积缩小的性质称为可压缩性。,液体压缩率k,液体压缩率k的倒数，称为液体体积模量,20C，一个大气压,2019/6/23,第一章 流体力学基础,7,一般情况下，工作介质的可压缩性对液压系统性能影响不大，但在高压下或研究系统动态性能及计算远距离操纵的液压机构时，则必须予以考虑。 石油基液压油的体积模量与温度、压力有关：温度升高时，K值减小，在液压油正常工作温度范围内，K值会有525的变化；压力增加时，K值增大，但这种变化不呈线性关系，当p3MPa时，K值基本上不再增大。 由于空气的可压缩性很大，因此当工作介质中有游离气泡时，K值将大大减小，且起始压力的影响明显增大。但是在液体内游离气泡不可能完全避免，因此，一般建议石油基液压油 K的取值为（0. 71. 4）103MPa，且应采取措施尽量减少液压系统工作介质中的游离空气的含量。,第一节 工作介质,2019/6/23,第一章 流体力学基础,8,第一节 工作介质,3粘性 （l）粘性的表现液体在外力作用下流动时，分子间内聚力的存在使其流动受到牵制，从而沿其界面产生内摩擦力，这一特性称为液体的粘性。,2019/6/23,第一章 流体力学基础,9,第一节 工作介质,（2）粘性的度量 度量粘性大小的物理量称为粘度。常用的粘度有三种：即动力粘度、运动粘度、相对粘度。 l）动力粘度 其量值等于液体在以单位速度梯度流动时，单位面积上的内摩擦力，Pas或N s /m2,2）运动粘度 m2/s,2019/6/23,第一章 流体力学基础,10,第一节 工作介质,3）相对粘度 相对粘度是根据特定测量条件制定的，故又称条件粘度。测量条件不同，采用的相对粘度单位也不同。如恩氏度ºE（中国、德国、前苏联）、通用赛氏秒SUS（美国、英国）、商用雷氏秒R1S（英国、美国）和巴氏度ºB（法国）等。 恩氏粘度用恩氏粘度计测定，即将200mL温度为t的被测液体装入粘度计的容器内，由其底部2.8mm的小孔流出，测出液体流尽所需时间t1，再测出相同体积温度为20的蒸馏水在同一容器中流尽所需的时间t2；这两个时间之比即为被测液体在t下的恩氏粘度，即 思氏粘度与运动粘度间的换算关系式为,2019/6/23,第一章 流体力学基础,11,第一节 工作介质,（3）温度对粘度的影响 （4）压力对粘度的影响 （5）气泡对粘度的影响 （三）选用和维护,2019/6/23,第一章 流体力学基础,12,第二节 流体静力学,一、静压力及其特性,我国采用法定计量单位Pa来计量压力，1Pa1N/m2。液压技术中习惯用MPa，1MPa=106Pa。 液体静压力有两个重要特性： 1）液体静压力垂直于承压面，其方向和该面的内法线方向一致。这是由于液体质点间的内聚力很小，不能受拉只能受压之故。 2）静止液体内任一点所受到的压力在各个方向上都相等。如果某点受到的压力在某个方向上不相等，那么液体就会流动，这就违背了液体静止的条件。,2019/6/23,第一章 流体力学基础,13,第二节 流体静力学,二、静压力基本方程 （）静压力基本方程,l）静止液体内任一点的压力由两部分组成：一部分是液面上的压力p0，另一部分是该点以上液体重力所形成的压力gh。 2）静止液体内的压力随液体深度呈线性规律递增。 3）同一液体中，离液面深度相等的各点压力相等。由压力相等的点组成的面称为等压面。在重力作用下静止液体中的等压面是一个水平面。,2019/6/23,第一章 流体力学基础,14,第二节 流体静力学,（二）静压力基本方程的物理意义,（三）压力的表示方法,2019/6/23,第一章 流体力学基础,15,第三节 流体运动学和流体动力学,一、基本概念 （一）理想液体、恒定流动和一维流动 一般把既无粘性又不可压缩的假想液体称为理想液体; 液体流动时，如液体中任何一点的压力、速度和密度都不随时间而变化，便称液体是在作恒定流动； 当液体整个作线形流动时，称为一维流动；当作平面或空间流动时，称为二维或三维流动。 （二）流线、流管和流束,2019/6/23,第一章 流体力学基础,16,第三节 流体运动学和流体动力学,（三）通流截面、流量和平均流速 流束中与所有流线正交的截面称为通流截面; 单位时间内流过某通流截面的液体体积称为流量.平均流速：,2019/6/23,第一章 流体力学基础,17,第三节 流体运动学和流体动力学,二、连续方程 连续方程是流量连续性方程的简称，它是流体运动学方程，其实质是质量守恒定律的另一种表示形式，即将质量守恒转化为理想液体作恒定流动时的体积守恒。,2019/6/23,第一章 流体力学基础,18,第三节 流体运动学和流体动力学,三、能量方程 能量方程又常称伯努利方程，它实际上是流动液体的能量守恒定律。,（一）理想液体的运动微分方程 1）压力在两端截面上所产生的作用力,2）作用在微单元上的重力：,在恒定流动下微单元上的惯性力：,根据牛顿第二定律：,2019/6/23,第一章 流体力学基础,19,第三节 流体运动学和流体动力学,由于,代入上式，整理可得,这就是理想液体沿流线作恒定流动时的运动微分方程 （二）理想液体的能量方程,（三）实际液体的能量方程,2019/6/23,第一章 流体力学基础,20,第三节 流体运动学和流体动力学,例15推导文丘利流量计的流量公式。,2019/6/23,第一章 流体力学基础,21,四、动量方程 动量方程是动量定理在流体力学中的具体应用。用动量方程来计算液流作用在固体壁面上的力，比较方便。动量定理指出：作用在物体上的合外力的大小等于物体在力作用方向上的动量的变化率，即,第三节 流体运动学和流体动力学,2019/6/23,第一章 流体力学基础,22,第三节 流体运动学和流体动力学,例1-7 喷嘴一挡板如图1-19所示。试求射流对挡板的作用力。,因为Pa0（相对压力），所以,2019/6/23,第一章 流体力学基础,23,第三节 流体运动学和流体动力学,例1-8 图1-20所示为一锥阀，锥阀的锥角为2。当液体在压力p下以流量q流经锥阀时，液流通过阀口处的流速为2，出口压力为p2= 0。试求作用在锥阀上的力的大小和方向。 对于图 a),取121，因1 2,忽略1，故得,对于图 b),同样取121，因1 2,忽略1，故得,2019/6/23,第一章 流体力学基础,24,第六节 管道流动,一、流态与雷诺数 （一）层流和紊流 层流和紊流是两种不同性质的流态。层流时，液体流速较低，质点受粘性制约，不能随意运动，粘性力起主导作用；紊流时，液体流速较高，粘性的制约作用减弱，惯性力起主导作用。 （二）雷诺数 液体的流动状态可用雷诺数来判别。,对于非圆管：,2019/6/23,第一章 流体力学基础,25,第六节 管道流动,液流由层流转变为紊流时的雷诺数和由紊流转变为层流时的雷诺数是不同的，后者数值小。所以一般都用后者作为判别流动状态的依据，称为临界雷诺数，记作Recr。当雷诺数Re小于临界雷诺数Recr时，液流为层流；反之，液流大多为紊流。,2019/6/23,第一章 流体力学基础,26,第六节 管道流动,2019/6/23,第一章 流体力学基础,27,第六节 管道流动,内摩擦力,对上式进行积分，并利用边界条件，当r=R，u=0,得：,二、圆管层流,2019/6/23,第一章 流体力学基础,28,第六节 管道流动,三、圆管紊流,四、压力损失,（一）沿程压力损失,代入上式,得：,沿程阻力系数,考虑到实际流动时还存在温度变化等问题，因此液体在金属管道中流动时宜取75/Re，在橡胶软管中流动时则取=80/Re。液体在直管中作紊流流动时，其沿程压力损失的计算公式与层流时相同.,（二）局部压力损失,（三）液压系统管路的总的压力损失,2019/6/23,第一章 流体力学基础,29,第六节 管道流动,表1-18 圆管的沿程阻力系数的计算公式,管壁绝对表面粗糙度的值，在粗估时，钢管取0.04mm，铜管取0.00150.01mm，铝管取0.00150.06mm，橡胶软管取0.03mm，铸铁管取0.25mm。,2019/6/23,第一章 流体力学基础,30,第七节 孔口流动,一、薄壁小孔 薄壁小孔是指小孔的长度和直径之比l/d0.5的孔，一般孔口边缘做成刀口形式如图1-28所示。设动能修正系数1,Re,流体流经截面突然缩小时的能量损失：,流体流经截面突然扩大时的能量损失：,2019/6/23,第一章 流体力学基础,31,第七节 孔口流动,C小孔速度系数， Cc截面收缩系数， Cc Ae/A0 ,Cd 流量系数, Cd = Cc C,由于AeA2，所以,将上式代入能量方程，并注意到A1 A2时，12，则得：,2019/6/23,第一章 流体力学基础,32,第七节 孔口流动,二、短孔和细长孔 短孔是指小孔的长度和直径之比0.5 l/d4的孔。流量：,当孔的长度和直径之比l/d 4时，称为细长孔。流经细长孔的液流一般都是层流，所以细长孔的流量公式可以应用前面推导的圆管层流流量公式。,2019/6/23,第一章 流体力学基础,33,第七节 孔口流动,例111试分别推导图132和图l33所示的流经滑阀和锥阀阀口的流量公式。,2019/6/23,第一章 流体力学基础,34,第八节 缝隙流动,一、平行平板缝隙,整理后，并代入,对上式积分两次得：,边界条件;y=0处，u=0；y=h处，u=u0。此外，液流作层流时p只是x的线形函数：,2019/6/23,第一章 流体力学基础,35,第八节 缝隙流动,通过平行平板缝隙的流量为:,讨论u0=0；p=0时q的状态,二、环形缝隙,2019/6/23,第一章 流体力学基础,36,第八节 缝隙流动,（一）流经同心环形缝隙的流量,当缝隙h较小时，可将环形缝隙沿圆周方向展开，把它近似地看作是平行平板缝隙间的流动。,当缝隙较大时（见图l37b），必须精确计算，经推导其流量公式为,2019/6/23,第一章 流体力学基础,37,第八节 缝隙流动,（二）流经偏心环形缝隙的流量,（三）流经偏心圆环平面缝隙的流量,2019/6/23,第一章 流体力学基础,38,第八节 缝隙流动,（三）流经圆环平面缝隙的流量,设圆环的大、小半径为r2。和r1，它与平面间的缝隙值为h，则由式（l111），并令u0=0，可得在半径为r、离下平面z处的径向速度为,流过的流量为,即,积分得：,当r=r2，p=p2，求出C，代入上式得,2019/6/23,第一章 流体力学基础,39,第八节 缝隙流动,当r=r1，p=p1，求得圆环平面缝隙的流量公式为,2019/6/23,第一章 流体力学基础,40,第九节 液压冲击与气穴现象,一、液压冲击 在液压系统中，当突然关闭或开启液流通道时，在通道内液体压力发生急剧交替升降的波动过程称为液压冲击。出现液压冲击时，液体中的瞬时峰值压力往往比正常工作压力高好几倍，它不仅会损坏密封装置、管道和液压元件，而且还会引起振动和噪声；有时使某些压力控制的液压元件产生误动作，造成事故。 （一）管内液流速度突变引起的液压冲击,冲击波在管内的传播速度：,2019/6/23,第一章 流体力学基础,41,第九节 液压冲击与气穴现象,压力冲击波在管道中液压液内的传播速度c一般在8901420m/s范围内。 一般，依阀门关闭时间常把液压冲击分为两种： 当阀门关闭时间ttc=2l/c时，称为直接液压冲击（又称完全冲击）。 当阀门关闭时间ttc=2l/c时，称为间接液压冲击（又称不完全冲击）。 此时压力升高值比直接冲击时小，它可近似地按下式计算：,管道中液压值,（二）运动部件制动引起的液压冲击,2019/6/23,第一章 流体力学基础,42,第九节 液压冲击与气穴现象,（三）减小液压冲击的措施 针对上述各式中影响冲击压力的因素，可采取以下措施来减小液压冲击： 1）适当加大管径，限制管道流速 ，一般在液压系统中把流速控制在 4.5m/s以内，使最大压力不超过5MPa就可以认为是安全的。 2）正确设计阀口或设置制动装置，使运动部件制动时速度变化比较均匀。 3）延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间，可采用换向时间可调的换向阀。 4）尽可能缩短管长，以减小压力冲击波的传播时间，变直接冲击为间接冲击。 5）在容易发生液压冲击的部位采用橡胶软管或设置蓄能器，以吸收冲击压力；也可以在这些部位安装安全阀，以限制压力升高。,2019/6/23,第一章 流体力学基础,43,二、气穴现象 在液压系统中，当流动液体某处的压力低于空气分高压时，原先溶解在液体中的空气就会游离出来，使液体中产生大量气泡，这种现象称为气穴现象。气穴现象使液压装置产生噪声和振动，使金属表面受到腐蚀。为了说明气穴现象的机理，必须先介绍一下液体的空气分离压和饱和蒸气压。,2019/6/23,第一章 流体力学基础,44,第九节 液压冲击与气穴现象,（一）空气分离压和饱和蒸气压 在一定温度下，当液体压力低于某值时，溶解在液体中的空气将会突然地迅速从液体中分离出来，产生大量气泡，这个压力称为液体在该温度下的空气分离压。有气泡的液体其体积模量将明显减小。气泡越多，液体的体积模量越小。,2019/6/23,第一章 流体力学基础,45,当液体在某一温度下其压力继续下降而低于一定数值时，液体本身便迅速汽化，产生大量蒸气，这时的压力称为液体在该温度下的饱和蒸气压。一般说来，液体的饱和蒸气压比空气分离压要小得多。,第九节 液压冲击与气穴现象,2019/6/23,第一章 流体力学基础,46,第九节 液压冲击与气穴现象,（二）节流孔口的气穴 （三）减小气穴的措施 在液压系统中，哪里压力低于空气分离压，那里就会产生气穴现象。为了防止气穴现象的发生，最根本的一条是避免液压系统中的压力过分降低，具体措施有： l）减小阀孔口前后的压差，一般希望其压力比p1/p23.5。 2）正确设计和使用液压泵站。 3）液压系统各元部的联接处要密封可靠，严防空气侵入。 4）采用抗腐蚀能力强的金属材料，提高零件的机械强度，减小零件表面粗糙度。,2019/6/23,第一章 流体力学基础,47,第十节 穿透多孔物质的液流,在液压和气动系统中，为了保证系统能正常持续地运行，必须保持其工作介质的清洁，因而常在系统的进出口处或系统的内部设置过滤器，以滤掉因受外界污染而混人工作介质的杂物和系统工作中自身产生的异物。过滤器一般用滤网、滤纸、粉末金属或陶瓷等多孔物质制成。因此，过滤的过程就是带有杂物的流体（工作介质）穿透这些多孔物质的流动。 一、过滤过程 过滤就是通过多孔物质把分散的微粒从弥散的流体中分离出来的一种方法。根据弥散流体的种类，过滤有气滤与液滤之分。按过滤过程的类型则可分为以下几种。 （一）表面过滤 表面过滤就是将悬浮于流体中的大于过滤物质微孔的颗粒，截留在过滤物质表面上。 （二）深度过滤 与表面过滤相反，深度过滤是在多孔物质内部实现。那些小于多孔物质微孔的微粒，随着弥散的流体流经多孔物质内部弯弯曲曲的通道时，它们与通道壁相,2019/6/23,第一章 流体力学基础,48,第十节 穿透多孔物质的液流,碰撞，如果微粒受到的阻力大于它的惯性力，那么这些微粒就被卡滞在拐角里或附着在通道壁上，因而就从流体中分离了出来。 （三）滤饼过滤 滤饼过滤就是利用在过滤过程中被截留在多孔物质表面的微粒杂质，自身堆积起来，粘附在多孔物质表面，形成一层杂质层，它也有过滤作用。这层杂质层就称之谓滤饼。显然，滤饼也是一种多孔物质。 实际的过滤过程往往是很复杂的，可能是上述几种过滤过程同时发生，也可能是各种过滤过程相继或交叉进行。 二、多孔物质的几何参数 （一）空隙率 多孔物质的空隙体积与其总体积之比的百分数，称为该多孔物质的空隙率，常用n表示， 即,2019/6/23,第一章 流体力学基础,49,第十节 穿透多孔物质的液流,（二）堆积型式与空隙率的关系 多孔物质固体颗粒用不同型式进行堆积，所形成的空隙大小也不相同，因而其空隙率也不一样，不同堆积型式的空隙率如下所示,三、达西定律 1856年，法国水力学家达西在研究流经装填有均匀砂粒（砂滤）的垂直管内的水流时，提出了著名的达西定律：透过砂滤的水的流量与多孔物质的渗透率、管子的截面积以及压力梯度成正比。,每个等径球粒彼此有6个相切接触点堆成的体心立方体，空隙率47.64,每个等径球粒彼此有12个相切的接触点堆成的菱形体，空隙率25.96,等径圆柱杆堆成的立方体，空隙率21.1,2019/6/23,第一章 流体力学基础,50,对于一般液体。达西定律的表达式为 式中 液体的动力粘度，单位为 Pa· s；k 渗透系数，单位为m2;A 多孔物质的截面积，单位为m2 ；dp/dl 压力梯度，单位为Pa/m。,第十节 穿透多孔物质的液流,表124工业中常用多孔物质的n值,多孔物质的渗透系数k与物质的空隙率n、液体的物性和流体的雷诺数Re有关。,2019/6/23,第一章 流体力学基础,51,第十节 穿透多孔物质的液流,表l25通过多孔物质的流量的实用公式,三维汇流,2019/6/23,第一章 流体力学基础,52,本章重点,
