流体及其压力传动介质

1、第二章第二章 液体力学基础液体力学基础v1. 流体静压力基础v2. 流体动力学基础v3.气压流体力学基础2.1 流体静力学基础v平衡流体指的是流体内部流体质点间没有相对运动。v2.1.1 2.1.1 流体静压力及其特性流体静压力及其特性 按平衡态流体受力特点分：表面力、质量力 表面力表面力是一种大小与所取流体微团表面积有关，并且分布作用在流体微团表面上的力。 质量力质量力与所取流体微团质量大小有关，并且集中作用在流体微团质量中心上的力。2.1.1流体静压力及其特征v静压力静压力: 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。v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

2、压力p定义为：v若法向力F均匀地作用在面积A上，则压力可表示为:AFpAlim0AFp 液体的静压力液体的静压力v静压力的特性静压力的特性:v（1）液体的静压力的方向总是沿着作用面的内法线方向。v（2）静止液体中任何一点所受到各个方向的压力都相等。 2.1.2 静压力的基本方程静压力的基本方程n液体静压力基本方程: p=po+ghnP静止液体中深度为h处任意点上压力; p0为液面上的压力。 特征：特征：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,反映了在重力作用下静止液体中的压力分布规律。n等压面等压面同一液体中深度h相同的各点压力都相等。 静压力基本方程物理意义静压力基本方程物理意

3、义 hg 单位质量液体的势能,称位置水头。 单位质量液体的压力能,称压力水头。物理意义物理意义: : 静止液体具有两种能量形式，即压力能与势能。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。常量hgpghp00p p=po+gh=p0+g(z0-z) Zo 液面与基准水平面之间的距离； Z 深度为h的点与基准水平面之间的距离 压力的计量单位压力的计量单位v法定单位法定单位 :牛顿/米2(N/m2)即帕（Pa） 1 MPa=106Pav单位换算单位换算: : 1工程大气压（at）=1公斤力/厘米2（kgf/m2）

4、1工程大气压105帕 =0.1 MPa 1米水柱（mH20）=9.8103Pa 1毫米汞柱（mmHg）=1.33102Pa 压力的计量单位压力的计量单位n相对压力（表压力）相对压力（表压力）: : 以大气压力为基准，测量所得的压力。n绝对压力绝对压力: : 以绝对零压为基准测得的压力n绝对压力=相对压力 + 大气压力 n真空度真空度: :如果液体中某点的绝对压力小于大气压力，则称该点出现真空。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 。n真空度=|负的相对压力| =|绝对压力 - 大气压力| 压力的传递压力的传递n帕斯卡原理帕斯卡原理: :若在处于密封容器中静止液体的部分

5、边界面上施加外力使其压力发生变化，只要液体仍保持其原来的静止状态不变，则液体中任一点的压力均将发生同样大小的变化。n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 n液压系统的压力完全决定于 外负载 帕斯卡原理应用例2-1 作用在活塞上的力F=1000N，活塞面积A=110-3m2,忽略活塞的重量。试问活塞下方深度h=1m处的压力等于多少？n解解：活塞和液面接触处的压力P0=F/A=1000N/（110-3）=106深度为h=1m处的液体压力P=p0+gh=106+9009.81062.1.3 平衡流体对固体壁面的作用力v（1）当承受压力的固体平面的作用力v（2）当承受压力对固体曲

6、面的作用力 Fx=PAx注：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。pAxlrpF 2pAF v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时，总作用力的大小为： 21222)(ZYXFFFFv解解（1）p1、p2对阀芯锥面向上的作用力？（2）p1、p2对阀芯锥面向下的作用力？（3）阀芯受力平衡方程式为？例22 某安全阀的阀芯为圆锥形，阀座孔径d=10mm，阀芯最大直径D=15mm,当液压油液压力p10MPa时，压力油克服弹簧力顶开阀芯而溢油，出油腔有背压力p2=0.5MPa。试求阀内弹簧的预紧力Fs。2.2 液体动力学基础v

7、2.2.1流体运动的基本概念流体运动的基本概念v理想液体理想液体 假设的既无粘性又不可压缩的流体称为理想流体。v恒定流动恒定流动 液体流动时，液体中任一点处的压力、速度和密度都不随时间而变化的流动，亦称为定常流动或非时变流动。v一维流动一维流动当流体整个作线性流动时，称一维流动。v二维流动二维流动当流体作平面或空间流动时称二维流动。v（2）流线、流管、流束和通流截面流线 是流场中的一条条曲线，它表示在同一瞬时流场中各质点的运动状态。特点：代表了某一瞬时一群流体质点的流速方向。流场中每个质点在某一瞬时只能有一个速度，所以流线之间不可能相交，流线也不能突然转折，它只能是一条光滑的曲线。流管在流场中

8、画一不属于流线的任意封闭曲线，过该封闭曲线上每个质点作流线，由这些流线组成的表面称为流管。流束流管内的全部流体称为流束。通流截面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。v（2）流线、流管、流束和通流截面总流如果封闭曲线取在管道内壁周线上，则流束就是充满管道内部的全部流体，这种情况通常称为总流。微元流束若封闭曲线取得极小，其极限近于一条流线的流束称为微元流束。特点： 流束有体积、质量、动量和动能等。流管和流线只是几何体上的面和线，只有形状无体积和质量。（3）流量和平均流速）流量和平均流速体积流量Q单位时间内流过通流截面的流体体积体积。质量流量Qm单位时间内

9、流过通流截面的流体质量质量。重量流量QG单位时间内流过通流截面的流体重量重量。单位：单位：Q的法定单位: 米3/秒(m3/s);工程中常用：升/分（L/min） 流线、流束与通流截面通流截面上的平均流速通流截面上的平均流速: 流速在通流截面上的分布特点流速在通流截面上的分布特点 通过dA的微小质量流量dQm =udA 通过dA的微小体积流量dQ = udA积分得：Qm=AudA Q=AudA 因u分布规律复杂，一般在液压传动中用一个假想的平均流速求流量，并认为该流量以v流经通流截面的流量等于以实际流速通过的流量。即 Qm=vA Q=VA AQV 2.2.2 流体运动基本方程流体运动基本方程v流

10、体运动基本方程描述流体运动过程中基本物理量变化规律的数学表达式。v（1 1）流量连续方程）流量连续方程 根据质量守恒定律，单位时间内流经微小截面dA1流入微小流束的流体质量应与从微小dA2流出微小流束的流体质量相当。 则：1 u1 dA1 = 2 u2 dA2积分： 1v1A1 = 2v2A2 v1A1 = v2A2 Q = vA = Q = vA = 常数常数 （2）理想流体的伯努利方程v根据能量守恒定律能量守恒定律，同一管道每一截面的总能量都是相等的。v由于存在运动，所以理想流体流动时除了具有压力能与位能外，还具有动能。 单位质量的压力能: 单位质量的位能: Zg 单位质量的动能:p22理

11、想液体的伯努利方程理想液体的伯努利方程n理想液体定常流动时，液体的任一通流截面上的总能量保持为定值。 总比能由比压能（ ）、比位能（Z）和比动能（ ）组成，可以相互转化。 cgzgpgzgp2222222111cgzgp22gpg22 伯努利方程示意图实际液体的伯努利方程v:动能修正系数,为截面上单位时间内流过液体所具有的实际动能与按截面上平均流速计算的动能之比（层流时层流时=2=2，紊流时，紊流时=1=1）v :单位重量液体所消耗的能量 whwhgzgpgzgp22222211112121毕托管毕托管v毕托管是将流体动能转化为压能，从而通过测定流体压力来测定流体运动速度的仪器。流线的伯努利方

12、程为：U2/2g+p/g=p0/gU=(2g(p0-p)/g)1/2U=(2gh)1/2伯努利方程应用实例伯努利方程应用实例解：取油箱液面为基准面，有 液压泵从油箱吸油液压泵从油箱吸油例2-3 分析液压泵正常吸油的条件。设液压泵吸油口处的绝对压力为p2,油箱液面压力为p1为标准大气压pa，泵吸油口至油箱液面高度为h. 管路系统流动分析v两种流动状态v定常管流的压力损失v通过小孔的流动v通过间隙的流动 一、流态与雷诺数一、流态与雷诺数v层流层流 ：液体流速较低，液体质点间的粘性力起到主导作用，液体质点受粘性的约束，不能随意运动。v紊流紊流 ：液体流速较高，液体质点间粘性的制约作用减弱，液体质点间

13、的惯性力起到主导作用。v雷诺数雷诺数v液体在圆管中的流动状态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有关。v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，反之液流的状态为紊流。v雷诺数的物理意义雷诺数的物理意义:流动液体的惯性力与粘性力之比 。 vdRe 二、圆管流动的沿程压力损失二、圆管流动的沿程压力损失n层流时管截面上的速度分布 v三、管道流动的局部压力损失三、管道流动的局部压力损失pp : 在流经阀口、管道截面变化、弯曲等处时，由于流动方向和速度变化及复杂的流动现象(旋涡，二次流等)而造成局部能量损失。 称为局部压力损失系数称为局部压力损失系数

14、22pv沿程压力损失沿程压力损失 : 这种沿等直径管流动时的压力损失 :沿程压力损失系数,其理论值为 . 考虑流动中油温变化不匀等问题，对金属管取 ，橡胶管取 p4128dlqp22Re6422dldlpRe64Re75Re80管路系统的压力损失管路系统的压力损失: 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: 2221211inkiiikiiiiniidlppppw泵第五节第五节 孔口流动孔口流动 在液压与气压传动中常用通过改变阀口通流截面

15、积或通过通流通道的长短来控制流量的节流装置来实现流量控制。这种节流装置的通流截面一般为不同形式的小孔。v通过薄壁小孔(孔的通流长度l与孔径d之比l/d0.5 )的流动v通过细长小孔(小孔的长径比l/d4)的流动 通过薄壁小孔的流动 称为小孔流量系数n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 pAcpAccAqdc2202ccccd通过细长小孔的流动液体流经小孔时流量液体流经小孔时流量 液体流经细长小孔的流量将随液体温度的变化而变化。但细长小孔的流量与孔前后的压差关系是线性的通过间隙的流动v配合间隙v泄漏:当流体流经这些间隙时就会发生从压

16、力高处经过间隙流到系统中压力低处或直接进入大气的现象(前者称为内泄漏，后者称为外泄漏) v泄漏主要是由压力差与间隙造成的v油液在间隙中的流动状态一般是层流 2.6 液压系统的气穴与液压冲击现象v气穴(空穴): 在流动液体中，由于某点处的压力低于空气分离压而产生汽泡的现象v液压冲击: 在液压系统中由于某种原因，液体压力在一瞬间会突然升高,产生很高的压力峰值,这种现象称为液压冲击气穴（空穴）现象气穴（空穴）现象1气穴和气蚀气穴：在液流中，由于压力降低有气泡形成的现象。气蚀：因气穴现象而产生的零件剥蚀现象。2气穴的危害性（1）由气穴现象产生的大量气泡，有的会聚集在管道的最高处或通流的狭窄处形成气塞，

17、使油流不畅，甚至堵塞，从而使系统不能正常工作；（2）系统容积效率降低，使系统性能特别是动态性能变坏；（3）会使材料破坏，降低液压元件的使用寿命。3可能产生气穴的部位和预防措施v产生气穴的部位：产生气穴的部位：v泵的吸油口、油液流经节流部位、突然启闭的阀门、带大惯性负载的液压缸，以及液压马达在运转中突然停止或换向时等都将产生气穴现象。v预防措施：预防措施：（1）减小流经节流口及缝隙处的压力降，一般希望节流口和缝隙前后压力p1/p2小于3.5；（2）正确设计管路，限制泵的吸油口离油面高度；（3）提高管道的密封性能，防止空气渗入；（4）提高零件的机械强度和降低零件的表面粗糙度，采用抗腐蚀能力强的金属材料，以提高元件抗气蚀能力1产生液压冲击的原因产生液压冲击的原因v阀门突然关闭或液压缸快速制动。v液流惯性使其动能转换为压力能，产生压力冲击波，在另一端压力能又转换为动能v然后反复能量转换，形成压力振荡2液压冲击的危害液压冲击的危害v瞬间压力冲击引起振动和噪声，v会损坏密封装置、管道、元件，造成设备事故 3减少液压冲击的措