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1、第2章流体力学基第1页，共25页，编辑于2022年，星期一2.1 液体静力学 2.1.1 液体的压力 液体处于静止或相对静止时，液体单位面积上所受的法向作用压力称为压力。常用单位换算关系：1bar=1.02kgf/cm2=100000Pa=0.1MPa 液体的压力有如下特性：（1）液体的压力沿着内法线方向作用于承压面；（2）静止液体内任一点的压力在各个方向上都相等。返回第2页，共25页，编辑于2022年，星期一2.1.2 液体静力学基本方程 （1）静止液体内任一点处的压力都由两部分组成：液面上的压力和该点以上液体自重所形成的压力。当液面上只受大气压力作用时，则液体内任一点处的压力为：（2）静止
2、液体内的压力随液体深度呈线性规律分布。（3）离液面深度相同的各点组成了等压面，此等压面为一水平面 返回第3页，共25页，编辑于2022年，星期一 对于连通器中仅受重力作用的平衡液体，其等压面具有以下特性：（1）在连通器的同一液体中，任一水平面皆为等压面。（2）在连通器的两种不相混的液体中，通过两种液体分界面的水平面是等压面。静压力基本方程式的物理意义 静止液体中单位质量液体的压力能和位能可以互相转换，但各点的总能量却保持不变，即能量守恒。返回第4页，共25页，编辑于2022年，星期一2.1.3 静压力的传递 在密闭容器内，由外力作用所产生的压力将等值地传递到液体各点。这就是帕斯卡原理，或称静压
3、传递原理。在液压系统中，由外力产生的压力通常比由液体自重产生的压力大得多，由液体重力引起的压力可忽略不计，因此，可以认为液压系统中静止液体内的压力到处相等。液压系统中液体内的压力主要是由外界负载作用而形成的，即液压系统中的工作压力决定于负载，这是液压传动中的一个重要的基本概念。返回第5页，共25页，编辑于2022年，星期一 2.1.4 压力的测量 1.液体压力的表示方法及单位 （1）用液体在单位面积上所受到的作用力的大小表示。法定计量单位为Pa、kPa、MPa。（2）用大气压力表示。工程大气压（at）、标准大气压（atm）。（3）用液柱高度表示，米水柱（mH2O）、毫米汞柱（mmHg）。各种压
4、力单位的换算关系见表2-1。返回第6页，共25页，编辑于2022年，星期一 2.压力的测量 液压系统中的压力，绝大多数采用压力计测量。在实际的压力测试中，有两种基准，一是以绝对真空为基准，另一是以大气压力为基准。（1）绝对压力。即指以绝对真空为基准测得的压力。（2）相对压力。即指以大气压力为基准测得的高出大气压力的那部分压力。（3）真空度。绝对压力低于大气压力的数值称为真空度。返回第7页，共25页，编辑于2022年，星期一 （4）绝对压力、相对压力、真空度的关系如图2-4所示。它们的数值关系可用式（25）和（26）表示：返回第8页，共25页，编辑于2022年，星期一 2.1.5 液体对固体壁面
5、的作用力 1.当固体壁面为一平面时：2.当固体壁面为一曲面时：返回第9页，共25页，编辑于2022年，星期一2.2 液体动力学基础2.2.1 基本概念 1理想液体和恒定流动 无黏性又不可压缩的假想液体称为理想液体。液体流动时，若其中任一点处的压力、速度和密度都不随时间变化，则这种流动称为恒定流动。2过流断面、流量和平均流速 垂直于液体流动方向的截面称为过流断面。单位时间内流过过流断面的液体体积称为流量。为使计算和分析简便，假想液流通过过流断面的流速分布是均匀的，且该流速能反映真实流量。返回第10页，共25页，编辑于2022年，星期一 2.2.2 液体流动的连续性方程 连续性方程是质量守恒定律在
6、流体力学中的一种表达形式。在单位时间内流过两个断面的液体质量相等，即 当忽略液体的可压缩性时，得 它说明液体在管道中流动时，流过各个断面的流量是相等的，流速和过流断面积成反比。返回第11页，共25页，编辑于2022年，星期一返回第12页，共25页，编辑于2022年，星期一 2.2.3伯努利方程 1.理想液体的伯努利方程 返回第13页，共25页，编辑于2022年，星期一或：2.实际液体的伯努利方程 或：应用伯努利方程时，必须满足以下条件：（1）恒定流动。（2）过流断面必须是渐变面。（3）液体所受的力只是压力和重力。（4）液体是连续不可压缩的，即密度等于常数。（5）所选两截面之间的流量应保持不变。
7、返回第14页，共25页，编辑于2022年，星期一2.3 液体流动时的压力损失 2.3.1液体的流态和雷诺数 雷诺实验:如图2-12（a）所示。1溢流管 2进水管 3水杯 4开关 5细导管 6水箱 7玻管 8阀门返回第15页，共25页，编辑于2022年，星期一返回第16页，共25页，编辑于2022年，星期一 液体在管中的流动状态用雷诺数描述，即：如果液流的雷诺数相同，则它的流动状态也相同 实验证明：流体从层流变为紊流时的雷诺数大于由紊流变为层流时的雷诺数，前者称上临界雷诺数，后者称下临界雷诺数。工程中是以下临界雷诺数作为液流状态判断依据，简称临界雷诺数。若 液流为层流；液流为紊流。常见管道的液流
8、的临界雷诺数，见表2-2。返回第17页，共25页，编辑于2022年，星期一2.3.2 沿程压力损失 液体在等径直管中流动时因黏性摩擦而产生的压力损失，称为沿程压力损失。式中 为沿程阻力系数，既可用于层流也可用于紊流，只是选取的数值不同。紊流时，除与雷诺数有关外，还与管壁的表面粗糙度有关。圆管紊流时的 值见表2-3。在计算沿程压力损失时，先判断流态，取正确的沿程阻力系数值，后按式（2-20）进行计算。返回第18页，共25页，编辑于2022年，星期一2.3.3 局部压力损失 液体流经如阀口、弯管、突变截面等局部阻力处所引起的压力损失,称之。式中，局部阻力系数。各种局部装置结构的值可查有关手册。阀类
9、元件局部压力损失用下面公式计算较方便：返回第19页，共25页，编辑于2022年，星期一2.3.4 管路系统的总压力损失 系统的总压力损失应为所有沿程压力损失和所有局部压力损失之和，即 为减少液压系统的压力损失，常采取以下措施：（1）将油液的流速限制在适当的范围内。（2）使管道内壁应光滑。（3）选择适当的油液黏度。（4）尽量缩短管道长度，减少管道弯曲和突变。返回第20页，共25页，编辑于2022年，星期一2.4 小孔和缝隙流量 2.4.1 小孔流量 小孔的分类：薄壁孔；细长孔；短孔。1薄壁孔流量 2短孔的流量 同上式，但流量系数不同一般为 =0.82。3细长孔的流量 通用公式：返回第21页，共2
10、5页，编辑于2022年，星期一2.4.2 缝隙流量 缝隙流动有两种状况：一种压差流动；另一种是剪切流动。两种流动常同时存在。1.平行平板缝隙的流量 2.圆环缝隙的流量 2.4.3 小孔和缝隙的利用 虽然液体流经小孔和缝隙时会产生压力损失和泄漏，但可以利用小孔的流量来调速，利用缝隙产生压力降来控制系统的压力。返回第22页，共25页，编辑于2022年，星期一2.5 液压冲击和气穴现象 2.5.1液压冲击 1.产生液压冲击的原因 （1）液流突然停止运动.（2）运动部件突然制动或换向.（3）液压元件反应动作不灵。2.减少液压冲击的措施 2.5.2 气穴现象 1.油液的空气分离压和饱和蒸汽压 2.气穴现
11、象的危害 3.减少气穴和气蚀现象的措施 返回第23页，共25页，编辑于2022年，星期一小 结 本章主要介绍了：液体静力学基础、液体动力学基础、液体流动时的压力损失、孔口和缝隙流量、液压冲击和气穴现象等液压传动基础知识。通过学习，应重点掌握液压传动的两个重要特性；静力学基本方程；液体动力学的两个基本方程；液体流动时的两种压力损失；小孔流量计算的通用公式。在学习本章内容时，要注意以下几个问题：（1）液体的压力在物理学中称为压强，但在液压传动中习惯称为压力，要与液体对固体壁面的总作用力区别开来。返回第24页，共25页，编辑于2022年，星期一 （2）在应用静力学基本方程时，常可利用等压面的概念和压力传递的概念（帕斯卡原理）。（3）要深入理解伯努利方程中每一项的物理意义、量纲以及理想液体和实际液体伯努利方程的差别等。在应用伯努利方程进行计算时要正确地选择基准面和两个计算截面。（4）在计算沿程压力损失时，要明确沿程阻力系数与流动状态有关，判别流动状态的准则是雷诺数。压力损失与速度的平方成正比，表明速度对压力损失影响最大，因此要限制管道中的流速。返回第25页，共25页，编辑于2022年，星期一