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1、液压与气压传动技术教程第讲第1页，本讲稿共36页2、3液体动力学液体动力学研究内容研究内容:研究液体运动和引起运动的原研究液体运动和引起运动的原因，即研究液体流动时流速和因，即研究液体流动时流速和压力之间的关系（或液压传动压力之间的关系（或液压传动两个基本参数的变化规律）两个基本参数的变化规律）主要讨论主要讨论:动力学三个基本方程动力学三个基本方程第2页，本讲稿共36页2、3、1、基本概念、基本概念理想液体、恒定流动理想液体、恒定流动1理想液体：既无粘性又不可压缩的液体理想液体：既无粘性又不可压缩的液体2恒定流动（稳定流动、定常流动）：恒定流动（稳定流动、定常流动）：流动液体中任一点的流动液体
2、中任一点的p、u和和都不随时间而变化流动都不随时间而变化流动.第3页，本讲稿共36页2、3、1、基本概念、基本概念流线、流管和流束（流线、流管和流束（动画演示动画演示）1流线流线某一瞬时液流中各处质点运动状态的一某一瞬时液流中各处质点运动状态的一条条曲线条条曲线2流束流束通过某截面上所有各点作出的流线集合通过某截面上所有各点作出的流线集合构成流束构成流束3通流截面通流截面流束中所有与流线正交的截面流束中所有与流线正交的截面（垂直于液体流动方向的截面）（垂直于液体流动方向的截面）第4页，本讲稿共36页2、3、1、基本概念、基本概念流量和平均流速流量和平均流速流量流量单位时间内流过某通流截面液体体
3、积单位时间内流过某通流截面液体体积qdq=v/t=udA整个过流断面的流量：整个过流断面的流量：q=AudA平均流速平均流速通流截面上各点均匀分布假想流速通流截面上各点均匀分布假想流速q=vA=AudAv=q/A第5页，本讲稿共36页液压缸的运动速度液压缸的运动速度 A vv=q/Aq=0v=0qqvqv结论：液压缸的运动速度取决于进入液压结论：液压缸的运动速度取决于进入液压缸的流量，并且随着流量的变化而缸的流量，并且随着流量的变化而变化。变化。第6页，本讲稿共36页2、3、2连续性方程连续性方程质量守恒定律在流体力学中的应用质量守恒定律在流体力学中的应用 11连续性原理连续性原理理想液体在管
4、道中恒定流理想液体在管道中恒定流动时，根据质量守恒定律，动时，根据质量守恒定律，液体在管道内既不能增多，液体在管道内既不能增多，也不能减少，因此单位时也不能减少，因此单位时间内流入液体的质量应恒间内流入液体的质量应恒等于流出液体的质量。等于流出液体的质量。第7页，本讲稿共36页2、3、2连续性方程连续性方程2连续性方程连续性方程m1=m21u1dA1dt=2u2dA2dt若忽略液体可压缩性若忽略液体可压缩性1=2=u1dA1=u2dA2动画动画演示演示Au1dA1=Au2dA2则则v1A1=v2A2或或q=vA=常数常数结论：液体在管道中流动时，流过各个断面的流结论：液体在管道中流动时，流过各
5、个断面的流量是相等的，因而流速和过流断面成反比。量是相等的，因而流速和过流断面成反比。第8页，本讲稿共36页2、3、3伯努利方程伯努利方程能量守恒定律在流体力学中的应用能量守恒定律在流体力学中的应用 能量守恒定律：理想液体在管道中稳定流能量守恒定律：理想液体在管道中稳定流动时，根据能量守恒定律，动时，根据能量守恒定律，同一管道内任一截面上的总同一管道内任一截面上的总能量应该相等。能量应该相等。或：外力对物体所做的功应该等或：外力对物体所做的功应该等于该物体机械能的变化量。于该物体机械能的变化量。第9页，本讲稿共36页理想液体伯努利方程理想液体伯努利方程 1外力对液体所做的功外力对液体所做的功W
6、=p1A1v1dt-p2A2v2dt=(p1-p2)V2机械能的变化量机械能的变化量位能的变化量：位能的变化量：Ep=mgh=gV(z2-z1)动能的变化量：动能的变化量：Ek=mv2/2=V(v22-v21)/2根据能量守恒定律，则有：根据能量守恒定律，则有：W=Ep+Ek(p1-p2)V=gV(z2-z1)+V(v22-v21)/2整理后得单位重量理想液体伯努利方程为：整理后得单位重量理想液体伯努利方程为：p1+gZ1+v12/2=p2+gZ2+v22/2或或p/g+Z+v2/2g=C（c为常数）为常数）第10页，本讲稿共36页理想液体伯努利方程的物理意义理想液体伯努利方程的物理意义在密闭
7、管道内作恒定流动的理想液在密闭管道内作恒定流动的理想液体具有三种形式的能量，即压力能、位体具有三种形式的能量，即压力能、位能和动能。在流动过程中，三种能量之能和动能。在流动过程中，三种能量之间可以互相转化，但各个过流断面上三间可以互相转化，但各个过流断面上三种能量之和恒为定值。种能量之和恒为定值。动画演示动画演示第11页，本讲稿共36页实际液体伯努利方程实际液体伯努利方程 实际液体具有粘性实际液体具有粘性液体流动时会产生内摩擦力，从而损耗能量液体流动时会产生内摩擦力，从而损耗能量故故应考虑能量损失应考虑能量损失hw，并考虑动能修正系数，并考虑动能修正系数则实际液体伯努利方程则实际液体伯努利方程
8、为为：p1/g+Z1+1v12/2g=p2/g+Z2+2v22/2g+hw层流层流=2紊流紊流=1p1-p2=p=ghw第12页，本讲稿共36页应用伯努利方程时必须注意的问题应用伯努利方程时必须注意的问题（1）断面断面1、2需顺流向选取（否则需顺流向选取（否则hw为负为负值），且应选在缓变的过流断面上。值），且应选在缓变的过流断面上。（2）断面中心在基准面以上时，断面中心在基准面以上时，z取正值；取正值；反之取负值。通常选取特殊位置的水反之取负值。通常选取特殊位置的水平面作为基准面。平面作为基准面。第13页，本讲稿共36页2、3、4动量方程动量方程动量定理在流体力学中的应用动量定理在流体力学中
9、的应用 动量定理：作用在物体上的外力等于物体单位时动量定理：作用在物体上的外力等于物体单位时间内动量的变化量。间内动量的变化量。即即F=d（mv）/dt考虑动量修正问题，则有：考虑动量修正问题，则有：F=q(2v2-1v1)层流层流=1、33紊流紊流=1第14页，本讲稿共36页动量方程动量方程 X向动量方程：向动量方程：Fx=q(2v2x-1v1x)X向稳态液动力向稳态液动力：Fx=-Fx=q(1v1x-2v2x)结论：作用在滑阀阀芯上的稳态液动力总结论：作用在滑阀阀芯上的稳态液动力总是力图使阀口关闭。是力图使阀口关闭。第15页，本讲稿共36页2、4管路中液体的压力损失管路中液体的压力损失目的
10、任务目的任务：了解损失的类型、原因了解损失的类型、原因掌握损失定义减小措施掌握损失定义减小措施重点难点重点难点：两种损失减小措施两种损失减小措施第16页，本讲稿共36页2、4管路中液体的压力损失管路中液体的压力损失实际液体具有粘性实际液体具有粘性流动中必有阻力，为克服阻力，须消流动中必有阻力，为克服阻力，须消耗能量，造成能耗能量，造成能量损失量损失(即压力损失）即压力损失）分类：沿程压力损失、局部压力损失分类：沿程压力损失、局部压力损失第17页，本讲稿共36页2、4、1液体的流动状态液体的流动状态 层流和紊流层流和紊流层层流：流：液体的流动是分层的，层与层之液体的流动是分层的，层与层之间互不干
11、扰间互不干扰。紊流（紊流（湍流）：液体流动不分层，紊流（紊流（湍流）：液体流动不分层，做混杂紊乱流动。做混杂紊乱流动。第18页，本讲稿共36页雷诺数实验雷诺数实验动画演示动画演示第19页，本讲稿共36页雷诺数雷诺数圆形管道雷诺数：圆形管道雷诺数：Re=dv/非圆管道截面雷诺数：非圆管道截面雷诺数：Re=dHv/过流断面水力直径：过流断面水力直径：dH=4A/水力直径大，液流阻力小，通流能力大。水力直径大，液流阻力小，通流能力大。ReRec为层流为层流临界雷诺数：判断液体流态依据临界雷诺数：判断液体流态依据Rec为紊流为紊流雷诺数物理意义：液流的惯性力对粘性力的无因次比雷诺数物理意义：液流的惯性
12、力对粘性力的无因次比第20页，本讲稿共36页2、4、2沿程压力损失沿程压力损失（粘性损失）定定义义:液体沿等径直管流动时，由液体沿等径直管流动时，由于液体的于液体的粘性摩擦和质粘性摩擦和质点的点的相互扰动作用，而产生的压相互扰动作用，而产生的压力损失。力损失。第21页，本讲稿共36页沿程压力损失产生原因沿程压力损失产生原因 内摩擦内摩擦因粘性，液体分子间摩擦因粘性，液体分子间摩擦摩擦摩擦外摩擦外摩擦液体与管壁间液体与管壁间第22页，本讲稿共36页2、4、2沿程压力损失沿程压力损失（粘性损失）流速分布规律流速分布规律圆管层流的流量圆管层流的流量圆管的平均流速圆管的平均流速圆管沿程压力损失圆管沿程
13、压力损失圆管紊流的压力损失圆管紊流的压力损失第23页，本讲稿共36页流速分布规律流速分布规律液体在等径水平直管中作层流运动，沿管轴线取一半径为液体在等径水平直管中作层流运动，沿管轴线取一半径为r，长度为，长度为l的小圆柱体两端面压力为的小圆柱体两端面压力为p1、p2，侧面的内摩，侧面的内摩擦力为擦力为F，匀速运动时，其受力平衡方程为：，匀速运动时，其受力平衡方程为：(p1-p2)r2=F动画演示动画演示F=-2rldu/drp=p1-p2du=-rdrp/2l对上式积分，并应用边界条件对上式积分，并应用边界条件r=R时，时，u=0,得得u=(R2-r2)p/4l第24页，本讲稿共36页流速分布
14、规律流速分布规律结论：液体在圆管中作层流运动时，结论：液体在圆管中作层流运动时，速度速度对称于圆管中心线并按抛物线规律对称于圆管中心线并按抛物线规律分布。分布。umin=0(r=R)um=R2p/4l=d2p/16l(r=0)第25页，本讲稿共36页圆管层流的流量圆管层流的流量 dA=2rdr dq =udA=2urdr =2(R2-r2)p/4l 故 q=0R2p/4l(R2-r2)rdr =pR4/8l =pd4/128l 第26页，本讲稿共36页圆管的平均流速圆管的平均流速v=q/A=pd4/128l)d2/4=pd2/32lv=umax/2第27页，本讲稿共36页圆管沿程压力损失圆管沿
15、程压力损失 pf=128lq/d4=8lq/R4将将q=R2v，=代入上式并简化得：代入上式并简化得：pf=p=32lv/d2结论：液流沿圆管作层流运动时，其沿结论：液流沿圆管作层流运动时，其沿程压力损失与管长、流速、粘度程压力损失与管长、流速、粘度成正比，而与管径的平方成反比。成正比，而与管径的平方成反比。第28页，本讲稿共36页圆管沿程压力损失圆管沿程压力损失=Re=dv/=64/Repf=64/dvl/dv2/2=64/Rel/dv2/2故故pf=l/dv2/2理论值理论值64/ReRe4000）=0、032+0.221Re-0.237（3*106Re105）=1、74+2lg（d/）-
16、2（Re3*106或或Re900d/）紊流运动时，紊流运动时，p比层流大比层流大液压系统中液体在管道内应尽量作层流运动液压系统中液体在管道内应尽量作层流运动第30页，本讲稿共36页2、4、2局部压力损失局部压力损失定义定义:液体流经管道的弯头、接头、突变液体流经管道的弯头、接头、突变截面以及阀口截面以及阀口滤网等局部装置时，滤网等局部装置时，液流会产生旋涡，并发生强烈的紊液流会产生旋涡，并发生强烈的紊动现象，由此而产生的损失称为局动现象，由此而产生的损失称为局部损失。部损失。第31页，本讲稿共36页局部压力损失产生原因局部压力损失产生原因产生原因：产生原因：碰撞、旋涡（突变管、弯碰撞、旋涡（突
17、变管、弯管管)产生附加摩擦产生附加摩擦附加摩擦附加摩擦只有紊流时才有，是由于只有紊流时才有，是由于分子作横向运动时产生的分子作横向运动时产生的摩擦，即速度分布规律改摩擦，即速度分布规律改变，造成液体变，造成液体的附加摩擦。的附加摩擦。第32页，本讲稿共36页局部压力损失公式pv=v2/2 第33页，本讲稿共36页标准阀类元件局部压力损失标准阀类元件局部压力损失pv=pn(qv/qvn)2 第34页，本讲稿共36页2、4、4管路系统的总压力损失管路系统的总压力损失p=p+pv=l/dv/2+v2/2p热能热能Tq散逸散逸污染污染第35页，本讲稿共36页减小减小p的措施的措施 1尽量尽量LL，突变突变2加工质量，力求光滑，加工质量，力求光滑，合适合适3A，v过高过高ppv2其中其中v的影响最大的影响最大过低过低尺寸尺寸成本成本一般有推荐流速可供参考，见有关手册。一般有推荐流速可供参考，见有关手册。一般在液压传动中，可将压力损失写成如下一般在液压传动中，可将压力损失写成如下形式：形式：p=p1-p2第36页，本讲稿共36页