第三章 液压流体力学基础

1、本章目录本章目录教学要求教学要求重点难点重点难点 液压传动是以液体作为工作介液压传动是以液体作为工作介质进行能量传递的，因此，掌质进行能量传递的，因此，掌握液体在静止和运动过程中的握液体在静止和运动过程中的基本力学规律，对于正确理解基本力学规律，对于正确理解液压传动的基本原理，合理设液压传动的基本原理，合理设计和使用液压系统都是非常必计和使用液压系统都是非常必要的。要的。教学要求 液压传动是以液体作为工作介质进行能量传递液压传动是以液体作为工作介质进行能量传递的。的。 1 1、了解液体的静压特性、方程、传递规律，、了解液体的静压特性、方程、传递规律，掌握掌握液体在静止和运动过程中的基本力学规律

2、，液体在静止和运动过程中的基本力学规律，掌握掌握静力学基本方程、压力表达式和结论静力学基本方程、压力表达式和结论 ； 2 2、了解流动液体特性、传递规律，、了解流动液体特性、传递规律，掌握掌握动力动力学三大方程、流量和结论；学三大方程、流量和结论； 3 3、了解流量公式、特点、两种现象产生原因，、了解流量公式、特点、两种现象产生原因，掌握掌握薄壁孔流量公式及通用方程、两种现象的薄壁孔流量公式及通用方程、两种现象的危害及消除。危害及消除。重点、难点 静压特性静压特性 压力形成压力形成 静力学基本方程静力学基本方程 流量与流速关系流量与流速关系 三大方程及物理意义三大方程及物理意义本章目录第一节液

3、体静力学第一节液体静力学第二节液体动力学第二节液体动力学第三节管道中液流的特性第三节管道中液流的特性第四节孔口和缝隙液流第四节孔口和缝隙液流第五节第五节 气穴现象气穴现象第六节第六节 液压冲击液压冲击第一节第一节 液体静力学液体静力学n 压力的概念压力的概念n 压力的分布压力的分布n 压力的表示压力的表示n 压力的传递压力的传递n 压力的计算压力的计算静止液体静止液体：液体内质点间无相对运动、不呈现：液体内质点间无相对运动、不呈现粘性的液体粘性的液体 流体静力学是研究平衡流体流体静力学是研究平衡流体（包括：流体对（包括：流体对地球无相对运动和流体对运动容器无相对运动）地球无相对运动和流体对运动

4、容器无相对运动）的力学规律及其应用的力学规律及其应用。 由于平衡流体之间无相对运动，流体的粘性由于平衡流体之间无相对运动，流体的粘性不起作用。所以，流体静力学中所得出的结论，不起作用。所以，流体静力学中所得出的结论，对于理想流体和粘性流体都适用。理论不需要实对于理想流体和粘性流体都适用。理论不需要实验修正。验修正。按作用方式，平衡流体上的作用力有：按作用方式，平衡流体上的作用力有： 。表面力按其作用方向可分为两种：表面力按其作用方向可分为两种：沿表面内法线方向沿表面内法线方向的压力、沿表面切向的摩擦力的压力、沿表面切向的摩擦力。 对于处于平衡状态的流体，切向摩擦力为零，只对于处于平衡状态的流体

5、，切向摩擦力为零，只有沿受压面内法线方向的流体静压力。有沿受压面内法线方向的流体静压力。)(lim0PadAdFAFpA静压力（简称压力）：指液体处于相对静止时，静压力（简称压力）：指液体处于相对静止时，单位面积上所受的法向作用力。单位面积上所受的法向作用力。一、压力的概念 若在液体的面积若在液体的面积A A上所受的作用力上所受的作用力F F为均匀分布时，为均匀分布时，静压力可表示为静压力可表示为 p p = = F F / / A A 液体静压力在物理学上称为压强，工程实际应用中液体静压力在物理学上称为压强，工程实际应用中习惯称为压力。习惯称为压力。液体静压力的特性：液体静压力的特性：液体静

6、压力垂直于承压面，方向为该面内法线液体静压力垂直于承压面，方向为该面内法线方向方向由流体的特性知，流体在平衡状态时只要有切应力作用，由流体的特性知，流体在平衡状态时只要有切应力作用，流体就会变形，引起流体质点间的相对运动，破坏流体流体就会变形，引起流体质点间的相对运动，破坏流体的平衡。流体还不能承受拉力。所以，流体在平衡状态的平衡。流体还不能承受拉力。所以，流体在平衡状态下只能承受垂直并指向作用面的压力下只能承受垂直并指向作用面的压力 液体内任一点所受的静压力在各个方向上都液体内任一点所受的静压力在各个方向上都相等相等二、压力的分布AghApApo压力随深压力随深度线性增度线性增加，等深加，等

7、深等压等压 静压力基本方程式静压力基本方程式 p p=p p0 0+ +ghgh 重力作用下静止液体压力分布特征：重力作用下静止液体压力分布特征： 压力由两部分组成：液面压力压力由两部分组成：液面压力p p0 0，自重形成的压力，自重形成的压力ghgh。 液体内的压力与液体深度成正比。液体内的压力与液体深度成正比。 离液面深度相同处各点的压力相等，压力相等的所有点组成离液面深度相同处各点的压力相等，压力相等的所有点组成等压面，重力作用下静止液体的等压面为水平面。等压面，重力作用下静止液体的等压面为水平面。将盛有液体的密闭容器放在将盛有液体的密闭容器放在基准水平面（基准水平面（0-x0-x）上加

8、以）上加以考察，则静压力基本方程可考察，则静压力基本方程可改写成改写成p=p0+gh = p=p0+(z0-z)p/g+z = p0/g+ z0=常数常数式中式中p/g表示了单位重力液体的压力能，故又常称作表示了单位重力液体的压力能，故又常称作压力头压力头； z z表示了单位重力液体的位能，也常称作表示了单位重力液体的位能，也常称作静力头静力头。因此，静压力基本方程的物理意义是：静止液体内任何一点具有因此，静压力基本方程的物理意义是：静止液体内任何一点具有压力能压力能和和位位能能两种能量形式，且其总和保持不变，即能量守恒。但是两种能量形式之间两种能量形式，且其总和保持不变，即能量守恒。但是两种

9、能量形式之间可以相互转换。可以相互转换。 静压力基本方程物理意义静压力基本方程物理意义三、压力的表示ghppaghp绝对压力：绝对压力：以绝对真空为起点表示的压力。以绝对真空为起点表示的压力。按测量基准不同表示：按测量基准不同表示：以当地大气压为计算标准表以当地大气压为计算标准表示的压力。示的压力。也称为计示压强、表压强也称为计示压强、表压强相对压力：相对压力：真空度真空度: :当压力比当地大气压低时，流体当压力比当地大气压低时，流体压力与当地大气压的差值称为真空度。压力与当地大气压的差值称为真空度。 p pp p0 0 p p表压表压=p p相对相对= = p p绝对绝对p p0 0 p p

10、pap4）； 短孔（0.5l/d4) 在液压传动中常利用在液压传动中常利用小孔小孔或或缝隙缝隙来对液体的压力、来对液体的压力、流量进行控制。液压元件的泄漏也属于缝隙流动。流量进行控制。液压元件的泄漏也属于缝隙流动。v1vccc22v2p2A2lA1p11、薄壁孔、薄壁孔 (l/d0.5) 水平放置水平放置h1=h2;管径变化大管径变化大v1vc;湍流湍流2=1 则：则：hgvgpgvgp2222222111gvhc221截面突然缩小：gvAAgvAAhccc2)1 (2) 1(22222222截面突然扩大：由于AcA2:gvhhhc2) 1(221带入能量方程，带入能量方程，A1=A2时，时，

11、 v1=v2则：则：PCpp2)(21121cPpqACACCvAodcvcc220112dccvAACCC流量系数流量系数C Cd dC Cv v称为速度系数称为速度系数C Cc c称为截面收缩系数称为截面收缩系数流量系数流量系数C Cd d的大小一般由实验确定，在液流完全收缩的大小一般由实验确定，在液流完全收缩(d(d1 1/d7)/d7)的情况下，的情况下，可以认为是不变的常数，计算时按可以认为是不变的常数，计算时按C Cd d=0.600.61 0.600.61 选取；不完全收缩选取；不完全收缩(d(d1 1/d7)/d4(l/d4）液流经过细长孔的流量和孔前后压差成液流经过细长孔的流

12、量和孔前后压差成正比正比，和液体，和液体粘度成粘度成反比反比，流量受液体温度影响较大，流量受液体温度影响较大(3-33)3 3、短孔、短孔（0.5l/d4)PCAqd20C Cd d应按曲线应按曲线( (图图3-28)3-28)查得，雷诺数较大时，查得，雷诺数较大时，C Cd d基本稳定在基本稳定在0.80.8 左左右。短孔常用作右。短孔常用作固定节流器固定节流器(3-48)4 4、小孔流量通用公式、小孔流量通用公式 pmKAq0lKmd3212细长孔细长孔 薄壁孔薄壁孔 短孔短孔25 . 0dCKm03000012201021222212d)(2d)(2dd dd0,2C ;00dd21dd

13、1dddddddddd)d(d)(dubhplbhyyhuyyhlpbyubqyhuyyhlpulplppxpxpCdxdphhuuuhyuyCyCyxpuxpyuyuxpyxyppxdyphh所以为常数，且缝隙流动中得时；时由积分后得因此而整理后得二、流体流过缝隙流量二、流体流过缝隙流量1 1、平行平板缝隙、平行平板缝隙bhuplbhqbhuvAqplbhq030321122112 ?结论：缝隙的流量与缝隙值的三次方成正比，说明元件缝隙结论：缝隙的流量与缝隙值的三次方成正比，说明元件缝隙值对泄漏影响很大。值对泄漏影响很大。若u0 = 0,为压差流动若无压差，为剪切流动总流量：0023021)

14、5 . 11 (12duhdplhq032112ddhuplhq2 2、同心环缝隙流量、同心环缝隙流量3 3、偏心环缝隙流量、偏心环缝隙流量用用dd代替代替b b缝隙厚度为内外圆同心时的为偏心距，00,hehe4.4.圆环平面缝隙间的液流圆环平面缝隙间的液流由式由式3-573-57，并令，并令00udrdpzzhur21prrhq123ln6得半径得半径r r、离下平面、离下平面z z处径向处径向速度为速度为5 5. .圆锥状环形间隙流动圆锥状环形间隙流动prrhq123ln6sin第五节、气穴现象 原因原因：因为系统内某点的压力突然降低，致使液体因为系统内某点的压力突然降低，致使液体 中析出气泡的现象。中析出气泡的现象。 后果后果：气泡压破产生噪声，元件表面产生点蚀。：气泡压破产生噪声，元件表面产生点蚀。 措施措施：避免压力突降，减小压力降。：避免压力突降，减小压力降。 降低泵吸油高度降低泵吸油高度h h，加大吸油管径，限制液体流速，加大吸油管径，限制液体流速v v， 减小吸油管中的压力损失；防止空气进入。减小吸油管中的压力损失；防止空气进入。气穴现象举例气穴现象举例节流口处的气穴现象节流口处的气穴现象液压泵的气穴现象液压泵的气穴现象吸油腔压力低于空气分离压吸油腔压力低于空气分离压第六节、液压冲击一、一、液压冲击液压冲击 1 1、含义、含义：由于某种原因致使压力在