CH流体力学基础课件

1、1-1 液压油 液压油的主要物理性质 液压油的选择 第1页，共67页。1.1.1液压油的物理性质密度：单位体积液体的质量 式中 m：液体的质量(kg)； V：液体的体积（m3）； =900 kg/ m3 重度 ：单位体积液体的重量式中 FG：液体的质量(kg)； V：液体的体积（m3）； 第2页，共67页。1.1.1液压油的物理性质可压缩性：液体受压力作用而发生体积变化的性质。可用体积压缩系数或体积弹性模量K表示 体积压缩系数：单位压力变化所引起的体积相对变化量， （m2/N） 式中 V：液体加压前的体积（m3）； V：加压后液体体积变化量（m3）； p：液体压力变化量（N/ m2）；体积弹性

2、模量K（N/ m2）: 计算时常取K=(1.2-2)103 Mpa第3页，共67页。液体的粘性： 液体在流动时,分子间的内聚力阻碍分子的相对运动，产生内摩擦力的特性 静止液体则不显示粘性 液体的粘度： 液体粘性的大小可用粘度来衡量。 粘度是液体的根本特性，也是选择液压油的最重要指标 常用的粘度有三种不同单位：即动力粘度、运动粘度和相对粘度 1.1.1液压油的物理性质第4页，共67页。动力粘度（绝对粘度） 牛顿内摩擦定律 式中 :称为动力粘度系数（Pas） :单位面积上的摩擦力（即剪切应力） :速度梯度，即液层间速度对液层距离的变化率 A:液层接触面积物理意义 ：当速度梯度为1时接触液层间单位面

3、积上的内摩擦力为动力粘度 法定计量单位 ：帕秒（Pas）液体粘性示意图第5页，共67页。运动粘度 定义：动力粘度与密度之比 法定计量单位：m2/s 1m2/s =104cm2/s=104St（斯） 1st=100cSt（厘斯） 由于的单位中只有运动学要素，故称为运动粘度。液压油的粘度等级就是以其40C时运动粘度的某一平均值来表示，如L-HM32液压油的粘度等级为32，则40C时其运动粘度的平均值为32mm2/s 第6页，共67页。相对粘度（恩式粘度） 恩氏粘度：它表示200mL被测液体在tC时，通过恩氏粘度计小孔（=2.8mm）流出所需的时间t1，与同体积20C的蒸馏水通过同样小孔流出所需时间

4、t2之比值工业上常用20C、50C和100C作为测定恩式粘度的标准温度，分别以20、50、100表示恩式粘度与运动粘度（mm2/s）的换算关系： 第7页，共67页。影响粘度因素粘度随压力变化很小，可忽略不计粘度随温度变化的特性 几种国产油液粘温图第8页，共67页。1.1.2 液压油的选择1.确定工作条件 压力的高低 压力高，要选择粘度较大的液压油液。 环境温度 温度高，选用粘度较大的液压油液。 工作部件运动速度的高低 速度高，选用粘度较低的液压油液。2.确定粘度值3.其他第9页，共67页。 液体静力学研究静止液体的力学规律和这些规律的实际应用。 静止液体是指液体处于内部质点间无相对运动的状态，

5、因此液体不显示粘性，液体内部无剪切应力，只有法向应力即压力。1-2液体静力学第10页，共67页。1-2液体静力学压力静力学基本方程压力及其单位帕斯卡原理压力对固体壁面的总作用力第11页，共67页。1.2.1压力压力: 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性质: 指向内法向 各点压力在各方向上相等第12页，共67页。例：计算静止液体内任意点A处的压力p pdA = p0dA+G = p0dA+ghdA p = p0+gh 1.2.2液体静力学基本方程第13页，共67页。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p0，自重形成的压力gh。液体内的压力与液体深度成正比

6、。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。第14页，共67页。1.2.3绝对压力、相对压力与真空度的相互关系第15页，共67页。1.2.4帕斯卡原理作用在大活塞上的负载F1形成液体压力 p= F1/A1 为防止大活塞下降，在小活塞上应施加的力 F2= pA2= F1A2/A1 由此可得液压传动可使力放大，可使力缩小，也可以改变力的方向。液体内的压力是由负载决定的。 在密闭容器内，施加于静止液体的压力可以等值同时传递到液体各点，这就是帕斯卡原理。也称为静压传递原理。第16页，共67页。1.2.5 液体静压力对固体壁面的作用力液体和固体壁面接触时，固体壁面将受到液体静压力的作用

7、当固体壁面为平面时，液体压力在该平面的总作用力 F = p A ，方向垂直于该平面。当固体壁面为曲面时，液体压力在曲面某方向上的总作用力 F = p Ax ， Ax 为曲面在该方向的投影面积。第17页，共67页。 主要是研究液体流动时流速和压力的变化规律。基本概念连续性方程伯努利方程动量方程1-3液体动力学第18页，共67页。1.3.1液体动力学基本概念理想流体 假设的既无粘性又不可压缩的流体称为理想流体。非理想流体恒定流动 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。非恒定流动第19页，共67页。 通流截面 垂直于流动方向的截面，也称为过流

8、截面。 流量 单位时间内流过某一通流截面的液体体积，流量以q表示，单位为 m3 / s 或 L/min。 平均流速 实际流体流动时，速度的分布规律很复杂。假设通流截面上各点的流速均匀分布，平均流速为v=q/A。第20页，共67页。单位时间内流过两个截面的液体质量相等1v1 A1 = 2v2 A2 不考虑液体的压缩性则得 q = v A = 常量 流量连续性方程说明了恒定流动中流过各截面的不可压缩流体的流量是不变的。因而流速与通流截面的面积成反比。1.3.2流量连续性方程第21页，共67页。 理想流体的伯努利方程 p1 /g + Z1 + v12 / 2g = p2 /g + Z2 + v22

9、/ 2g实际流体的伯努利方程 p1/g + Z1+1v12/ 2g = p2 /g+ Z2+2 v22/ 2g + hw实际流体存在粘性，流动时存在能量损失，hw 为单位质量液体在两截面之间流动的能量损失。用平均流速替代实际流速， 1 ，2 为动能修正系数。伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的表达方式。1.3.3伯努利方程第22页，共67页。伯努利方程应用举例如图示简易热水器，左端接冷水管，右端接淋浴莲蓬头。已知 A1=A2/4和A1、h值，问冷水管内流量达到多少时才能抽吸热水？解：沿冷水流动方向列A1、A2截面的伯努利方程 p1/g + v12/2g = p2/g + v22/2g补充辅助

10、方程 p1 = pagh p2=pa v1A1=v2A2代入得 h+v12/2g = (v1/4)2/2g v1 = (32gh/15)1/2 q = v1A1= (32gh/15)1/2 A1第23页，共67页。伯努利方程应用举例例计算泵吸油腔的真空度或泵允许的最大吸油高度取油箱液面I和泵进口处II两通流截面列伯努利方程，并取截面II为基准水平面。P1/+v12/2g=P2/+h+v22/2g+hwP1为油箱液面压力，P2为泵吸油口的绝对压力第24页，共67页。上式可简化成 Pa/=P2/+h+v22/2g+hw 泵吸油口真空度为 Pa-P2=h+v22/2+hw第25页，共67页。 由上式

11、可知，在泵的进油口处有一定真空度，所谓吸油，实质上是在油箱液面的大气压力作用下把油压入泵内的过程。泵吸油口的真空度由三部分组成：（1）产生一定流速所需的压力；（2）把油液提升到高度h所需的压力；（3）吸油管内压力损失。 泵吸油口的真空度不能太大，即泵吸油口处的绝对压力不能太低。第26页，共67页。限制真空度方法：加大油管直径限制泵的吸油高度h第27页，共67页。例3：计算泵的出口压力 如图所示，泵驱动液压缸克服负载而运动。设液压缸中心距泵出口处的高度为h，则可根据伯努利方程来确定泵的出口压力。选取I-I，II-II截面列伯努利方程以截面I I为基准面。则有 P1/+v12/2g=P2/+v22

12、/2g)+h+hw第28页，共67页。因此泵的出口压力为 P1=PL+(v12/2-v22/2)+h+P 在液压传动中，油管中油液的流速一般不超过6m/s，而液压缸中油液的流速更要低得多。因此计算出速度水头产生的压力和h的值比缸的工作压力低得多，故在管道中，这两项可忽略不计。这时上式可简化为 P1=PL+P 第29页，共67页。通过以上例题分析，可将应用伯努利方程解决实际问题的一般方法归纳如下：1.选取适当的基准水平面；2.沿流动方向选取两个计算截面；一个设在已知参数的断面上，另一个设在所求参数的断面上；3.按照液体流动方向列出伯努利方程；4.伯努利方程为能量方程，每一项均为长度单位。第30页

13、，共67页。动量方程是动量定理在流体力学中的具体应用用来计算流动液体作用在限制其流动的固体壁面上的总作用力。理想流体F = （m u）/t = q（u2 - u1）实际流体F = q（2u2 1 u1）作用在液体控制体积上的外力总和等于单位时间内流出控制表面与流入控制表面的液体的动量之差。1.3.4动量方程第31页，共67页。动量方程为矢量方程方程描述力与动量的关系，力使动量发生改变用于液压控制元件设计（流体使阀承受多大的强度）1 2动量修正系数，近似为1。因用平均速度代替了实际速度引起动量误差。第32页，共67页。例：求液流通过滑阀时，对阀芯的轴向作用力的大小。 F = q（v2 cos2

14、- v1cos1） 1和2液流速度方向角F =-qv1cos1液流有一个力图使阀口关闭的力，这个力称为液动力第33页，共67页。 1.4管道流动由于流动液体具有粘性，以及流动时突然转弯或通过阀口会产生撞击和旋涡，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中的hw项。压力损失由沿程压力损失和局部压力损失两部分组成。液流在管道中流动时的压力损失和液流运动状态有关。第34页，共67页。1.4.1流态，雷诺数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。层流粘性力起主导作用 液体流动是分层的，层与层之

15、间互不干扰紊流惯性力起主导作用 液体流动不分层，做混杂紊乱流动。第35页，共67页。液体的流动状态用雷诺数来判断。雷诺数Re = v d / ，v 为管内的平均流速d 为管道内径为液体的运动粘度雷诺数为无量纲数。 如果液流的雷诺数相同，它的流动状态亦相同。临界雷诺数，记为Recr 当ReRecr，为层流； 当ReRecr，为紊流。 金属圆管Recr=2320 橡胶圆管Recr=16002000第36页，共67页。流速分布规律 ( p1-p2)r2 = F f Ff = -2rldu/dr p = p1-p2 du = - rdrp/2l 对上式积分，并应用边界条件r=R时，u=0,得 u =

16、(R2 - r2)p/4l umin = 0 (r=R) umax = R2p/4l= d2 p/16l (r=0) 1.4.2 圆管的沿程损失层流状态的沿程损失第37页，共67页。圆管层流的流量 取微小环形通流截面 dA = 2rdr dq = udA =2u = 2rdr (R2 - r2) p/4l 故 q =0R 2p/4l(R2- r2)rdr =pR4/8l =pd4/128l 圆管的平均流速 v = q /A = ( pd4/128l )d2/4 = p d2/32l v = umax /2第38页，共67页。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 当流动

17、液体为金属管中的液压油时 橡胶管中的液压油时圆管层流沿程压力损失第39页，共67页。圆管紊流的压力损失p = l/dv2/2 = 0.3164Re-0.25 （105 Re 4000） = 0.032+0.221Re-0.237 （3*106 Re 105 ） = 1.74+2lg（d/）-2 （Re 3*106 或 Re900d/ ） 管壁表面粗糙度 紊流运动时，p比层流大 液压系统中液体在管道内应尽量作层流运动 第40页，共67页。1.4.3 局部压力损失定义 :液体流经管道的弯头、接头、突变 截面以及阀口滤网等局部装置时， 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

18、部损失。第41页，共67页。局部压力损失产生原因 产生原因： 碰撞、旋涡（突变管、弯 管)产生附加摩擦 附加摩擦 只有紊流时才有，是由于 分子作横向运动时产生的 摩擦，即速度分布规律改 变，造成液体 的附加摩擦。 第42页，共67页。局部压力损失公式p = v2/2 h = v2/2 g为局部阻力系数，具体数值可查有关手册。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ps来换算：p= ps（q / qs ）2第43页，共67页。1.4.4 管路系统的总压力损失p = p +p =l/dv2/2+v2/2 hw=h +h p 热能 T q 散逸 污染 第44页，共67页。减小p的措施 1 尽量L，突变 2 加工质量，力求光滑，合适3 A，v 过高 p pv2 其中v的影响最大 4)第47页，共67页。1.5.1薄壁孔液特性薄壁小孔流量 q = CdAo（2p /）1/2A0小孔截面积；Cd流量系数，Cd=CvCc Cv称为速度系数 ； Cc称为截面收缩系数。液流完全收缩情况下（D/d 7）： 当Re105 Cd = 0.964Re-0.05 当Re 105 Cd= 0.6 0.62 液流不完全收缩时（D/d 工作压力引起振动、噪声、导致某些元件如密封装置、管路等 损坏；使某些元件（如压力继电器、顺序阀等）产生误