流体力学基本概念

1、 1.1 研究流体力学的基本方法研究流体力学的基本方法 农田排灌 流体力学是力学的一个分支，流体力学是以流体为研究对象，主要研究 流体和流体及流体与固体（边界）之间的作用与反作用，也就是研究流体机械 运动的规律，并反这些规律应用到有关的工程技术领域中。 水利水电 城市给排水 船舶航运 石油开采 流体输送 液压传动 空气动力学 船舶流体力学 水力学 液压流体力学 研究对象 研究方法 流体力学的任务及研究方法流体力学的任务及研究方法 流体力学研究流体与流体、流体与固体相互作用，流体力学研究流体与流体、流体与固体相互作用， 研究流体平衡和运动规律的一门学科研究流体平衡和运动规律的一门学科 流体力学的

2、研究任务流体力学的研究任务 流体力学的任务及研究方法流体力学的任务及研究方法 流体力学研究方法流体力学研究方法 流体力学的研究任务流体力学的研究任务 l理论研究方法 力学模型物理基本定律求解数学方程 分析和揭示本质和规律 l实验方法 相似理论模型实验装置 三峡库区重庆河段泥沙模型试验 南京国际商城（240m240m）风洞模型试验 相似理论 流体力学的任务及研究方法流体力学的任务及研究方法 流体力学研究方法流体力学研究方法 流体力学的研究任务流体力学的研究任务 l理论研究方法 力学模型物理基本定律求解数学方程 分析和揭示本质和规律 l实验方法 相似理论模型实验装置 l数值方法数值方法 计算机数值

3、方法是现代分析手段中发展最快的方法之一计算机数值方法是现代分析手段中发展最快的方法之一 流场分析流场分析 流体力学的任务及研究方法流体力学的任务及研究方法 流体力学研究方法流体力学研究方法 流体力学的研究任务流体力学的研究任务 l理论研究方法 力学模型物理基本定律求解数学方程 分析和揭示本质和规律 l实验方法 相似理论模型实验装置 l数值方法 计算机数值方法是现代分析手段中发展最快的方法之一 理论分析方法、实验方法、数值方法相互配合，互为补充理论分析方法、实验方法、数值方法相互配合，互为补充 流体力学研究方法流体力学研究方法 流体力学的研究任务流体力学的研究任务 理论、实验和计算理论、实验和计

4、算 流体力学流体力学理论流体力学理论流体力学 实验流体力学实验流体力学 计算流体力学计算流体力学 流体力学的任务及研究方法流体力学的任务及研究方法 流体力学研究方法流体力学研究方法 流体力学的研究任务流体力学的研究任务 理论流体力学：理论流体力学： 建立近似理论模型，数学方法求解，得出流体运动的内在规律建立近似理论模型，数学方法求解，得出流体运动的内在规律 计算流体力学：计算流体力学： 通过有限差分、有限元等数值计算方法对流体的运动直接数值通过有限差分、有限元等数值计算方法对流体的运动直接数值 模拟，得出流体运动规律模拟，得出流体运动规律 实验流体力学：实验流体力学： 主要是风洞、水槽、流体机

5、械等实验设备中进行的模拟实验主要是风洞、水槽、流体机械等实验设备中进行的模拟实验 或实物实验。或实物实验。 流体力学的任务及研究方法流体力学的任务及研究方法 流体力学的任务与研究方法流体力学的任务与研究方法 流体力学研究方法流体力学研究方法 流体力学的研究任务流体力学的研究任务 课程侧重点课程侧重点 流体力学基本理论、流体力学在工程中的应用 应用侧重点：应用侧重点：流体力学在机械工程中的应用流体力学在机械工程中的应用 以流体能量作为以流体能量作为原动力的机械原动力的机械： 水轮机、汽轮机、蒸汽轮机、喷气发动机、液体燃料火箭水轮机、汽轮机、蒸汽轮机、喷气发动机、液体燃料火箭 等等 液压、液力、气

6、压液压、液力、气压传动机械传动机械： 机床、汽车、坦克、飞机、船舶、工程机械等机床、汽车、坦克、飞机、船舶、工程机械等 流体流体动力机械动力机械： 水泵、油泵、通风机、压气机等水泵、油泵、通风机、压气机等 以流体力学作为理论基础以流体力学作为理论基础 1.2 流体的概念 连续介质假设 假设流体是由连续充满空间的具有确定质量的流体微团（或流体质点） 组成。微团之间无空洞，在运动过程中相邻微团不能超越也不能落后，微团变形 过程中相邻微团永远连接在一起。 流体是由分子所组成的，分子之间有一定的空隙（气体空隙较大，液体 较小），这样就产生空间点上运动参数（速度、压强、密度等）不定的问题。但 由于流体力

7、学是研究流体宏观表象运动，并不考虑它的内部微观结构，因此以宏 观的质点作为介质的基本。 kfjfif m F f zyx m 0 lim 质量力：作用在所研究的流体质量中心，与质量成正比的力 单位质量力 1.3 作用在流体上的力 1、质量力 质量力质量力 重力、惯性力、电磁力等重力、惯性力、电磁力等 x x y x z z F f m F f m F f m 0 lim xyz m F ff if jf k m 质量力：作用在所研究的流体质量中心，与质量成正比的力 单位质量力 单位质量力只有重力时 z mg fg m 1.3 作用在流体上的力 1、质量力 质量力质量力 重力、惯性力、电磁力等重

8、力、惯性力、电磁力等 x x y y z z F f m F f m F f m 0 0 x y z f f fg A F A 0 lim 表面力：外界对所研究流体表面的作用力， 作用在外表面，与表面积大小成正比 应力 切线方向： 切向应力剪切力 内法线方向： 法向应力压应力 （压强） A F limp n A 0 A F A 0 lim F A Fn F 表面力具有传递性 流体内部不能承受拉力，流体内部不能承受拉力， 法向力只有压应力即压强法向力只有压应力即压强 2、表面力 流体相对运动时因粘流体相对运动时因粘 性而产生的内摩擦力性而产生的内摩擦力 1、易流动性 流体的易流动性：任何微小的剪

9、切力都可使流体连续变形的性质 1.4 流体的主要物理性质 特性：流体无一定形状 静止流体不能抵抗剪应力 2、惯性 惯性是物体维持原有运动状态的能力的性质 密度 V m V 0 lim V m 均质流体 常见的密度（一个标准大气压） 1、易流动性 1.4 流体的主要物理性质 2、惯性 均质流体 重度（容重） 比重 V G 1 V 3、重力特性 重力特性：流体受地球引力作用的特性 非均质流体 重度（容重） V G v 0 lim 重力 mgG g 1、易流动性 1.4 流体的主要物理性质 2、惯性 3、重力特性 4、粘性 例：两平行平板间充满流体，假设下平板不动，上平板以一定速度运 动，帖近两平板

10、的流体必粘附于平板平面上，紧帖于运动面上的流体 质点必以与运动平面相同的速度运动，而紧帖于下平面的流体质点的 速度为零，平面间流体层的速度各不相同，但按一定规律分布。运动 较快的流层可以带动较慢的流层，反之，较慢的流层又阻滞运动较快 的流层，不同速度流层间相互制约，产生类似面体磨擦过程的力。 （1 1）粘性）粘性 粘性：流体具有抵抗其微团之间相对运动（剪切变形）的性质。粘性：流体具有抵抗其微团之间相对运动（剪切变形）的性质。 粘性力：流体微团之间相对运动的这种阻力。（内磨擦力，切向应力）粘性力：流体微团之间相对运动的这种阻力。（内磨擦力，切向应力） 微观机制：分子间吸引力、分子不规则运动的动量

11、交换微观机制：分子间吸引力、分子不规则运动的动量交换 du dz 速度梯度：垂直速度方向速度的变化率速度梯度：垂直速度方向速度的变化率 z v u+du v x z dz y （1 1）粘性）粘性 微小矩形微小矩形ABCD，AB层为层为u，CD层速度为层速度为u+du； 两层间距离为两层间距离为dz，经过，经过dt时间后，时间后，ABCDABCD E ()EDDDAAudu dtudtdudt /duEDdt () / duEDd tg ddt dzdzdtdt 速度梯度速度梯度： z v u+du v x z dz y （1 1）粘性）粘性 E d是矩形是矩形ABCD在在dt时间后的剪切变形

12、角度，即表明速度梯度实质上就是流体运时间后的剪切变形角度，即表明速度梯度实质上就是流体运 动时的剪切变形角速度。动时的剪切变形角速度。 由于流体具有粘性，当流体发生剪切变形时，流体内就产生阻滞变形的内摩擦力，由于流体具有粘性，当流体发生剪切变形时，流体内就产生阻滞变形的内摩擦力， 可见，粘性表征流体抵抗剪切变形可见，粘性表征流体抵抗剪切变形 能力。能力。 z v u+du v x z dz y () / duEDd tg ddt dzdzdtdt 速度梯度速度梯度： （2）牛顿内摩擦定律）牛顿内摩擦定律 切应力：切应力： du TA dz Tdu Adz 根据牛顿总结：流体运动时，阻滞剪切变形

13、的内摩擦力根据牛顿总结：流体运动时，阻滞剪切变形的内摩擦力T与流体运动的剪切变形角与流体运动的剪切变形角 速度，即速度梯度成正比，与接触面积速度，即速度梯度成正比，与接触面积A成正比，与流体性质有关，与压强无关。成正比，与流体性质有关，与压强无关。 为表征流体粘性的比例系数，称之动力粘度。单位为表征流体粘性的比例系数，称之动力粘度。单位Pa.s 运动粘度：运动粘度： z v u+du v x z dz y 内磨擦力：内磨擦力： du/dz 牛顿流体 o 牛顿流体服从牛顿内摩擦定律的流体（空气、 水、大部分轻油、气体等绝大多数机械工业中常用 的流体） c.牛顿流体与非牛顿流体 0 du/dz o

14、 塑性流体 非牛顿流体 塑性流体克服初始应力0后，才与速度梯度成 正比（牙膏、新拌水泥砂浆、中等浓度的悬浮液等） du/dr 牛顿体 伪塑性体 膨胀体 具有屈服应力的塑性体 宾汉体 （1） （2） （3） （4） 非牛顿流体 牛顿流体 液体粘性的应用 液体粘性的应用 液体粘性的应用 理想流体：粘性近似为零的流体。 不考虑粘性的流体 当流体流层间发生相对运动时，流体剪切变形抵抗即粘性 才表现出来。 粘性随温度的影响粘性随温度的影响 粘性随温度的影响粘性随温度的影响 5、液体压缩（膨胀）性 a.液体压缩系数 在一定温度下，密度的变化率与压强的变化成正比 dp d = dp d/ 压缩性压缩性：流体

15、受压时，体积缩小，密度增大的性质。 膨胀性膨胀性：流体受热时，体积膨胀，密度减小的性质。 0)(VddVVddm又： V dVd dp d dp dV/V/ 5、液体压缩（膨胀）性 a.液体压缩系数 dV dp V d dp K 1 体积模量（弹性模量） b.液体膨胀系数 dT V dV = 在一定压强下，体积的变化率与温度的变化成正比 dT VdV / dT d/ - dp d dp dV/V/ 5、液体压缩（膨胀）性 b.液体膨胀系数 dT V dV = 在一定压强下，体积的变化率与温度的变化成正比 dT VdV / dT d/ - c.气体 理想气体状态方程 RT p = R气体常数 等

16、温过程：压缩系数 等压过程：膨胀系数 绝热过程：压缩系数 低速（标准状态，v68m/s）气流可按不可压缩流体处 理 pdp pdp dp d T 1 = TdT TdT dT VdV p 1 = pdp pdp dp d 1 = pVmRT 不可压缩流体不可压缩流体 在压力作用下不改变体积的流体 液体压缩性液体压缩性 20C 水水 =5X10-10m2/N 各种矿物系液压油各种矿物系液压油 =610-10m2/N 纯液体压缩性很小纯液体压缩性很小 p=1000atmp=1000atm 2020C C水水 体积减小体积减小5%5% dp dV/V V d dp V . 1 jgm VVV pV

17、K, pV K, pV K j j g g m m 混气液体混气液体 气体体积气体体积 纯液体体积 g V m V gmj VVV jgm VVV jgm KKK pVpV pV jg m jgjgm KKKKK 1 ) V V 1 ( 1 V VV/VV/V 1 m g m gmjmg m g V V jgm KKK 1 ) V V 1 ( 1 V V 1 m g m g n Q热量： 定容比热：定容比热： vv dT d ) q (c n 流体与外界发生热量交换而使流体的温度变化，热量交换对温度的流体与外界发生热量交换而使流体的温度变化，热量交换对温度的 变化率称为流体的热容量。即，流体温

18、度升高或降低变化率称为流体的热容量。即，流体温度升高或降低1度所需交换的热量。度所需交换的热量。 比热：单位质量流体的热容量比热：单位质量流体的热容量 n q单位质量的热量： T绝对温度： 比热比热c： dT dq dT md n )/Q( c n Kkg/9KJ. 1液压油的比热约： 定压比热：定压比热： pp dT d ) q (c n 以某型液压挖掘机为例，其液压系统为开式，系统由主要部件泵、 多路阀、行走马达、回转马达、油缸等等组成。其主要完成功能有行走、 平台回转、动臂提升、斗杆和铲斗挖掘。根据液压系统的特征进行计算。 热平衡计算方法 1、油泵功率损失产生的热量H1 一、各部分发热量

19、计算 热平衡计算方法 2、回转马达在制动时溢流开启产生的热量H2 一、各部分发热量计算 1、油泵功率损失产生的热量H1 热平衡计算方法 2、回转马达在制动时溢流开启产生的热量H2 一、各部分发热量计算 1、油泵功率损失产生的热量H1 3、回转马达功率损失产生的热量H3 热平衡计算方法 2、回转马达在制动时溢流开启产生的热量H2 一、各部分发热量计算 1、油泵功率损失产生的热量H1 3、回转马达功率损失产生的热量H3 4、工作装置系统溢流所产生的热量H4 热平衡计算方法 2、回转马达在制动时溢流开启产生的热量H2 一、各部分发热量计算 1、油泵功率损失产生的热量H1 3、回转马达功率损失产生的热

20、量H3 4、工作装置系统溢流所产生的热量H4 5、背压产生的热量H5 热平衡计算方法 2、回转马达在制动时溢流开启产生的热量H2 一、各部分发热量计算 1、油泵功率损失产生的热量H1 3、回转马达功率损失产生的热量H3 4、工作装置系统溢流所产生的热量H4 5、背压产生的热量H5 6、其它发热量 油液在液压管路内的流动发热量和液压油缸内泄的 发热，与其表面的散热大约相等，一般不作计算。 一、各部分发热量计算 热平衡计算方法 6、其它发热量 总发热量： 54321 HHHHHH总 2、回转马达在制动时溢流开启产生的热量H2 一、各部分发热量计算 1、油泵功率损失产生的热量H1 3、回转马达功率损

21、失产生的热量H3 4、工作装置系统溢流所产生的热量H4 5、背压产生的热量H5 一、各部分发热量计算 热平衡计算方法 一、各部分发热量计算 总发热量： 54321 HHHHHH总 二、热平衡计算 1、液压油箱散热量 热平衡计算方法 一、各部分发热量计算 总发热量： 54321 HHHHHH总 二、热平衡计算 1、液压油箱散热量 2、油液与空气的算术平均温差 热平衡计算方法 一、各部分发热量计算 总发热量： 54321 HHHHHH总 二、热平衡计算 1、液压油箱散热量 2、油液与空气的算术平均温差 3、风冷式冷却器的散热面积计算 热平衡计算方法 一、各部分发热量计算 总发热量： 54321 H

22、HHHHH总 二、热平衡计算 1、液压油箱散热量 2、油液与空气的算术平均温差 3、风冷式冷却器的散热面积计算 4、确定冷却风扇直径f和转速nf 热平衡计算方法 一、各部分发热量计算 总发热量： 54321 HHHHHH总 二、热平衡计算 1、液压油箱散热量 2、油液与空气的算术平均温差 3、风冷式冷却器的散热面积计算 4、确定冷却风扇直径f和转速nf 5、冷却液压泵与液压马达排量的确定 6、冷却系统压力和流量确定 )015. 01 ( 0 B B 油液中的空气：油液中的空气： 含气量：油液中所含空气体积百分比数量含气量：油液中所含空气体积百分比数量 混入混入气体呈气泡状态悬浮于油液中，对油液

23、的体积弹气体呈气泡状态悬浮于油液中，对油液的体积弹 性模量和粘度均产生影响，对体积弹性模量影响极大。性模量和粘度均产生影响，对体积弹性模量影响极大。 溶入溶入气体则对油液的体积弹性模量和粘度基气体则对油液的体积弹性模量和粘度基 本上不产生影响。本上不产生影响。 矿物油的溶气量约为矿物油的溶气量约为57%， 水和乙二醇混合液为水和乙二醇混合液为 12% ， 磷酸脂为磷酸脂为5% ， 油包水型乳化液为油包水型乳化液为57%。 常温常温 ,一个大气压一个大气压 油液中的空气溶解量油液中的空气溶解量 绝对压强绝对压强 油液中混入的空气量油液中混入的空气量 决定于油液的性质及油液与气体的接触和搅动情况，

24、决定于油液的性质及油液与气体的接触和搅动情况， 加压后可使部分混入气体溶于油液中，其余的仍以气相存在。油液中混入空气后，加压后可使部分混入气体溶于油液中，其余的仍以气相存在。油液中混入空气后， 不仅使油液的体积弹性模量急剧下降，且将使粘度增大。不仅使油液的体积弹性模量急剧下降，且将使粘度增大。 式中：式中：B为混入空气的体积百分比为混入空气的体积百分比 0为油液未混入空气时的动力粘度为油液未混入空气时的动力粘度 B为含有为含有B%混入空气时的动力粘度混入空气时的动力粘度 在一定温度上，如果降低压强，当压强降低至某一值时，油液将在一定温度上，如果降低压强，当压强降低至某一值时，油液将 发生沸腾汽

25、化，这个压强称为该油液在该温度下的发生沸腾汽化，这个压强称为该油液在该温度下的汽化压强汽化压强。 空气分离压强与油液种类，温度、空气溶解量及混入量有关，空气分离压强与油液种类，温度、空气溶解量及混入量有关， 通常是油温高，空气溶解量及混入量大，则空气分离压增高。通常是油温高，空气溶解量及混入量大，则空气分离压增高。 油中空气溶解量为油中空气溶解量为 大气压大气压p0 降为降为p1 0 1 油中空气溶解量油中空气溶解量 0-1 油液中空气 的过饱和量 降为降为pg 过饱和的空气从油液过饱和的空气从油液 中析出而发生气泡中析出而发生气泡 pg 空气分离压强空气分离压强 油液的汽化压强将随温度增大而增高。油液的汽化压强将随温度增大而增高。 q 跨声速流动导致阀芯失速与失稳跨声速流动导致阀芯失速与失稳 21MPa体制体制35MPa体制体制45MPa体制体制