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1、关于液压流体力学基础PPT第1页，讲稿共30张，创作于星期二 2-2 2-2 液体动力学基础液体动力学基础 液体动力学研究液体动力学研究液体在外力作用液体在外力作用下运动规律，即研下运动规律，即研究作用在液体上的力与液体运动之间的关系。由于液体具究作用在液体上的力与液体运动之间的关系。由于液体具有粘性，流动时要产生摩擦力，因此研究液体流动问题时有粘性，流动时要产生摩擦力，因此研究液体流动问题时必须考虑粘性的影响。必须考虑粘性的影响。一、几个基本概念一、几个基本概念二、液体流动的连续性方程二、液体流动的连续性方程四、液体稳定流动时的动量方程四、液体稳定流动时的动量方程三、伯努利方程三、伯努利方程
2、第2页，讲稿共30张，创作于星期二1、稳定流动和非稳定流动、稳定流动和非稳定流动一、几个基本概念一、几个基本概念 液体流动时，若液体中任何一点的压力，流速和密液体流动时，若液体中任何一点的压力，流速和密度都不随时间变化，这种流动称为度都不随时间变化，这种流动称为稳定流动稳定流动。反之，压。反之，压力，流速随时间而变化的流动称为非力，流速随时间而变化的流动称为非稳定流动。稳定流动。如图所如图所示，从水箱中放水，示，从水箱中放水，如果水箱上方有一如果水箱上方有一补充水源，使补充水源，使 水位水位H H保持不变，则水保持不变，则水箱下部出水箱下部出水 口流出的液体中各口流出的液体中各点的压力和速点的
3、压力和速 度均不随时间变度均不随时间变化，故为稳定流化，故为稳定流 动。反之则为动。反之则为非稳定流动。非稳定流动。第3页，讲稿共30张，创作于星期二概念概念：为了便于导出基本方程，常假定液体既无粘为了便于导出基本方程，常假定液体既无粘性油不可压缩，这样的液体称为性油不可压缩，这样的液体称为理想液体理想液体。实际液体实际液体则既有粘性又可压缩。则既有粘性又可压缩。2、理想液体与实际液体、理想液体与实际液体第4页，讲稿共30张，创作于星期二3、通流截面、流量和流速通流截面、流量和流速 垂直于液体流动方向的截面称为垂直于液体流动方向的截面称为通流截面通流截面 ，也，也叫叫过流断面。过流断面。单位时
4、间单位时间t t内流过某通流截面的液体体积内流过某通流截面的液体体积V V称为称为流流量量Q Q，即：，即：Q=V/t=vA Q=V/t=vA(A-(A-通流截面面积，通流截面面积，v v平均流速）平均流速）可看出，可看出，流速流速为流量与通流面积之比。实际上由于为流量与通流面积之比。实际上由于液体具有粘性，液体在管道内流动时，通流截面上各点液体具有粘性，液体在管道内流动时，通流截面上各点的流速是不相等的。管道中心处流速最大；越靠近管壁的流速是不相等的。管道中心处流速最大；越靠近管壁流速越小；管壁处的流速为零。为方便起见，以后所指流速越小；管壁处的流速为零。为方便起见，以后所指流速均为平均流速
5、。流速均为平均流速。第5页，讲稿共30张，创作于星期二 当液体在管道内作稳定流动时，根据质量守恒定律，当液体在管道内作稳定流动时，根据质量守恒定律，管内液体的质量不会增多也不会减少，所以在单位时间内管内液体的质量不会增多也不会减少，所以在单位时间内流过每一截面的液体质量必然相等。如图所示，管道的两流过每一截面的液体质量必然相等。如图所示，管道的两个通流面积分别为个通流面积分别为A A1 1、A A2 2，液体流速分别为，液体流速分别为v v1 1、v v2 2，液体，液体的密度为的密度为，则则 vv1 1A A1 1=v=v2 2A A2 2=常量常量即即:v v1 1A A1 1=v=v2
6、2A A2 2=Q=Q常量常量或或 v v1 1/v/v2 2=A=A2 2/A/A 二、液体流动的连续性方程二、液体流动的连续性方程第6页，讲稿共30张，创作于星期二 上式称为连续性方程，它说明在同一管路中无论通上式称为连续性方程，它说明在同一管路中无论通流面积怎么变化，只要没有泄漏，液体通过任意截面的流面积怎么变化，只要没有泄漏，液体通过任意截面的流量是相等的；同时还说明了在同一管路中通流面积大流量是相等的；同时还说明了在同一管路中通流面积大的地方液体流速小。通流面积小的地方则液体流速大；的地方液体流速小。通流面积小的地方则液体流速大；此外，当通流面积一定时，通过的液体流量越大，其流此外，
7、当通流面积一定时，通过的液体流量越大，其流速也越大。速也越大。对于图示的分支油路，显然流进的流量应等于流出对于图示的分支油路，显然流进的流量应等于流出的流量，故有的流量，故有Q=QQ=Q1 1+Q+Q2 2。第7页，讲稿共30张，创作于星期二 理想液体没有粘性，它在管内作稳定流动时没有理想液体没有粘性，它在管内作稳定流动时没有能量损失。根据能量守恒定律，同一管道每一截面能量损失。根据能量守恒定律，同一管道每一截面上的总能量都是相等的。在图中任意取两个截面上的总能量都是相等的。在图中任意取两个截面A1 1和和A2 2，它们距离基准水平面的坐标位置分别为，它们距离基准水平面的坐标位置分别为Z1 1
8、和和Z2 2，流速分别为流速分别为v1 1、v2 2，压力分别为压力分别为p1 1和和p2 2，根据能量守，根据能量守恒定律有：恒定律有：P P1 1/g+z/g+z1 1+v+v1 12 2/2g=P/2g=P2 2/g+z/g+z2 2+v+v2 22 2/2g /2g 可改写成可改写成 P+gz+gvP+gz+gv2 2/2=/2=常量常量三、伯努利方程三、伯努利方程1、理想液体的伯努力方程理想液体的伯努力方程第8页，讲稿共30张，创作于星期二以上两式即为理想液体的伯努利方程，式中每一项以上两式即为理想液体的伯努利方程，式中每一项的量纲都是长度单位，分别称为水头、位置水头和的量纲都是长度
9、单位，分别称为水头、位置水头和速度水头。速度水头。伯努利方程的物理意义为：在管内作稳定流动的理伯努利方程的物理意义为：在管内作稳定流动的理想液体具有想液体具有压力能、位能和动能压力能、位能和动能三种形式的能量。在任三种形式的能量。在任意截面上这三种能量都可以相互转换，但其总和保持不变意截面上这三种能量都可以相互转换，但其总和保持不变。而静压力基本方程则是伯努利方程（在速度为零时）而静压力基本方程则是伯努利方程（在速度为零时）的特例。的特例。第9页，讲稿共30张，创作于星期二 实际液体具有粘性，当它在管中流动时，为克服实际液体具有粘性，当它在管中流动时，为克服内摩擦阻力需要消耗一部分能量，所以实
10、际液体的伯内摩擦阻力需要消耗一部分能量，所以实际液体的伯努利方程为：努利方程为：P P1 1/g+Z/g+Z1 1+V+V1 12 2/2g=P/2g=P2 2/g+Z/g+Z2 2+V+V2 22 2/2g/2g+h+hw w (注：注：h hw w以水头高度表示的能量损失。以水头高度表示的能量损失。)当管道水平放置时，由于当管道水平放置时，由于z z1 1=z=z2 2，方程可简化为：方程可简化为：P P1 1/g+V/g+V1 12 2/2g=P/2g=P2 2/g+V/g+V2 22 2/2g/2g+h+hw w 当管道为等径直管且水平放置时，方程可简化为：当管道为等径直管且水平放置时
11、，方程可简化为：P P1 1/g=P/g=P2 2/g/g+h+hw w2、实际液体的泊努利方程、实际液体的泊努利方程第10页，讲稿共30张，创作于星期二3.伯努利方程应用举例伯努利方程应用举例(1)(1)计算泵吸油腔的真空度或泵允许的最大吸油高度计算泵吸油腔的真空度或泵允许的最大吸油高度如图所示，设泵的吸油口比油箱液高如图所示，设泵的吸油口比油箱液高h h，取油，取油箱液面箱液面I II I和泵进口处截面和泵进口处截面II-IIII-II列伯努利方程，列伯努利方程，并取截面并取截面I II I为基准水平面。泵吸油口真空度为：为基准水平面。泵吸油口真空度为：P P1 1/g/g+v+v1 12
12、 2/2g=/2g=P P2 2/g/g+h+vh+v2 22 2/2g+h/2g+hw wP P1 1为油箱液面压力，为油箱液面压力，P P2 2为泵吸油口的绝对压力为泵吸油口的绝对压力第11页，讲稿共30张，创作于星期二 一般油箱液面与大气相通，故一般油箱液面与大气相通，故p p1 1为大气压力，为大气压力，即即p p1 1=p=pa a；v v2 2为泵吸油口的流速，一般可取吸油为泵吸油口的流速，一般可取吸油管流速；管流速；v v1 1为油箱液面流速，由于为油箱液面流速，由于v v1 1vv2 2，故，故v v1 1可可忽略不计；忽略不计；p p2 2为泵吸油口的绝对压力，为泵吸油口的绝
13、对压力，h hw w为能量为能量损失。据此，上式可简化成损失。据此，上式可简化成 P Pa a/gg=P P2 2/gg+h+vh+v2 22 2/2g+h/2g+hw w 泵吸泵吸油口真空度为油口真空度为 P Pa a-P P2 2=ggh+Ph+P2 2/2+/2+ggh hw w=ggh h+gv+gv2 2/2+P/2+P第12页，讲稿共30张，创作于星期二 由上式可知，在泵的进油口处有一定真空度，所由上式可知，在泵的进油口处有一定真空度，所谓吸油，实质上是在油箱液面的大气压力作用下把油谓吸油，实质上是在油箱液面的大气压力作用下把油压入泵内的过程。由上式还可看出，泵吸油口的真空压入泵内
14、的过程。由上式还可看出，泵吸油口的真空度由三部分组成度由三部分组成：（1）产生一定流速所需的压力；）产生一定流速所需的压力；（2）把油液提升到高度）把油液提升到高度h所需的压力；所需的压力；（3）吸油管内压力损失。）吸油管内压力损失。第13页，讲稿共30张，创作于星期二 泵吸油口的真空度不能太大，即泵吸油口处的绝对压力不能泵吸油口的真空度不能太大，即泵吸油口处的绝对压力不能太低。当压力低于大气压一定数值时，溶解于油中的空气便分离太低。当压力低于大气压一定数值时，溶解于油中的空气便分离出来形成气泡出来形成气泡,这种现象称为这种现象称为气穴气穴。这时的绝对压力称为空气分离压这时的绝对压力称为空气分
15、离压pa a。气泡被带进泵内，在泵。气泡被带进泵内，在泵的压油区遇到负载压力，气泡便破裂，在其破裂处，压力和的压油区遇到负载压力，气泡便破裂，在其破裂处，压力和温度急剧升高，引起强烈的冲击和噪声。而且气泡破裂时所温度急剧升高，引起强烈的冲击和噪声。而且气泡破裂时所产生的高压高温还会腐蚀机件，缩短泵的寿命，这一现象称产生的高压高温还会腐蚀机件，缩短泵的寿命，这一现象称为为气蚀气蚀。气穴与气蚀气穴与气蚀第14页，讲稿共30张，创作于星期二（2 2）计算泵的出口压力）计算泵的出口压力 如图所示，泵驱动液压缸如图所示，泵驱动液压缸克服负载而运动。设液压缸中克服负载而运动。设液压缸中心距泵出口处的高度为
16、心距泵出口处的高度为h，则，则可根据伯努利方程来确定泵的可根据伯努利方程来确定泵的出口压力。选取出口压力。选取I-I，II-II截面列伯努利方程以截面截面列伯努利方程以截面I I为基准面。则有为基准面。则有 P P1 1/gg+v+v1 12 2/2g=P/2g=P2 2/gg+v+v2 22 2/2g)+h+h/2g)+h+hw w第15页，讲稿共30张，创作于星期二因此泵的出口压力为因此泵的出口压力为 P P1 1=P=PL L+(v+(v1 12 2/2-v/2-v2 22 2/2)+/2)+gh+Pgh+P 在液压传动中，油管中油液的流速一般不超过在液压传动中，油管中油液的流速一般不超
17、过6m/s6m/s，而液压缸中油液的流速更要低得多。因此计算，而液压缸中油液的流速更要低得多。因此计算出速度水头产生的压力和出速度水头产生的压力和h h的值比缸的工作压力低得的值比缸的工作压力低得多，故在管道中，这两项可忽略不计。这时上式可简化多，故在管道中，这两项可忽略不计。这时上式可简化为为 P P1 1=P=PL L+P P 第16页，讲稿共30张，创作于星期二通过以上两例分析，可将应用伯努利方程通过以上两例分析，可将应用伯努利方程解决实际问题的一般方法归纳如下：解决实际问题的一般方法归纳如下：1.选取适当的基准水平面；选取适当的基准水平面；2.选取两个计算截面；一个设在已知参数的断面上
18、，选取两个计算截面；一个设在已知参数的断面上，另一个设在所求参数的断面上；另一个设在所求参数的断面上；3.按照液体流动方向列出伯努利方程；按照液体流动方向列出伯努利方程；4.若未知数的数量多于方程数，则必须列出其他辅若未知数的数量多于方程数，则必须列出其他辅助方程，联立求解。助方程，联立求解。第17页，讲稿共30张，创作于星期二 实际液体具有粘性，在液体流动时就有力，为了克实际液体具有粘性，在液体流动时就有力，为了克服阻力，就必然要消耗能量，这样就有能量损失。能量服阻力，就必然要消耗能量，这样就有能量损失。能量损失主要表现为压力损失，这就是实际液体伯努利方程损失主要表现为压力损失，这就是实际液
19、体伯努利方程中最后一项的意义。中最后一项的意义。压力损失过大，将使功率消耗增加，油液发热，泄漏压力损失过大，将使功率消耗增加，油液发热，泄漏增加，效率降低，液压系统性能变坏。因此在液压技术中增加，效率降低，液压系统性能变坏。因此在液压技术中正确估算压力损失的大小，从而找到减少压力损失的途径。正确估算压力损失的大小，从而找到减少压力损失的途径。管路压力损失计算管路压力损失计算第18页，讲稿共30张，创作于星期二液压系统中的压力损失分为两类：液压系统中的压力损失分为两类：一是油液流经直管时的压力损失，称为一是油液流经直管时的压力损失，称为沿程压力损沿程压力损失失。这类压力损失是由液体流动时的内摩擦
20、力引起。这类压力损失是由液体流动时的内摩擦力引起的。的。二是油液流经局部障碍时，由于液流的方向和速度二是油液流经局部障碍时，由于液流的方向和速度突然变换，在局部区域形成漩涡，引起液体质点相突然变换，在局部区域形成漩涡，引起液体质点相互撞击和剧烈摩擦因而产生的压力损失，这种损失互撞击和剧烈摩擦因而产生的压力损失，这种损失称为称为局部压力损失。局部压力损失。第19页，讲稿共30张，创作于星期二 层流：层流：液体中质点沿管道作直线运动而没有横向液体中质点沿管道作直线运动而没有横向运动，既液体作分层流动，各层间的流体互不混杂。运动，既液体作分层流动，各层间的流体互不混杂。如图所示。如图所示。一、液体的
21、流态一、液体的流态紊流紊流:液体中质点除沿管道轴线运动外，还有横向运液体中质点除沿管道轴线运动外，还有横向运动，呈现紊乱混杂状态。动，呈现紊乱混杂状态。雷诺系数雷诺系数 R RC C=V=V.D/D/第20页，讲稿共30张，创作于星期二 油液在直管中流动的沿程压力损失可用达西公式表油液在直管中流动的沿程压力损失可用达西公式表示：示：PP=(l/d)(v=(l/d)(v2 2/2)/2)式中式中 沿程阻力系数；沿程阻力系数；l l直管长度；直管长度；d d 管道直径；管道直径；v v油液的平均流速；油液的平均流速；油油液密度。液密度。公式说明了公式说明了压力损失压力损失PP与管道长度及流速与管道
22、长度及流速v v的平方成正比，而的平方成正比，而与管子的内径成反比。至于油液的粘度，管壁粗糙与管子的内径成反比。至于油液的粘度，管壁粗糙度和流动状态等都包含在度和流动状态等都包含在内。内。二、沿程压力损失二、沿程压力损失第21页，讲稿共30张，创作于星期二三、局部压力损失三、局部压力损失 局部压力损失是液流流经管道截面突然变化的弯局部压力损失是液流流经管道截面突然变化的弯管、管接头以及控制阀阀口等局部障碍处时的压力损管、管接头以及控制阀阀口等局部障碍处时的压力损失。计算式为：失。计算式为：pp=(v=(v2 2/2)/2)局部阻力系数，由试验求得；局部阻力系数，由试验求得；V V液流流速。液流
23、流速。液体流经各种阀类的压力损失主要为局部损失液体流经各种阀类的压力损失主要为局部损失.当实当实际通过的流量不等于额定流量时，可根据局部损失与际通过的流量不等于额定流量时，可根据局部损失与v2v2成正比的关系按下式计算。成正比的关系按下式计算。pp =p=pr r(Q/Qr)(Q/Qr)2 2第22页，讲稿共30张，创作于星期二 液压系统中管路通常由若干段管道串联而成。其液压系统中管路通常由若干段管道串联而成。其中每一段又串联一些诸如弯头、控制阀、管接头等中每一段又串联一些诸如弯头、控制阀、管接头等形成局部阻力的装置，因此管路系统总的压力损失形成局部阻力的装置，因此管路系统总的压力损失等于所有
24、直管中的沿程压力损失等于所有直管中的沿程压力损失PP及所有局部压及所有局部压力损失力损失PP之和。即：之和。即：四、管路系统总压力损失四、管路系统总压力损失P=PP=P+P+P=(l/d)(v=(l/d)(v2 2/2)+(v/2)+(v2 2/2)/2)结束结束第23页，讲稿共30张，创作于星期二 在液压系统中，由于某种原因，液体压力在一瞬间在液压系统中，由于某种原因，液体压力在一瞬间会突然升高，产生很高的压力峰值，这种现象称为会突然升高，产生很高的压力峰值，这种现象称为液压液压冲击冲击。2-5 2-5 液压冲击液压冲击 液压冲击产生的压力峰值往往比正常工作压力高好液压冲击产生的压力峰值往往
25、比正常工作压力高好几倍，且常伴有噪声和振动，从而损坏液压元件、密封几倍，且常伴有噪声和振动，从而损坏液压元件、密封装置、管件装置、管件等。等。液压冲击的类型有液压冲击的类型有：1 1、液流通道迅速关闭或液流迅速换向使液流速度的大小或方液流通道迅速关闭或液流迅速换向使液流速度的大小或方向突然变化时，由于液流的惯力引起的液压冲击。向突然变化时，由于液流的惯力引起的液压冲击。第24页，讲稿共30张，创作于星期二2 2、运动着的工作部件突然制动或换向时，因工作部运动着的工作部件突然制动或换向时，因工作部件的惯性引起的液压冲击。件的惯性引起的液压冲击。3 3、某些液压元件动作失灵或不灵敏，使系统压力升高
26、某些液压元件动作失灵或不灵敏，使系统压力升高而引起的液压冲击。而引起的液压冲击。一、液流通道迅速关闭时的液压冲击一、液流通道迅速关闭时的液压冲击二、运动部件制动时产生的液压冲击二、运动部件制动时产生的液压冲击 第25页，讲稿共30张，创作于星期二 一、液流通道迅速关闭时的液压冲击一、液流通道迅速关闭时的液压冲击 (水锤现象）水锤现象）如图所示，液体自一具有固定液面的压力容器沿长如图所示，液体自一具有固定液面的压力容器沿长度为度为l，直径为，直径为d的管道经出口处的阀门以速度的管道经出口处的阀门以速度v0流出。流出。诺将阀门突然关闭，此时紧靠阀门口诺将阀门突然关闭，此时紧靠阀门口B处的一层液体停
27、处的一层液体停止流动，压力升高止流动，压力升高 p。其后液体也依次停止流动，动。其后液体也依次停止流动，动能形成压力波能形成压力波,并以速度并以速度c向向A传播。此传播。此后后B处压力处压力 降低降低 p，形成压力降波，并，形成压力降波，并向向A传传 播。而后当播。而后当A处先恢复初始压力，处先恢复初始压力，压力波又传向压力波又传向B。则如此循环使液。则如此循环使液 流流振荡。振荡终因摩擦损失而停止。振荡。振荡终因摩擦损失而停止。第26页，讲稿共30张，创作于星期二 让我们计算阀门关闭时的最大压力升高值让我们计算阀门关闭时的最大压力升高值 p。设。设管路断面积为管路断面积为A1，管长为，管长为
28、l，压力波从，压力波从B传到传到A的时间为的时间为t，液体密度为，液体密度为，管中的起始流速为，管中的起始流速为v0，则有：，则有：p=v0.1/t=cv0 式式中中c=1/t为压力波传播速度。为压力波传播速度。如阀门不是完全关闭，而是使流速从如阀门不是完全关闭，而是使流速从v0降到降到v1则有：则有：p=c(v0-vt)=c v 当阀门关闭时间当阀门关闭时间tT=21/c时称为不完全冲时称为不完全冲击，此时压力峰值比完全冲击时低。击，此时压力峰值比完全冲击时低。第27页，讲稿共30张，创作于星期二（1 1）使完全冲击改变为不完全冲击）使完全冲击改变为不完全冲击（2 2）限制管中油液的流速）限
29、制管中油液的流速（3 3）用橡胶软管或在冲击源处设置蓄能器，以吸收液压）用橡胶软管或在冲击源处设置蓄能器，以吸收液压冲击的能量。冲击的能量。（4)4)在容易出现液压冲击的地方，安装限制压力升在容易出现液压冲击的地方，安装限制压力升高的安全阀。高的安全阀。可采取下列措施来减少液压冲击可采取下列措施来减少液压冲击：第28页，讲稿共30张，创作于星期二二、运动部件制动时产生的液压冲击二、运动部件制动时产生的液压冲击 如图所示，活塞以速度如图所示，活塞以速度v0向左运动，活塞和负载向左运动，活塞和负载总质量为总质量为M。当换向阀突然关闭进出油口通道，油液。当换向阀突然关闭进出油口通道，油液被封闭在两腔之中，由于运动部件的惯性，活塞将被封闭在两腔之中，由于运动部件的惯性，活塞将继续运动一段距继续运动一段距 离后才离后才停止，使液压缸停止，使液压缸 左腔油左腔油液受到压缩，从液受到压缩，从 而引而引起液体压力急剧增起液体压力急剧增 加。加。此时运动部件的动此时运动部件的动 能能为回油腔中油液所形为回油腔中油液所形 成成的液体弹簧所吸收。的液体弹簧所吸收。第29页，讲稿共30张，创作于星期二感感谢谢大大家家观观看看第30页，讲稿共30张，创作于星期二