流体力学基础演示文稿

目前一页\总数八十三页\编于九点优选流体力学基础目前二页\总数八十三页\编于九点一、液压系统工作介质二、液压流体静力学三、液压流体动力学四、管道中液流的能量损失五、孔口和缝隙流动目前三页\总数八十三页\编于九点液压油的主要参数密度和重度：一般认为液压油的密度和重度是不变的，计算时可用：液压油是液压传动的工作介质目前四页\总数八十三页\编于九点压缩性体积弹性模数系统内混有空气时，体积弹性模数大大降低2.1.1液压油的主要参数目前五页\总数八十三页\编于九点粘性：流体流动时，在液体内部显示出的内摩擦力的性质。粘度： 粘度是流体在单位速度梯度下流动时产生的剪切应力，是衡量流体粘性的指标。类型动力粘度运动粘度相对粘度2.1.1液压油的主要参数目前六页\总数八十三页\编于九点粘度-动力粘度动力粘度目前七页\总数八十三页\编于九点2.1.2粘度-运动粘度运动粘度运动粘度没有特殊的物理意义粘度名称单位制动力粘度运动粘度国际制Ns/m2(帕秒，PaS)m2/sec厘米克秒制dynesec/cm2(泊，P)1P=100cP(厘泊，cP)cm2/sec(斯，st)1st=100cst(厘斯，cst)英制lb-sec/ft2lb-sec/in2ft2/secin2/sec(牛特)目前八页\总数八十三页\编于九点粘度-相对粘度相对粘度：在规定条件下，用粘度计测出的液体的粘度。

中国：恩氏粘度0E

美国：赛氏通用秒SSU

英国：雷氏秒RSS

法国：巴氏度0B目前九页\总数八十三页\编于九点粘度-恩氏粘度的测定方法

恩氏粘度的测定方法测定200cm３在温度为tC的被测液体在自重作用下流过专用恩格勒粘度计中直径为2.8ｍｍ小孔所需的时间t1，然后测出同体积的蒸馏水在20C时流过同一小孔所需时间t2，t1与t2

的比值即为被测液体在tC的恩氏粘度值,工业一般以20℃、50℃

和100℃

作为测定恩氏粘度的标准温度目前十页\总数八十三页\编于九点粘度-赛氏粘度的测定方法

赛氏粘度的测定方法测定60cm3、温度为tC的油液在自重作用下，流过专用赛波尔特（Saybolt）测试仪中一个标准长度和直径小孔所需的时间。

赛波尔特粘度计水箱容器加热组件温度计水浴油液塞子目前十一页\总数八十三页\编于九点粘度-各国粘度及换算粘度单位名称又名符号单位采用国家与运动粘度（ｍｍ2/S）之换算公式动力粘度动力粘性系数（绝对粘度）μ厘泊苏运动粘度运动粘性系数（绝对粘度）

厘斯cct（苏）cst（英）中苏英美日恩氏粘度相对粘度EBY(苏)度中、欧洲（乌别洛德近似公式）国际赛氏秒通用赛波尔特秒SSU(SUB)秒美商用雷氏秒雷氏1＃秒"R(RSS)秒英目前十二页\总数八十三页\编于九点粘度-粘度特性粘温特性液体VS.气体温度升高，液体粘度下降而气体粘度上升。粘压特性压力增大，液体粘度增大压力低于30Mpa时，可忽略不计。目前十三页\总数八十三页\编于九点粘度-粘度对液压系统性能的影响油液的粘度对系统的功率损失有较大的影响机械损失VS.泄漏损失粘度

机械损失

泄漏损失

功率损失

适合的粘度

目前十四页\总数八十三页\编于九点液压油的化学性能热稳定性氧化稳定性水解稳定性相容性目前十五页\总数八十三页\编于九点液压油性能指标良好的润滑性；合适的粘度；高的弹性模数；较高的化学稳定性；较高的材料相容性；防火性；对人体无毒或过敏反应。目前十六页\总数八十三页\编于九点液压传动工作液的分类特性液压油颜色耐燃性粘度稳定性毒性吸水性适用的密封材料应用植物基蓝色易燃大低无毒小天然橡胶老式飞机矿物基红色可燃适中较高无毒小合成耐油橡胶减震支柱磷酸酯基紫色耐燃较小高低毒大异丁烯橡胶聚四氟乙烯大型客机目前十七页\总数八十三页\编于九点液压油使用注意事项对液压系统的防护不同规格的液压油绝不能混用保持油液必要的清洁度防止系统进入空气对其他系统和飞机结构的防护对维护人员的防护目前十八页\总数八十三页\编于九点一、液压系统工作介质二、液压流体静力学三、液压流体动力学四、管道中液流的能量损失五、孔口和缝隙流动目前十九页\总数八十三页\编于九点

平衡流体上的作用力

一、质量力与流体微团质量大小有关并且集中作用在微团质量中心上的力。质量力包括：重力、直线运动惯性力、离心惯性力。目前二十页\总数八十三页\编于九点

平衡流体上的作用力二、表面力作用在所研究某部分流体的表面上，且与表面积大小成比例的力

沿表面内法线方向的压力沿表面切向的摩擦力目前二十一页\总数八十三页\编于九点从普遍意义上讲，表面力有如下特点：

和作用面不一定垂直；（可分解为正应力和切应力两部分）。

和的方向有关。

切应力：正应力（压强）：2.2.1平衡流体上的作用力目前二十二页\总数八十三页\编于九点

流体静压强及其特性二、流体静压强的两个特性1.方向性流体静压力的方向总是沿着作用面的内法线方向；(2)因流体几乎不能承受拉力，故p指向受压面。原因:(1)静止流体不能承受剪力，即τ=0，故p垂直受压面；目前二十三页\总数八十三页\编于九点流体静压强及其特性二、流体静压强的两个特性2.大小性流体静压力与作用面在空间的方位无关，仅是该点坐标的函数。略去无穷小项ozxdzdxdyyBDCo目前二十四页\总数八十三页\编于九点2.2.3流体平衡微分方程式一、平衡微分方程式在静止流体中取如图所示微小六面体。设其中心点a(x,y,z)的密度为ρ，压强为p，所受质量力为f。yzoyxzydxdzdyaf,p,ρ目前二十五页\总数八十三页\编于九点2.2.3流体平衡微分方程式以x方向为例,列力平衡方程式表面力：

质量力:

p-p/x•dx/2p+p/x•dx/2yzoyxzydxdzdybacf,p,ρ目前二十六页\总数八十三页\编于九点流体平衡微分方程式同理，考虑y，z方向，可得:上式即为流体平衡微分方程

(欧拉平衡微分方程)p-p/x•dx/2p+p/x•dx/2yzoyxzydxdzdybacf,p,ρ目前二十七页\总数八十三页\编于九点2.2.3流体平衡微分方程式同理，考虑y，z方向，可得:上式即为流体平衡微分方程

(欧拉平衡微分方程)一、平衡微分方程式（续）1.平衡微分方程式（续）物理意义：在静止流体中，单位质量流体上的质量力与静压强的合力相平衡适用范围：所有静止流体或相对静止的流体。目前二十八页\总数八十三页\编于九点流体静力学基本方程式一、流体静力学基本方程式作用在流体上的质量力只有重力均匀的不可压缩流体积分得：zxp11基准面z2p22p0goz11.基本方程式目前二十九页\总数八十三页\编于九点2.2.4流体静力学基本方程式一、流体静力学基本方程式（续）2.物理意义位势能压强势能hp总势能在重力作用下的连续均质不可压所静止流体中，各点的单位重力流体的总势能保持不变。目前三十页\总数八十三页\编于九点2.2.4流体静力学基本方程式一、流体静力学基本方程式（续）3.几何意义位置水头压强水头静水头在重力作用下的连续均质不可压静止流体中，静水头线为水平线。p02p2z2z11p1完全真空z112z2pe2/gAAA'A'基准面pe1/gpa/gp2/gp1/gp1p0p2pa目前三十一页\总数八十三页\编于九点2.2.4流体静力学基本方程式一、流体静力学基本方程式（续）4.帕斯卡原理在重力作用下不可压缩流体表面上的压强，将以同一数值沿各个方向传递到流体中的所有流体质点。a点压强：目前三十二页\总数八十三页\编于九点2.2.5绝对压强计示压强液柱式测压计一、压强的计量1.绝对压强以完全真空为基准计量的压强。2.计示压强以当地大气压强为基准计量的压强。表压：真空：完全真空p=0大气压强p=papo绝对压强绝对压强ap>pap<p计示压强（真空）计示压强目前三十三页\总数八十三页\编于九点2.2.5绝对压强计示压强液柱式测压计二、液柱式测压计1.测压管测压管是一根直径均匀的玻璃管，直接连在需要测量压强的容器上，以流体静力学基本方程式为理论依据。表压真空优点：结构简单缺点：只能测量较小的压强目前三十四页\总数八十三页\编于九点2.2.5绝对压强计示压强液柱式测压计二、液柱式测压计2.U形管测压计ph112Ah2ρ2ρpa优点：可以测量较大的压强目前三十五页\总数八十三页\编于九点2.2.5绝对压强计示压强液柱式测压计二、液柱式测压计3.U形管差压计测量同一容器两个不同位置的压差或不同容器的压强差。1A△z2h2hB目前三十六页\总数八十三页\编于九点2.2.5绝对压强计示压强液柱式测压计二、液柱式测压计4.倾斜微压计

p2

l

p1

a

h1

r0

h2rA2A1优点：可以测量较小的压强目前三十七页\总数八十三页\编于九点2.2.5绝对压强计示压强液柱式测压计二、液柱式测压计5.补偿式微压计paprparpa目前三十八页\总数八十三页\编于九点2.2.6静止液体作用在平面上的总压力各点压强大小：一、水平平面上的液体总压力处处相等各点压强方向：方向一致bcdapaAabApadccAbapadbapaAcdh目前三十九页\总数八十三页\编于九点2.2.6静止液体作用在平面上的总压力各点压强大小：二、倾斜平面上的液体总压力处处不相等各点压强方向：方向一致作用在微分面积dA上的压力：yoxACDdAabpFdFp

hDhCyyCyDh作用在平面ab上的总压力：2.总压力的大小1.总压力的方向总压力的方向垂直于受压的平面目前四十页\总数八十三页\编于九点2.2.6静止液体作用在平面上的总压力二、倾斜平面上的液体总压力(续）yoxACDdAabpFdFp

hDhCyyCyDh作用在平面ab上的总压力：由工程力学知：故即静止液体作用在平面上的总压力等于受压面面积与其形心处的相对压强的乘积。受压面面积A对OX轴的静矩目前四十一页\总数八十三页\编于九点2.2.6静止液体作用在平面上的总压力二、倾斜平面上的液体总压力（续）yoxACDdAabpFdFp

hDhCyyCyDh3.总压力的作用点合力矩定理：合力对某轴的矩等于各分力对同一轴的矩的代数和。受压面A对ox轴的惯性矩。受压面A对过形心点C且平行于ox轴的轴线的惯性矩。压力中心D必位于受压面形心c之下。目前四十二页\总数八十三页\编于九点2.2.7静止液体作用在曲面上的总压力各点压强大小：大小不等各点压强方向：方向不同因作用在曲面上的总压力为空间力系问题，为便于分析，拟采用理论力学中的分解概念将其分解为水平分力和垂直分力求解。一、总压力的大小和方向作用在微分面积dA上的压力：xAzdcPaohchAxzbadAAdFpdFpdFpzdFpxdAdAxdAz目前四十三页\总数八十三页\编于九点2.2.7静止液体作用在曲面上的总压力一、总压力的大小和方向（续）xAzdcPaohchAxzbadAAdFpdFpdFpzdFpxdAdAxdAz1.水平分力作用在曲面上的水平分力等于受压面形心处的相对压强pC-p0与其在垂直坐标面oyz的投影面积Ax的乘积。目前四十四页\总数八十三页\编于九点2.2.7静止液体作用在曲面上的总压力一、总压力的大小和方向（续）2.垂直分力作用在曲面上的垂直分力等于压力体的液体重力xAzdcPaohchAxzbadAAdFpdFpdFpzdFpxdAdAxdAz式中：为曲面ab上的液柱体积abcd的体积，称为压力体。目前四十五页\总数八十三页\编于九点2.2.7静止液体作用在曲面上的总压力一、总压力的大小和方向（续）3.总压力大小：总压力与垂线间的夹角方向：AxzbaPaAzxdFpDD'（1）水平分力Fpx的作用线通过Ax的压力中心；（4）将Fp的作用线延长至受压面，其交点D即为总压力在曲面上的作用点。（3）总压力Fp的作用线由Fpx、Fpz的交点和确定；（2）铅垂分力Fpz的作用线通过Vp的重心；确定方法：二、总压力的作用点目前四十六页\总数八十三页\编于九点2.2.7静止液体作用在曲面上的总压力三、压力体的两点说明压力体仅表示的积分结果(体积)，与该体积内是否有液体存在无关。1.压力体的虚实性实压力体：压力体abc包含液体体积，垂直分力方向垂直向下。虚压力体：压力体abc不包含液体体积，垂直分力方向垂直向上。bcabac目前四十七页\总数八十三页\编于九点2.2.7静止液体作用在曲面上的总压力2.压力体的组成受压曲面（压力体的底面）由受压曲面边界向自由液面或自由液面的延长面所作的铅垂柱面（压力体的侧面）压力体一般是由三种面所围成的体积。自由液面或自由液面的延长面（压力体的顶面）xdcoba三、压力体的两点说明（续）目前四十八页\总数八十三页\编于九点一、液压系统工作介质二、液压流体静力学三、液压流体动力学四、管道中液流的能量损失五、孔口和缝隙流动目前四十九页\总数八十三页\编于九点2.3.1基本概念理想液体:既不可压缩又无粘性的液体实际液体:既可压缩又有粘性的液体一维流动：流动参数是一个坐标的函数的流动定常流动:液体运动参数不随时间变化，仅是空间坐标的函数的流动。一维定常流动：在定常流动条件下，如果通过适当选择坐标（包括曲线坐标）后，使流速与压力只是一个坐标的函数，则称这样的流动为一维定常流动目前五十页\总数八十三页\编于九点2.3.1基本概念迹线：液体质点在空间的运动轨迹流线：某一瞬时，在流动液体流场内作的一条空间曲线，曲线的切线方向代表了质点在该点的速度方向。流管和流束：在流场中作一封闭曲线，通过这样的封闭曲线上各点的流线所构成的管状表面称为流管，流管内的流线群称为流束。过流断面: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流量:单位时间内流过某通流截面的流体体积法定单位:米3/秒(m3/s)

工程中常用升/分（L/min）通流截面上的平均流速:图2—7流线、流束与通流截面目前五十一页\总数八十三页\编于九点2.3.1基本概念流动液体中的压力和能量: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。即流动理想流体具有压力能，位能和动能三种能量形式单位重量的压力能:单位重量的位能:Z单位重量的动能:目前五十二页\总数八十三页\编于九点2.3.2连续性方程如图所示：假设=const,简化为：

对整个流管有：即：以过流断面的平均速度、来表示，则对任意两过流断面：（连续性方程）不可压缩流体作定常流动时，通过流束（或管道）的任一通流截面的流量相等通过通流截面的流速则与通流截面的面积成反比

目前五十三页\总数八十三页\编于九点2.3.3伯努利方程(能量方程)理想液体的伯努利方程实际液体的伯努利方程伯努利方程应用实例目前五十四页\总数八十三页\编于九点2.3.3伯努利方程(能量方程)-理想液体的伯努利方程图2-8伯努利方程推导简图理想液体定常流动时，液体的任一通流截面上的总比能（单位重量液体的总能量）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。由于方程中的每一项均以长度为量纲，所以亦分别称为压力水头，位置水头和速度水头

静压力基本方程是伯努利方程的特例目前五十五页\总数八十三页\编于九点2.3.3伯努利方程(能量方程)-实际液体的伯努利方程α: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α=2，紊流时α=1）

:单位重量液体所消耗的能量目前五十六页\总数八十三页\编于九点2.3.3伯努利方程(能量方程)-伯努利方程应用实例液压泵吸油口处的真空度是油箱液面压力与吸油口处压力p2之差。液压泵吸油口处的真空度却不能太大.实践中一般要求液压泵的吸油口的高度h不超过0.5米.图2-10液压泵从油箱吸油目前五十七页\总数八十三页\编于九点2.3.4动量方程如图所示：即物理意义：作用在流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便面的液体动量之差。

目前五十八页\总数八十三页\编于九点一、液压系统工作介质二、液压流体静力学三、液压流体动力学四、管道中液流的能量损失五、孔口和缝隙流动目前五十九页\总数八十三页\编于九点2.4.1两种流动状态层流

紊流

雷诺数:液体在圆管中的流动状态决定于由管道中流体的平均流速υ、管道直径d和液体运动粘度这三个参数所组成的无量纲数的大小: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雷诺数的物理意义:流动液体的惯性力与粘性力之比目前六十页\总数八十三页\编于九点2.4.1两种流动状态实验装置颜料水箱玻璃管细管阀门目前六十一页\总数八十三页\编于九点2.4.1两种流动状态二、实验现象过渡状态紊流层流层流：整个流场呈一簇互相平行的流线。着色流束为一条明晰细小的直线。紊流：流体质点作复杂的无规则的运动。着色流束与周围流体相混，颜色扩散至整个玻璃管。过渡状态：流体质点的运动处于不稳定状态。着色流束开始振荡。目前六十二页\总数八十三页\编于九点2.4.1两种流动状态二、实验现象目前六十三页\总数八十三页\编于九点2.4.1两种流动状态三、两种流动状态的判定1、实验发现2、临界流速——下临界速度（从湍流变层流时的平均速度）——上临界速度层流：不稳定流：紊流：流动较稳定流动不稳定目前六十四页\总数八十三页\编于九点2.4.1两种流动状态三、两种流动状态的判定（续）3、临界雷诺数层流：不稳定流：紊流：——下临界雷诺数——上临界雷诺数工程上常用的圆管临界雷诺数层流：紊流：雷诺数流动液体的惯性力与粘性力之比目前六十五页\总数八十三页\编于九点2.4.2

沿程损失-圆管中层流的速度分布圆管中任取一个圆柱体分析受力平衡状态，可得：目前六十六页\总数八十三页\编于九点2.4.2沿程损失-圆管中层流的速度分布将

积分

得，

目前六十七页\总数八十三页\编于九点2.4.2沿程损失-圆管中的流量及平均速度取半径r处宽度为dr的微小圆环面积，则可得流量为此式为哈根-伯肃叶定律目前六十八页\总数八十三页\编于九点2.4.2沿程损失-圆管中的流量及平均速度

最大流速管轴处:

平均流速目前六十九页\总数八十三页\编于九点2.4.2沿程损失-压强降压强降(流动损失)水平管:

结论：层流流动得沿程损失与平均流速得一次方成正比。目前七十页\总数八十三页\编于九点2.4.2沿程损失-实验研究实验目的：

沿程损失:层流:紊流:在实验的基础上提出某些假设，通过实验获得计算紊流沿程损失系数λ的半经验公式或经验公式。代表性实验:尼古拉兹实验莫迪实验目前七十一页\总数八十三页\编于九点2.4.2沿程损失-实验研究一、尼古拉兹实验实验对象:不同直径圆管不同流量不同相对粗糙度实验条件:实验示意图:目前七十二页\总数八十三页\编于九点2.4.2沿程损失-实验研究一、尼古拉兹实验(续)尼古拉兹实验曲线目前七十三页\总数八十三页\编于九点2.4.2沿程损失-实验研究一、尼古拉兹实验(续)尼古拉兹实验曲线的五个区域层流区管壁的相对粗糙度对沿程损失系数没有影响。2.过渡区不稳定区域，可能是层流，也可能是紊流。目前七十四页\总数八十三页\编于九点2.4.2沿程损失-实验研究一、尼古拉