《汽车液压与气压传动（第4版）》 课件 第二章：液压传动的流体力学基础

第二章：液压传动的流体力学基础第一节：流体静力学基础第二节：流体动力学基础第三节：液体流动时的压力损失第四节：液体流经小孔和缝隙的

流量第五节：液压冲击和空穴现象教学目标本章习题返回目录教学要点教学目标掌握汽车液压传动中流体静力学、流体动力学的基本知识。重点掌握连续性方程、伯努利方程和动量方程及其应用。掌握液体在流动时的压力损失和流经小孔、缝隙时的流量特性。了解液压冲击及气穴现象。为以后学习、分析、使用及设计液压传动系统打下必要的理论基础。返回本章教学要点知识要点掌握程度相关知识

返回本章流体静力学知识

掌握液体静压力的概念及特性,理解压力传递的原理及等压面的概念;熟练使用液体静力学方程解决问题,掌握液体对固体壁面上作用力的计算

压力的表示方法及其单位换算,绝对压力和相对压力的概念流体动力学知识理解流体动力学的基本概念,掌握流动液体的连续性方程、伯努利方程和动量方程,并能熟练应用液体静力学知识;液体的流动状态,流量和平均流速的概念;液体流动时的物质不灭定律、能量守恒定律和动量定理;微积分等数学知识液体在管道、小孔及缝隙中的压力-流量特性;流体压力损失及应用分析;影响泄漏的因素液体流动时的压力损失与小孔和缝隙流量理解两种流态和雷诺数的概念;会应用连续性方程、伯努利方程和动量方程分析流体在管道和小孔、缝隙中的压力损失及压力-流量特性

液压冲击和空穴理解液压冲击和空穴产生的原因及危害,掌握减小危害的方法液压技术发展现状及存在的问题第一节：流体静力学基础

第一节：流体静力学基础

液体静力学主要讨论的是液体在静止时的平衡规律以及这些规律在工程上的应用。这里所说的静止，是指液体内部质点之间没有相对运动，至于盛装液体的容器，不论它是静止的或是运动的，都没有关系。一、液体的压力；二、重力作用下静止液体中的压力分布；三、压力的表示方法和计量单位；四、静止液体内压力的传递；五、液体静压力作用在固体壁面上的力；返回本章第一节：流体静力学基础一、液体的压力

液体单位面积上所受的法向力称为静压力。这一定义在物理学中称为压强，但在液压传动中习惯称为压力。静止液体的压力有如下特性：

(1)液体的压力沿着内法线方向作用于承压面。

(2)静止液体内任一点的压力在各个方向上都相等。第一节：流体静力学基础二、重力作用下静止液体中的压力分布

静止液体内任一点处的压力都由两部分组成：一部分是液面上的压力，另一部分是该点以上液体自重所形成的压力。第一节：流体静力学基础三、压力的表示方法和计量单位1.绝对压力：压力值以绝对真空基准来度量的。2.相对压力：压力值以大气压力为基准来度量的。又称表压力。3.真空度：绝对压力小于大气压力，差值为真空度。第一节：流体静力学基础三、压力的表示方法和计量单位例2-1如图2-3所示,容器内充满油液。已知油液密度ρ=900kg/m3,活塞上的作用力F=10kN,活塞的面积A=1×10-2m2

。假设活塞的重量忽略不计,试求活塞下方深度为h=0.5m处的压力。第一节：流体静力学基础四、静止液体内压力的传递

在密闭容器内，施加于静止液体上的压力将以等值传递到液体内各点。这就是静压力传递原理，或称帕斯卡原理。

第一节：流体静力学基础四、静止液体内压力的传递

第一节：流体静力学基础五、液体静压力作用在固体壁面上的力

液体和固体壁面相接触时，固体壁面将受到总液压力的作用。第一节：流体静力学基础五、液体静压力作用在固体壁面上的力返回本节第二节：流体动力学基础第二节液体动力学基础

本节主要讨论液体的流动状态、运动规律及能量转换等问题，具体地说主要有连续性方程、伯努利方程和动量方程三个基本方程。这些都是液体动力学的基础及液压传动中分析问题和设计计算的理论依据。一、基本概念：二、连续性方程：三、伯努利方程：四、动量方程：返回本章第二节：流体动力学基础1.理想液体、恒定流动、一维流动理想液体：既无黏性又不可压缩的假想液体。恒定流动：液体流动时，任一点处的压力、速度和密度等参数都不随时间而变化，为恒定流动。一维流动：液体做线性流动。二维流动：液体做平面流动。第二节：流体动力学基础2.流线、流管和流束流线：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。流线：在流场中画一不属于流线的任意封闭曲线,沿该封闭曲线上的每一点作流线,由这些流线组成的表面为流管。流束：流管内的流线群称为流束。第二节：流体动力学基础3.通流截面、流量和平均流速通流截面：流束中与所有流线正交的截面称为通流截面。流量：单位时间内流过某通流截面的液体体积称为体积流量。第二节：流体动力学基础二、连续性方程

在管中作稳定流动的理想液体，既不能增多也不能减少，即符合物质不灭定律。因此在单位时间内通过任意截面的液体质量一定是相等的，此即液体的连续性原理。第二节：流体动力学基础二、连续性方程第二节：流体动力学基础1.理想液体的能量方程

理想液体能量方程的物理意义是：理想液体作恒定流动时具有压力能、位能和动能三种能量形式，在任一截面上这三种能量形式之间可以相互转换，但三者之和为一定值，即能量守恒。三、伯努利方程比压能

比位能

比动能

第二节：流体动力学基础2.实际液体的能量方程

实际液体在管道内流动时，由于液体存在粘性，会产生摩擦力，消耗能量；同时，管道局部形状和尺寸的变化，会使液流产生扰动，也消耗一部分能量。同时，引入速度分布不均匀修正系数，实际液体流动的伯努利方程为第二节：流体动力学基础2.实际液体的能量方程第二节：流体动力学基础四、动量方程

动量方程是动量定理在流体力学中的具体应用。用动量方程来计算液流作用在固体壁面上的力，比较方便。动量定理指出：作用在物体上的合外力的大小等于物体在力作用方向上的动量的变化率，即第二节：流体动力学基础四、动量方程返回本节第三节：液体流动时的压力损失第三节：液体流动时的压力损失

实际液体具有粘性，流动时会有阻力产生。为了克服阻力，流动液体需要损耗一部分能量，通常称为压力损失。压力损失可分为两类：沿程压力损失和局部压力损失。一、两种流态和雷诺数：二、沿程压力损失：三、局部压力损失：四、管路中的总压力损失：返回本章第三节：液体流动时的压力损失一、两种流态和雷诺数

液体的流动有两种状态，即层流和湍流（又称紊流）这两种流动状态的物理现象可以通过一个实验观察出来，这就是雷诺实验。第三节：液体流动时的压力损失一、两种流态和雷诺数

湍流

层流第三节：液体流动时的压力损失

雷诺数的物理意义

雷诺数是液流的惯性力对粘性力的无量纲比值，当雷诺数较大时，液体的惯性力起主导作用，液体处于湍流状态；当雷诺数较小时，粘性力起主导作用，液体处于层流状态。非圆管截面管道雷诺数：水力直径：第三节：液体流动时的压力损失二、沿程压力损失

液体在等径直管中流动时因粘性摩擦而产生的压力损失，称为沿程压力损失。液体的流动状态不同，所产生的沿程压力损失也有所不同。

第三节：液体流动时的压力损失二、沿程压力损失1、层流的沿程阻力损失第三节：液体流动时的压力损失二、沿程压力损失2、湍流的沿程阻力损失第三节：液体流动时的压力损失三、局部压力损失

液体流经管道的弯头、管接头、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，由此而造成的压力损失称为局部压力失。局部阻力系数可查有关手册。第三节：液体流动时的压力损失三、局部压力损失第三节：液体流动时的压力损失三、局部压力损失流过阀类的局部压力损失。第三节：液体流动时的压力损失三、局部压力损失我国各种阀在额定流量时的局部压力损失。第三节：液体流动时的压力损失四、管路中的总压力损失

整个管路系统的总压力损失应为所有沿程压力损失和所有局部压力损失之和即具体系统中，应根据实际情况对上式进行调整。第三节：液体流动时的压力损失四、管路中的总压力损失第三节：液体流动时的压力损失四、管路中的总压力损失第三节：液体流动时的压力损失四、管路中的总压力损失第三节：液体流动时的压力损失四、管路中的总压力损失分析：各项压力损失的大小，得出：此值很小

此值很小

返回本节第四节：流体经小孔和缝隙的流量第四节液体流经小孔和缝隙的流量

在液压系统中，常常利用液体流经阀的小孔或缝隙来控制流量和压力达到调速和调压的目的。液压元件的泄漏也属于缝隙流动。因而研究小孔或缝隙的流量计算，了解其影响因素，对正确分析液压元件和系统的工作性能、合理设计液压系统是很有必要的。

一、液体流过小孔的流量：二、液体流过缝隙的流量：返回本章第四节：流体经小孔和缝隙的流量1.薄壁小孔的流量计算当小孔的长径比l/d<0.5时，称为薄壁孔。第四节：流体经小孔和缝隙的流量2.流经短孔、细长孔的流量计算当0.5<l/d<4时，为短孔当l/d>4时，为细长孔

q=KATΔPm

第四节：流体经小孔和缝隙的流量二、液体流过缝隙的流量

在液压装置的各零件之间，特别是有相对运动的各零件之间，一般都存在缝隙（或称间隙）。油液流过缝隙就会产生泄漏，这就是缝隙流量。由于缝隙通道狭窄，液流受壁面的影响较大，故缝隙液流的流态均为层流。缝隙流动有两种状况：一种是由缝隙两端的压力差造成的流动，称为压差流动；另一种是形成缝隙的两壁面作相对运动所造成的流动，称剪切流动。这两种流动经常会同时存在。第四节：流体经小孔和缝隙的流量（一）液体流过平行平板缝隙的流量液体流经平板缝隙流速计算的通式为：在计算液体流过平行平板缝隙的流量时,平板缝隙可以由固定的两平行平板所形成,也可由相对运动的两平行平板所形成。第四节：流体经小孔和缝隙的流量1.液体流过固定平行平板缝隙的流量

由压差引起的流动p1>p2，Δp=p1－p2

，将边界条件，y=0,u=0；y=h,u=0,分别代入通式求出常数C1、C2得流量和压力损失的计算公式：第四节：流体经小孔和缝隙的流量2.液体流过相对运动的平行平板缝隙的流量(1)剪切流动：(2)既有压差流动，又有剪切流动：第四节：流体经小孔和缝隙的流量（二）液体流过圆环缝隙的流量

在液压元件中，如液压缸的活塞和缸孔之间，液压阀的阀芯和阀孔之间，都存在圆环缝隙。圆环缝隙有同心和偏心的两种情况，它们的流量公式不同。1.流过同心圆环缝隙的流第四节：流体经小孔和缝隙的流量2.流过偏心圆环缝隙的流量

当e=0时，它就是同心圆环缝隙的流量公式；当e=1时，即在最大偏心情况下，其压差流流量为同心圆环缝隙压差流量的2.5倍。第四节：流体经小孔和缝隙的流量3.圆环平面缝隙流量第四节：流体经小孔和缝隙的流量例题第四节：流体经小孔和缝隙的流量例题第四节：流体经小孔和缝隙的流量例题第四节：流体经小孔和缝隙的流量例题返回本节第五节：液压冲击和空穴现象第五节液压冲击和空穴现象

在液压传动系统中，液压冲击和空穴现象会给系统的正常工作带来不利影响，因此需要了解这些现象产生的原因，并采取措施加以防治。返回本章第五节：液压冲击和空穴现象一、液压冲击

在液压系统中，由于某种原因，系统的压力在某一瞬间会突然急剧上升，形成很高的压力峰值，这种现象称为液压冲击。第五节：液压冲击和空穴现象1.危害

当系统产生液压冲击时，瞬时的压力峰值有时要比正常工作压力大很多倍。这往往会引起机械振动，产生噪声，使管接头松动；有时还会引起某些液压元件的误动作，降低系统的工作性能。严重时会造成油管、密封装置及液压元件的损坏；产生空穴、气蚀现象。第五节：液压冲击和空穴现象2.冲击压力假设系统的正常工作压力为p,产生液压冲击时的最大压力,即压力冲击波第一波的峰值压力为(1)管道阀口关闭时的液压冲击第五节：液压冲击和空穴现象2.冲击压力(2)运动部件制动时的液压冲击式中因忽略了阻尼和泄漏等因素,计算结果偏大,但比较安全。

第五节：液压冲击和空穴现象3.减小液压冲击的措施

主要措施有：（1）延长换向阀换向时间。实践证明，运动部件制动换向时间若能大于0.2s,冲击就大为减轻。（2）在液压元件结构上采取一些措施，如在液压缸中设置节流缓冲装置，以减小流速的突然变化。（3）在易产生液压冲击的地方，设置溢流阀或蓄能器。（4）尽量缩短管路长度，减少管路弯曲，采用橡胶软管。第五节：液压冲击和空穴现象二、空穴现象

在液压系统中，如果某处的压力低于空气分离压时，原先溶解在液体中的空气就会分离出来，导致液体中出现大量气泡的现象，称