第三章 液压流体力学基础(3)

1、第三章 液压流体力学基础 第三节 管道中流液的特性（1）流态、雷诺数）流态、雷诺数（2）沿程压力损失）沿程压力损失（3）局部压力损失）局部压力损失（4）总压力损失）总压力损失 第四节 孔口和缝隙的压力流量特性 （1）薄壁小孔）薄壁小孔 （2）短孔和细长孔）短孔和细长孔 （3）平板缝隙）平板缝隙 （4）环形缝隙）环形缝隙 第五节 液压冲击与空穴现象第四节 管道中液流的特性 由于流动液体具有由于流动液体具有粘性粘性，以及流动时，以及流动时突然转突然转弯或通过阀口弯或通过阀口会产生撞击和旋涡，因此液体流会产生撞击和旋涡，因此液体流动时必然会产生阻力。为了克服阻力，流动液动时必然会产生阻力。为了克服阻

2、力，流动液体会损耗一部分能量，这种能量损失可用液体体会损耗一部分能量，这种能量损失可用液体的压力损失来表示。压力损失即是伯努利方程的压力损失来表示。压力损失即是伯努利方程中的中的h h项。项。 压力损失由压力损失由沿程压力损失沿程压力损失和和局部压力损失局部压力损失两部分组成。两部分组成。液流在管道中流动时的压力损失液流在管道中流动时的压力损失与液流运动状态（与液流运动状态（流态流态）有关。）有关。一、流态，雷诺数n雷诺实验装置雷诺实验装置 通过实验发现液体在管道中流动时存在两种流动状态：通过实验发现液体在管道中流动时存在两种流动状态： 层流层流粘性力起主导作用粘性力起主导作用 紊流紊流惯性力

3、起主导作用惯性力起主导作用液体的流动状态用雷诺数来判断。液体的流动状态用雷诺数来判断。如果液流的雷诺数相如果液流的雷诺数相同，它的流动状态也相同同，它的流动状态也相同。 一般以液体由紊流转变为层流的雷诺数作为判断液体流一般以液体由紊流转变为层流的雷诺数作为判断液体流态的依据，称为临界雷诺数，记为态的依据，称为临界雷诺数，记为ReRecr。 当当ReReReRecr，为层流；当，为层流；当ReReReRecr，为紊流。，为紊流。 常见液流管道的临界雷诺数见表格常见液流管道的临界雷诺数见表格- -。n雷诺数的工程意义雷诺数的工程意义dRev非圆管截面非圆管截面 ARRRe;v4 液体在圆管中流动状

4、态与平均流速液体在圆管中流动状态与平均流速v v、管道内径、管道内径d d、液体的运动粘度、液体的运动粘度v v有关。有关。n雷诺数的计算雷诺数的计算R R：通流截面的水力半径：通流截面的水力半径A A：有效面积：有效面积：湿周，有效截面的周界长度：湿周，有效截面的周界长度 mmdddAR3442圆管：计算d=12mm圆管、d=12mm、D=20mm以及d=12mm、D=24mm同心环状管道的水力半径。例例3-1dDdDAR）（同心圆管：224所以是紊流。、2320Re8000103006. 04vRe16crd液体在光滑金属圆管管道中的流速为4m/s，管道内径为60mm，油的粘度3010-6

5、m2/s,试确定流态。如要为层流，其流速应为多大？习题习题3-2smdd/16. 106. 0103023202320v2320vRe26、若为层流则：二、沿程压力损失（1）、）、圆管层流圆管层流液体液体等速做层流流动等速做层流流动时，小时，小圆柱体受力平衡，有：圆柱体受力平衡，有：fFrpp221)(内摩擦力内摩擦力:)/(2drdurlFf代入上式,得22max22164;4dlpRlpurRlpu最大流速：结论：管内流速随半径按结论：管内流速随半径按抛物线规律抛物线规律分布，最大流速发生在分布，最大流速发生在轴线上，最小流速在管壁上，为零。轴线上，最小流速在管壁上，为零。.管道内液体的流

6、量、平均流速、沿程压力损失管道内液体的流量、平均流速、沿程压力损失结论：式（3-33）是泊肃叶公式，流量与管径的四次方成正比，压差与管径的平方成反比。 式（3-34）可知，平均流速为最大流速的一半。22424402222v32321284/1v:1288d)(42d)(422dd:dlpdlpplddAqpldRlprrrRlpqrrrRlprdruAuqR压差沿程压力损失：平均流速流量（3-33）（3-34）（3-35）层流沿程压力损失： 液体在液体在等直径等直径管中流动时因摩擦而产生的损失，管中流动时因摩擦而产生的损失，称为沿程压力损失。因液体的流动状态不同沿程压力称为沿程压力损失。因液体

7、的流动状态不同沿程压力损失的计算有所区别。损失的计算有所区别。222v335Re32v64vv22v /dlllpdddd将、 代入（） ，并考虑，变换：对于层流对于层流 理论值：理论值：=64/Re 实际：金属管实际：金属管=75/Re,橡胶管橡胶管=80/Re（2）圆管紊流紊流沿程压力损失：紊流沿程压力损失：22lvpd紊流紊流=f(Re,=f(Re,/d/d) ) 按表按表3-23-2计算。计算。习题3-10 30号机械油在内径d=20mm的光滑钢管内流动，v=3m/s，判断其流态。若流经管长L=10m，求沿程损失p为多少？当v=4m/s时，判断其流态，并计算其沿程损失p为多少？所以是层

8、流。、2320Re2000103002. 03vRe16crd2v752;2ReLpd、将带入622v4 0.023 Re2667Re232030 10v;(2lg1.74)22crdldpd、所以是紊流.液体流经管道的弯头、接头、阀口等处液体流经管道的弯头、接头、阀口等处时，液体流速的大小和方向发生变化，时，液体流速的大小和方向发生变化，会产生会产生漩涡漩涡并发生紊动现象，由此造成并发生紊动现象，由此造成的压力损失称为的压力损失称为局部压力损失。局部压力损失。p= v 2 / 2为为局部阻力系数局部阻力系数，实验获得，具体，实验获得，具体数值可查有关手册。数值可查有关手册。液流流过各种阀的局

9、部压力损失可由阀液流流过各种阀的局部压力损失可由阀在额定压力下的压力损失在额定压力下的压力损失pps s来换算：来换算：p= ps（q / qs ）2 额定压力下的压力损失额定压力下的压力损失pps s可由产品可由产品目录查得。目录查得。（二）局部压力损失（二）局部压力损失（三）总压力损失 整个液压系统的总压力损失应为所有整个液压系统的总压力损失应为所有沿程压沿程压力损失和所有的局部压力损失之和力损失和所有的局部压力损失之和（通过所有阀、通过所有阀、直管、弯管所产生的压力损失之和直管、弯管所产生的压力损失之和）pppp2v2dl2v22ssqqp+第四节 孔口和缝隙的压力流量特性一、液体流过小

10、孔的流量小孔：薄壁孔(L/d0.5); 细长孔 (L/d4）；短孔（0.5100000时， C Cd d可以认为是不变的常数，在液流完全收缩(/d7) 时，Cd=0.600.61 ；不完全收缩( /d1000可认为是常数Xv=Cr的理论曲线XvCr的理论曲线Re1000Re1000可认为是常数，流可认为是常数，流量系数量系数CdCd=0.670.74=0.670.74，阀，阀口有倒角时口有倒角时CdCd=0.80.9=0.80.90022sinsin1220.77 0.82ddm vmm vmppqC ACd xAd hd xdddCd其中：锥阀的流量计算式：锥阀的流量计算式：lpAdlpdq

11、321280242 2、细长孔、细长孔(L/d4，如管道） 液流经过细长孔一般为层流，其流量和孔前后压差成正比，液流经过细长孔一般为层流，其流量和孔前后压差成正比，和液体粘度成反比，流量受液体温度影响较大。同时，容易被和液体粘度成反比，流量受液体温度影响较大。同时，容易被堵塞。堵塞。3 3、短孔、短孔（0.5l/d4) 公式与薄壁小孔相同：PCAqd20 雷诺数较大时，雷诺数较大时，Cd基本稳定在基本稳定在0.80.8 左右。短孔比薄壁孔更左右。短孔比薄壁孔更容易加工，短管常用作容易加工，短管常用作固定节流器（固定的液阻）。固定节流器（固定的液阻）。例题3-13 图示圆柱形阀芯，D=2cm，d

12、=1cm。压力油在阀口处的压力降为p1=3105Pa，在阀腔a点到b点的压力降p2=0.5105Pa，油的密度=900kg/m3,通过阀口的角度=69，流量系数Cd=0.65，求油液对阀芯的作用力。102269sin/DA1PCAqxdv、流量：、阀口的通流面积：)(4A322dD 、阀腔的通流面积：例题3-13 图示圆柱形阀芯，D=2cm，d=1cm。压力油在阀口处的压力降为p1=3105Pa，在阀腔a点到b点的压力降p2=0.5105Pa，油的密度=900kg/m3,通过阀口的角度=69，流量系数Cd=0.65，求油液对阀芯的作用力。221112211114()1,(cos90cos)co

13、s5-cosxxFqvvFq vvqvFFqv 、动量定理：；紊流时，在水平方向上 液体受力：（向右）、根据作用于反作用，阀芯受力：（向左）212;6() ;7F -F ()abFpp AF、阀腔压力降对阀芯的作用力：向右、液流对阀芯总的作用力：向左2221200122120d()d(d )ddddddddd1 ddd1 d2d00; C,02d32vd dd()d(22p ydxppyxpuyxyupyxpuyC yCxuh dpyuyhuuChdxppplpppxdxlluppuhy yyqub yblhl 整理后得而因此积分后得由时；时得且缝隙流动中为常数（），所以30000)d122h

14、hubhbhhy yyypuhl 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 总流量：对运动）：作剪切流动的流量（相压差流动下的流量：1 1、平行平板缝隙、平行平板缝隙u0结论：缝隙的流量与缝隙值的三次方成正比，说明元件缝隙对结论：缝隙的流量与缝隙值的三次方成正比，说明元件缝隙对对泄漏影响很大。对泄漏影响很大。0023021)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、偏心环缝隙流量即：用即：用dd代替代替b b缝隙厚度

15、为内外圆同心时的为偏心距，00,hehe4 4、液压卡紧力、液压卡紧力高压端高压端第五节、液压冲击与空穴现象一、液压冲击基本概念一、液压冲击基本概念1 1、含义、含义：由于某种原因致使压力在某一瞬间突然急剧升降的波动现象。这种现象就称之为液压冲击、水锤现象。 2 2、原因、原因： （1）管道阀门关闭 （2）运动部件制动 （3）运动部件加速下落 流动液体和运动部件惯性的作用，使系统内瞬时形成很高的峰值压力。管中液体类似于弹簧。3 3、后果、后果：产生噪音，影响元件和系统寿命。使某些压力控制元件产生误动作，造成事故。 液压冲击第五节、液压冲击与空穴现象三、减小冲击压力具体措施三、减小冲击压力具体措施1、对阀门突然关闭而产生液压冲击的防治方法：减慢换向阀的关闭速度，例如采用直流电磁阀，其所产生的液压冲击要比交流电磁阀的小。适当增大管径，减小流速，从而可减小流速的变化值，以减小缓冲压力；改进换向阀控制边界的结构（在阀芯的棱边上开出长方形或V形槽或将其做成锥形）。在容易产生液压冲击能力的地方设置蓄能器。蓄能器不但能缩短压力波的传播距离、时间，还能吸收压力冲击。采用软管也可获得良好减