流体力学基础第一章优秀PPT.ppt

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1、流体力学基础第一章1你现在浏览的是第一页，共73页1.1 液体静力学基础 1.1.0 1.1.0 液压油的主要物理性质及液压油的选择液压油的主要物理性质及液压油的选择1.1.1 1.1.1 液体的静压力液体的静压力 1.1.2 1.1.2 液体静压力基本方程液体静压力基本方程1.1.3 1.1.3 压力的表示方法及单位压力的表示方法及单位 1.1.4 1.1.4 液体静压力对固体壁面上的作用力液体静压力对固体壁面上的作用力 Basis of Liquid Hydrostatics2你现在浏览的是第二页，共73页1.1.0液压油的主要物理性质密度：单位体积液体的质量 式中 m：液体的质量(kg)

2、；V：液体的体积（m3）；=900 kg/m3 l重度：l比体积：密度的倒数。3你现在浏览的是第三页，共73页1.1.0液压油的主要物理性质可压缩性：液体受压力作用而发生体积变化的性质。可用体积压缩系数或体积弹性模量K表示 体积压缩系数：单位压力变化所引起的体积相对变化量，（m2/N）式中 V：液体加压前的体积（m3）；V：加压后液体体积变化量（m3）；p：液体压力变化量（N/m2）；体积弹性模量K（N/m2）：液体体积压缩系数的倒数 纯液压油，其体积模量K的平均值在1.4-2.0109 N/m2 之间。4你现在浏览的是第四页，共73页1.1.0液压油的主要物理性质热膨胀性：液体体积随温度变化

3、而变化的性质，其大小用热膨胀系数 表示。表示液体在某恒定压力下，当温度改变1K或1度时引起的相对体积变化量。对于液压用油，从工程实用观点来看，可以认为热膨胀系数只取决于油液本身而与压力及温度无关，数值范围在（6.45-9.3710-4)之间。5你现在浏览的是第五页，共73页粘度液体的粘性：液体在流动时相邻流层产生内摩擦力的特性 静止液体则不显示粘性液体的粘度：液体粘性的大小可用粘度来衡量。粘度是液体的根本特性，也是选择液压油的最重要指标。常用的粘度有三种不同单位：即动力粘度、运动粘度和相对粘度。6你现在浏览的是第六页，共73页动力粘度（绝对粘度）牛顿内摩擦定律 式中 :称为动力粘度系数（Pas

4、）:单位面积上的摩擦力（即剪切应力）:速度梯度，即液层间速度对液层距离的变化率物理意义：当速度梯度为1时接触液层间单位面积上的内摩擦力 法定计量单位：帕秒（Pas）7你现在浏览的是第七页，共73页运动粘度 定义：动力粘度与密度之比 法定计量单位：m2/s 由于的单位中只有运动学要素，故称为运动粘度。液压油的粘度等级就是以其40C时运动粘度的某一平均值来表示，如L-HM32液压油的粘度等级为32，则40C时其运动粘度的平均值为32mm2/s ISO用来表示液压油的粘度等级斯,厘斯8你现在浏览的是第八页，共73页相对粘度（恩式粘度）恩氏粘度：它表示200mL被测液体在tC时，通过恩氏粘度计小孔（=

5、2.8mm）流出所需的时间t1，与同体积20C的蒸馏水通过同样小孔流出所需时间t2之比值工业上常用20C、50C和100C作为测定恩式粘度的标准温度，分别以20、50、100表示恩式粘度与运动粘度（mm2/s）的换算关系：9你现在浏览的是第九页，共73页粘温特性图1-5几种国产油液粘温图定义：粘度随温度变化的特性具体参见机械设计手册第卷10你现在浏览的是第十页，共73页液压油的选择液压油的要求液压油选择的依据：工作压力的高低 环境温度 工作部件运动速度的高低 稳定性好 抗泡沫性好 流动点和凝固点低比热和导热系数大，体积膨胀系数小粘度适当，粘温特性良好 良好的润滑性和高油膜强度 纯净度高、杂质少

6、 相容性好 11你现在浏览的是第十一页，共73页种类牌号用途油名代号普通液压油N32号液压油N68G号液压油YA-N32YA-N68用于环境温度045工作的各类液压泵的中、低压液压系统抗磨液压油N32号抗磨液压油N150号抗磨液压油N168K号抗磨液压油YB-N32YB-N150YB-N168 K用于环境温度-1040工作的高压柱塞泵或其他泵的中、高压系统低温液压油N15号低温液压油N46D号低温液压油YC-N15YC-N46 D用于环境温度-20至高于40工作的各类高压油泵系统高粘度指数液压油N32H号高粘度指数液压油YD-N32 D用于温度变化不大且对粘温性能要求更高的液压系统常见液压油系

7、列品种 12你现在浏览的是第十二页，共73页液压油的调合液压油的调合13你现在浏览的是第十三页，共73页1.1.11.1.1液体的静压力液体的静压力Pressure of FluidPressure of Fluid静压力:是指液体处于静止状态时,其单位面积上所受的法向作用力若包含液体某点的微小面积A上所作用的法向力为F，则该点的静压力p定义为：若法向力F均匀地作用在面积A上，则压力可表示为:14你现在浏览的是第十四页，共73页液体静压力的性质液体静压力的性质（1）液体的压力沿着内法线方向作用于承压面，即静止液体只承受法向压力；法向压力；（2）静止液体内，任意一点所受到的静静压压力力在在各各个

8、个方方向向都都相相等。等。15你现在浏览的是第十五页，共73页帕斯卡原理:对于静止的液体，当其边界面上的压力发生变化时，液体内部任一点的压力均将发生同样大小的变化，即施加于静止液体任一表面上的压力将同时等值地传递到液体内部各点。液压传动是依据帕斯卡原理实现力的传递、放大和方向变换的。液压系统的压力完全决定于外负载。压力的传递16你现在浏览的是第十六页，共73页液压传动系统中压力的建立1油泵2液压阀3液压缸4死挡铁空载、无油压加载、有油压17你现在浏览的是第十七页，共73页超载、油压剧增油压取决于最小负载液压系统中某处油液的压力是由于受到各种形式负载的挤压而产生的；压力的大小决定于负载，并随负载

9、变化而变化；当某处有几个负载并联时，则压力取决于克服负载的各个压力值中的最小值；压力建立的过程是从无到有，从小到大迅速进行的。18你现在浏览的是第十八页，共73页1.1.2 1.1.2 液体静压力的基本方程液体静压力的基本方程液体静压力基本方程:反映了在重力作用下静止液体中的压力分布规律p=po+ghp是静止液体中深度为h处的任意点上的压力,p0 为液面上的压力，若液面为与大气接触的表面，则p0等于大气压同一容器同一液体中的静压力随着深度h的增加线性地增加 同一液体中深度h相同的各点压力都相等.在重力作用下静止液体中的等压面是深度（与液面的距离）相同的水平面 19你现在浏览的是第十九页，共73

10、页静压力基本方程物理意义p=p0+g(z0-z)+z=+z0=C Z:单位重量液体的位能,称位置水头 :单位重量液体的压力能,称压力水头物理意义:静止液体具有两种能量形式，即压力能与位能。这两种能量形式可以相互转换，但其总和对液体中的每一点都保持不变为恒值，因此静压力基本方程从本质上反映了静止液体中的能量守恒关系.20你现在浏览的是第二十页，共73页1.1.1.1.压力的表示方法及单位压力的表示方法及单位相对压力（表压力）:以大气压力为基准，测量所得的压力 是高于大气压的部分 绝对压力:以绝对零压为基准测得的压力绝对压力=相对压力+大气压力 真空度:如果液体中某点的绝对压力小于大气压力，则称该

11、点出现真空。此时相对压力为负值，常将这一负相对压力的绝对值称为该点的真空度 真空度=|负的相对压力|=|绝对压力-大气压力|21你现在浏览的是第二十一页，共73页压力单位换算表压力单位换算表22你现在浏览的是第二十二页，共73页例例解：解：23你现在浏览的是第二十三页，共73页1.1.1.1.液体作用在固体壁面上的力液体作用在固体壁面上的力当承受压力的固体壁面为平面时:则作用在其上的总作用力等于压力与该壁面面积之积如果承受压力的固体壁面是曲面时:曲面上总作用力在某一方向上的分力等于曲面在与该方向垂直平面内的投影面积与静压力的乘积。若已知曲面上总作用力在三个坐标轴方向的分量分别为Fx、Fy和Fz

12、时，总作用力的大小为：24你现在浏览的是第二十四页，共73页压力油管设计对于钢管当p7MPa时，S=8；p17.5MPa时，S=6;p17.5MPa时，S=4。对于铜管：25你现在浏览的是第二十五页，共73页1.2流动液体的动力学规律基本概念连续性方程伯努利方程（能量方程）动量方程26你现在浏览的是第二十六页，共73页1.2.1基本概念理想液体:既不可压缩又无粘性的液体定常流动:即流场中速度与压力只是空间点的位置的函数而与时间无关，则称流场中的流动为定常流动。在定常流动条件下，如果通过适当选择坐标（包括曲线坐标）后，使流速与压力只是一个坐标的函数，则称这样的流动为一维定常流动 流线:某瞬时在流

13、动流体内的一条假想的空间几何曲线，该线上所有流体质点的速度方向与该线相切。27你现在浏览的是第二十七页，共73页1.2.1基本概念流束与通流截面:在流场中作一面,若该面与通过面上的每一条流线都垂直，则称该面为通流截面。流量:单位时间内流过某通流截面的流体体积 体积流量 质量流量：法定单位:米3/秒(m3/s)，工程中常用升/分（L/min）通流截面上的平均流速:28你现在浏览的是第二十八页，共73页1.2.2连续性方程:质量守恒定律在流体力学中的表现形式连续性方程：表示在某瞬时流进、流出某假想控制体（体积为V）的流体质量流量的代数和（qm1-qm2)等于该瞬时控制体中流体质量的变化率(dm/d

14、t)。上式右端：第一项是控制体中流体受压后密度变化所增补的流体质量；第二项是控制体体积变化而增补的流体质量。29你现在浏览的是第二十九页，共73页1.2.2连续性方程当理想液体在固定不变的固体界面所围的容腔中作满容腔一维恒定流动时：不可压缩流体作定常流动时，通过流束（或管道）的任一通流截面的流量相等；通过通流截面的流速则与通流截面的面积成反比。30你现在浏览的是第三十页，共73页1.2.3伯努利方程(能量方程):能量守恒定律在流体力学中的具体形式理想液体运动微分方程理想液体的伯努利方程实际液体的伯努利方程伯努利方程应用实例31你现在浏览的是第三十一页，共73页理想液体运动微分方程重力场中作一维

15、流动的理想流体重力场中作一维流动的理想流体 u=u(s，t)，p=p(s，t)*重力重力*压力压力*惯性力惯性力 根据牛顿第二定律32你现在浏览的是第三十二页，共73页理想液体运动微分方程化简得欧拉方程：对定常流动：定常流动运动微分方程：33你现在浏览的是第三十三页，共73页理想液体微流束上的伯努利方程理想液体恒定流动运动微分方程式积分得理想液体一维恒定流动时微流束上的伯努利方程理想液体微流束上物理意义：理想液体在重力场中作恒定流动时其其任意截面处的三个比能量（单位质物理意义：理想液体在重力场中作恒定流动时其其任意截面处的三个比能量（单位质量或重量流体的位能、压力能、动能）之和恒为常数。量或重

16、量流体的位能、压力能、动能）之和恒为常数。34你现在浏览的是第三十四页，共73页实际液体总流束上的伯努利方程实际液体微流束上的实际液体微流束上的伯努利方程：考虑粘性摩擦产生能量损耗。伯努利方程：考虑粘性摩擦产生能量损耗。hw为微流束两截面间的比能量损耗35你现在浏览的是第三十五页，共73页实际液体总流束上的伯努利方程两边同乘 并对总流截面A1,A2积分得总流截面能量方程上式两边除单位时间内流过总流截面的液体重量实际液体总流束截面上的比能量方程或伯努利方程物理意义：单位重量液体内的能量守恒36你现在浏览的是第三十六页，共73页实际液体总流束上的伯努利方程37你现在浏览的是第三十七页，共73页应用

17、伯努利方程的注意点：应用伯努利方程的注意点：1 1）断面）断面1 1、2 2需顺向选取，且选在平行流或缓变流过需顺向选取，且选在平行流或缓变流过流断面上；流断面上；2 2）断面中心在高度基准面以上时，）断面中心在高度基准面以上时，z z取正值，反之取取正值，反之取负值，通常选取特殊位置的水平面为高度基准面；负值，通常选取特殊位置的水平面为高度基准面；3 3）断面上的压力应取同一种表示法，都取相对压力，）断面上的压力应取同一种表示法，都取相对压力，或都取绝对压力；或都取绝对压力；4 4）因采用平均流速，）因采用平均流速，z+p/z+p/可取断面上任一点，可取断面上任一点，但一般对管流而言，计算点

18、都取在轴心线上但一般对管流而言，计算点都取在轴心线上 。38你现在浏览的是第三十八页，共73页39你现在浏览的是第三十九页，共73页41你现在浏览的是第四十一页，共73页1.2.4动量方程42你现在浏览的是第四十二页，共73页43你现在浏览的是第四十三页，共73页1.3管路系统流动分析两种流动状态定常管流的压力损失通过小孔的流动通过间隙的流动44你现在浏览的是第四十四页，共73页1.3.1两种流动状态层流紊流雷诺数:液体在圆管中的流动状态决定于由管道中流体的平均流速、管道直径d和液体运动粘度这三个参数所组成的无量纲数的大小:流动液体的雷诺数低于临界雷诺数(由紊流转变为层流)时，流动状态为层流，

19、反之液流的状态为紊流雷诺数的物理意义:流动液体的惯性力与粘性力之比 45你现在浏览的是第四十五页，共73页对于非圆截面管道：46你现在浏览的是第四十六页，共73页1.3.2圆管中的层流流动圆管层流是液压传动中最常见的流动状态，其流线稳定,质点只有轴向流速而无横向流速，其流速的分布规律、流量可进行理论计算。47你现在浏览的是第四十七页，共73页1.3.2圆管中的层流流动48你现在浏览的是第四十八页，共73页1.3.3圆管中的紊流流动流体在圆管紊流时，流体质点的流速大小和方向时刻都在变化着，称为脉动。主流速脉动情况如图。49你现在浏览的是第四十九页，共73页1.3.3圆管中的紊流流动50你现在浏览

20、的是第五十页，共73页1.3.4流体在管道中流动时的能量损失实际流体具有粘性，在流动时为克服粘性摩擦阻力就要产生能量损失，这种能量损失表现为压力下降，故叫压力损失。损失掉的能量转变为热量，将使系统温度升高，故应尽量减小压力损失。1、沿程压力损失；、沿程压力损失；2、局部压力损失；、局部压力损失；3、流体在管道中流动的总压力损失。、流体在管道中流动的总压力损失。51你现在浏览的是第五十一页，共73页沿程压力损失 :流体在等直径的直管中流动时因摩擦阻力而产生的压力损失。:沿程压力损失系数,在光滑圆管中作层流流动时，其理论值为 .其实际值因受其他因数影响较理论值稍大。上式对层流和紊流均适用，仅是系数

21、取值不同而已。52你现在浏览的是第五十二页，共73页局部压力损失p:当流体在管道中流动时，因遇管道截面突变、转弯、分叉、管接头、各种阀门等局部障碍，会使流体的流动方向和速度变化，从而产生撞击、分离脱流、旋涡等复杂现象，带来附加阻力，增加能量损失。称为局部压力损失系数；v为液体的平均流速，一般情况下均指局部阻力下游处的流速 53你现在浏览的是第五十三页，共73页流体在管道中流动的总压力损失：整个管路系统的总压力损失是系统中所有直管的沿程压力损失和所有局部压力损失之和：使用条件:管路系统中两相邻局部压力损失之间距离足够大（相连管径的10-20倍）系统动力元件所供的工作压力:管路系统的压力效率：54

22、你现在浏览的是第五十四页，共73页1.4流体流经孔口和缝隙的特性在液压传动中常用通过改变阀口通流截面积或通流通道的长短来控制流量的节流装置节流装置来实现流量控制。突然收缩处的流动叫节流。这种节流装置的通流截面一般为不同形式的小孔。液体流经孔口时孔的分类：l/d0.5时为薄壁小孔；l/d4时为细长小孔；0.5 l/d 4时为短孔。l为小孔的通流长度；d为小孔的孔径。55你现在浏览的是第五十五页，共73页1.4.1 通过薄壁小孔的流动液流在小孔上游大约d/2处开始加速并从四周流向小孔。由于流线不能突然转折到与管轴线平行，在液体惯性的作用下，外层流线逐渐向管轴方向收缩，逐渐过渡到与管轴线方向平行，从

23、而形成收缩截面Ac。对于圆孔，约在小孔下游d/2处完成收缩。液流收缩的程度取决于Re、孔口及边缘形状、孔口离管道内壁的距离等因素。对于圆形小孔，当管道直径D与小孔直径d之比D/d6时，流速的收缩作用不受管壁的影响，称为完全收缩。反之，管壁对收缩程度有影响时，则称为不完全收缩。通常把最小收缩面积Ac与孔口截面积之比值称为收缩系数Cc，CcAc/A。其中A为小孔的通流截面积。56你现在浏览的是第五十六页，共73页1.4.1 通过薄壁小孔的流动取截面11和CC为计算截面，列伯努利方程为：通过薄壁小孔的流量与液体粘度无关，因而流量受液体温度影响较小。但流量与孔口前后压差的关系是非线性的。57你现在浏览

24、的是第五十七页，共73页1.4.1 通过薄壁小孔的流动确定CC截面的位置和压力十分困难，一般在出口下游适当的地方如2-2截面处测得压力p2，取截面11和22为计算截面，得：58你现在浏览的是第五十八页，共73页1.4.2 通过短孔的流动短孔的流量仍可用薄壁小孔的公式计算，但其出流系数不同，数值可以在图1-24查出。短孔加工比薄壁小孔容易，故常用作固定的节流器使用。59你现在浏览的是第五十九页，共73页1.4.3 通过细长孔的流动细长孔的流量可以采用圆管中的层流流动流量计算公式计算：油液流经细长小孔的流量与小孔前后的压差p的一次方呈正比，同时由于公式中也包含油液的粘度，因此流量受油温变化的影响较

25、大。统一的流经孔口的流量公式60你现在浏览的是第六十页，共73页1.4.5 间隙流动液压元件内各零件间有相对运动，必须要有适当间隙。间隙过大，会造成泄漏；间隙过小，会使零件卡死。如图所示的泄漏，是由压差和间隙造成的。内泄漏的损失转换为热能，使油温升高，外泄漏污染环境，两者均影响系统的性能与效率，因此，研究液体流经间隙的泄漏量、压差与间隙量之间的关系，对提高元件性能及保证系统正常工作是必要的。间隙中的流动一般为层流，一种是压差造成的流动称压差流动，另一种是相对运动造成的流动称剪切流动，还有一种是在压差与剪切同时作用下的流动。61你现在浏览的是第六十一页，共73页62你现在浏览的是第六十二页，共7

26、3页63你现在浏览的是第六十三页，共73页64你现在浏览的是第六十四页，共73页两平行圆盘A和B之间的间隙为h，液流由圆盘中心孔流入，在压差的作用下向四周径向流出。由于间隙很小，液流呈层流，因为流动是径向的，所以对称于中心轴线。柱塞泵的滑履与斜盘之间以及某些端面推力静压轴承均属这种情况。65你现在浏览的是第六十五页，共73页66你现在浏览的是第六十六页，共73页67你现在浏览的是第六十七页，共73页1.5 1.5 液压冲击和气穴现象液压冲击和气穴现象1.1.液压冲击液压冲击 在液压系统中，当极快地换向或关闭液压回路时，致使液流速度急速地改变(变向或停止)，由于流动液体的惯性或运动部件的惯性，会

27、使系统内的压力发生突然升高或降低，这种现象称为液压冲击。68你现在浏览的是第六十八页，共73页1.5 1.5 液压冲击和气穴现象液压冲击和气穴现象液压冲击的危害很大,发生液压冲击时管路中的冲击压力往往急增很多倍，而使按工作压力设计的管道破裂。此外，所产生的液压冲击波会引起液压系统的振动和冲击噪声。因此在液压系统设计时要考虑这些因素，应当尽量减少液压冲击的影响。为此，一般可采用如下措施：(1)缓慢关闭阀门、延长运动部件制动换向时间，可削减冲击强度。(2)限制管道内液体流动速度及运动部件的速度。(3)适当加大管径，不仅可以降低流速，而且可以减小压力冲击波的传播速度；尽量缩短管长，可以减小压力波传播

28、时间。(4)采用橡胶软管，以增加系统的弹性，减小液压冲击；(5)在易发生液压冲击处，设置卸荷阀或蓄能器，以吸收冲击。69你现在浏览的是第六十九页，共73页1.5 1.5 液压冲击和气穴现象液压冲击和气穴现象（1 1）管道阀门关闭时的液压冲击）管道阀门关闭时的液压冲击（2 2）运动部件制动时的冲击压力）运动部件制动时的冲击压力 70你现在浏览的是第七十页，共73页1.5 1.5 液压冲击和气穴现象液压冲击和气穴现象2 2、空穴现象、空穴现象 一般液体中溶解有空气，水中溶解有约2%体积的空气，液压油中溶解有(6%12%)体积的空气。成溶解状态的气体对油液体积弹性模量没有影响，成游离状态的小气泡则对

29、油液体积弹性模量产生显著的影响。空气的溶解度与压力成正比。当压力降低时，原先压力较高时溶解于油液中的气体成为过饱和状态，于是就要分解出游离状态微小气泡，其速率是较低的，但当压力低于空气分离压pg时，溶解的气体就要以很高速度分解出来，成为游离微小气泡，并聚合长大，使原来充满油液的管道变为混有许多气泡的不连续状态，这种现象称为空穴现象。油液的空气分离压随油温及空气溶解度而变化。管道中发生空穴现象时，气泡随着液流进入高压区时，体积急剧缩小，气泡又凝结成液体，形成局部真空，周围液体质点以极大速度来填补这一空间，使气泡凝结处瞬间局部压力可高达数百巴，温度可达近千度。在气泡凝结附近壁面，因反复受到液压冲击

30、与高温作用，以及油液中逸出气体具有较强的酸化作用，使金属表面产生腐蚀。因空穴产生的腐蚀，一般称为气蚀。71你现在浏览的是第七十一页，共73页 泵吸入管路连接、密封不严使空气进入管道，回油管高出油面使空气冲入油中而被泵吸油管吸入油路以及泵吸油管道阻力过大，流速过高均是造成空穴的原因。当油液流经节流部位，流速增高，压力降低，在节流部位前后压差p1/p23.5时，将发生节流空穴。空穴现象，引起系统的振动，产生冲击、噪音、气蚀使工作状态恶化，应采取如下预防措施预防措施:1.限制泵吸油口离油面高度，泵吸油口要有足够的管径，滤油器压力损失要小，自吸能力差的泵用辅助供油。2.管路密封要好，防止空气渗入。3.节流口压力降要小，一般控制节流口前后压差比p1/p23.5。4.提高零件的抗气蚀能力，增加零件的机械强度，采用抗腐蚀能力强的金属材料，减小零件表面粗糙度等。72你现在浏览的是第七十二页，共73页液压泵的空穴现象液压泵吸油管直径太小时、或吸油阻力太大、或液压泵转速过高，由于吸油腔压力低于空气分离压而形成气泡，产生空穴现象。实践中一般要求液压泵的吸油口的高度h不超过0.5米.73你现在浏览的是第七十三页，共73页