02 液体流体力学基础.pptx

第1页：液压流体力学基础

液压流体力学基础

液压流体力学基础本章目录教学要求重点难点液压传动是以液体作为工作介质进行能量传递的，因而，了解液体的物理性质，掌握液体在静止和运动过程中的基本力学规律，对于正确理解液压传动的基本原理，合理设计和使用液压系统都非常必要。

第2页：教学要求

教学要求

教学要求液压传动是以液体作为工作介质进行能量的传递。1、了解液体的物理性质，静压特性、方程、传递规律，掌握液体在静止和运动过程中的基本力学规律，掌握静力学基本方程、压力表达式和结论；2、了解流动液体特性、传递规律，掌握动力学三大方程、流量和结论；3、了解流量公式、特点、两种现象产生原因，掌握薄壁孔流量公式及通用方程、两种现象的危害及消除。

第3页：重点与难点

重点与难点

• 液压油的粘性和粘度
• 粘温特性
• 静压特性
• 压力形成
• 静力学基本方程
• 流量与流速的关系，三大方程的形式及物理意义

第4页：本章目录

本章目录

本章目录第一节液体的物理性质第二节流体静力学基础第三节流体动力学基础第四节液体流动时的液力损失第五节液体流经小孔和缝隙的流量第六节液压冲击和空穴现象

第5页：第一节液体的物理性质

第一节液体的物理性质

• 流体的密度和重度
• 液体的可压缩性
• 液体的粘性和粘度
• 液压油的类型和选用
• 液压油的污染和控制
• 液压油的要求主要内容：

第6页：流体的密度和重度

流体的密度和重度

• 液体的密度液压油的密度为900kg/m
• 液体的重度液压油的重度为8800N/m
• 重度与密度的关系

第7页：液体的可压缩性

液体的可压缩性

• 液体的弹性模量K
• 液体产生单位体积相对压缩量所需的压力增量
• 液压油弹性模量为K=(1.4~2.0)X109Pa
• 等效（常用）弹性模量为K'=(1.4~2.0)X109Pa

（本页含图示，源文件未提取到图注文字，建议对照原图补充。）

第8页：液体的粘性

液体的粘性

液体的粘性和粘度液体的粘性液体在外力作用下流动时，液体分子间的内聚力（内摩擦力）阻碍其相对运动的性质内摩擦力内摩擦应力

（本页含图示，源文件未提取到图注文字，建议对照原图补充。）

第9页：液体的粘度

液体的粘度

• 动力粘度单位速度梯度上的内摩擦力;是表征液体粘性的内摩擦系数。PaS单位：/dyduτμ=
• 运动粘度动力粘度与密度之比值，没有明确的物理意义,但是工程实际中常用的物理量。=ρμνcSt单位：m2/s,cSt6101=s2/m

勘误：运动粘度单位与换算式在源文件中乱码（“cSt 6101=s2/m”），标准关系为 1 m²/s = 10⁶ cSt，建议对照教材核对。

第10页：运动粘度新旧牌号对比

运动粘度新旧牌号对比

对同一种介质，其运动粘度新旧牌号对比如下表所示：N150N100N68N46N32N20N15N10N7新8060403020151075旧一般地，同一种介质比较大小时常用运动粘度,不是同一种介质比较大小时一般用动力粘度。

（本页含表格数据，源文件数字连排，表格待人工还原后替换本段说明。）

第11页：相对粘度

相对粘度

相对粘度雷式粘度〞R——英国、欧洲赛式粘度SSU——美国恩式粘度oE——俄国、德国、中国单位：无量纲t2oE200ml温度为T的被测液体,流经恩氏粘度计小孔（φ2.8mm）所用时间t1，与同体积20度的水通过小孔所用时间t2之比。t1

第12页：

第13页：

第14页：粘度的影响因素

粘度的影响因素

• 三种粘度之间的关系
• 影响粘度的因素
• 调和油的粘度粘度随着温度升高而显著下降（粘温特性）粘度随压力升高而变大（粘压特性）温度、压力

勘误：本页小节编号在源文件中显示为“.3.”，按上下文应为“3.”，内容涉及三种粘度关系、影响因素与调和油粘度。

第15页：液压油的要求

液压油的要求

• 对液压油液的要求
• 粘温特性好
• 有良好的润滑性
• 成分要纯净
• 有良好的化学稳定性
• 抗泡沫性和抗乳化性好
• 材料相容性好
• 无毒，价格便宜

第16页：液压油的类型和选用

液压油的类型和选用

• 液压油的类型
• 石油型液压油
• 合成型液压油
• 乳化型液压油
• 液压油的选用
• 合适的类型（油型）
• 适当的粘度（油号）（参见教材中表2-2油的类型及指标）液压系统的工作压力—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。运动速度—速度高，选用粘度较低的液压油。液压泵的类型—各类泵适用的粘度范围见教材中表2-3。环境因素运动性能设备种类

第17页：液压油的污染及控制

液压油的污染及控制

• 液压油污染的危害造成系统故障降低元件寿命使液压油变质影响工作性能
• 液压油的污染源系统残留物外界侵入物内部生成物
• 污染的控制彻底清洗系统保持系统清洁定期清除污物定期换油

第18页：第二节流体静力学基础

第二节流体静力学基础

• 压力的概念
• 压力的分布
• 压力的表示
• 压力的传递
• 压力的计算

第19页：压力的概念

压力的概念

• 液体静压力垂直于承压面，方向为该面内法线方向。
• 液体内任一点所受的静压力在各个方向上都相等。

（本页含图示，源文件未提取到图注文字，建议对照原图补充。）

第20页：压力的分布

压力的分布

• 静压力基本方程式p=p
• ρgh
• 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ρgh；
• 液体内的压力与液体深度成正比；
• 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，重力作用下静止液体的等压面为水平面；
• 静止液体中任一质点的总能量p/ρg
• h保持不变，即能量守恒。

第21页：压力的表示

压力的表示

• 水柱高度（m)、水银柱高度（mm)
• 单位面积受力值（帕Pa、兆帕MPa、工程大气压at）2）按测量基准不同表示
• p>p0p表压=p相对=p绝对–p
• p

第22页：压力的传递静止液体

压力的传递静止液体

ρgh=106Pa帕斯卡原理

勘误：原文算例中液体密度单位写作 kg/m²，按标准应为 kg/m³（液压油 ρ≈900 kg/m³）；同时 p=p₀+ρgh 计算仅保留了液面压力项，h=0.5 m 处还应叠加 ρgh≈4.4×10³ Pa。

第23页：帕斯卡原理在密闭容器内

帕斯卡原理在密闭容器内

• 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。

第24页：帕斯卡原理应用已知

帕斯卡原理应用已知

帕斯卡原理应用已知：D=100mm,d=20mm,G=5000kg求：F=？G=mg=5000kgx9.8m/s2=49000N由p1=p2则F/(πd2/4)=G/（πD2/4)F=(d2/D2)G=(202/1002)49000=1960N

（本页含表格数据，源文件数字连排，表格待人工还原后替换本段说明。）

第25页：压力的计算

压力的计算

压力的计算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。F=pAx当固体壁面为平面时，液体压力在该平面的总作用力F=pA，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=pAx，Ax为曲面在该方向的投影面积。

（本页含图示，源文件未提取到图注文字，建议对照原图补充。）

第26页：第三节流体动力学基础

第三节流体动力学基础

第三节液体动力学基础液体的流态与流速流体的动量方程流体的伯努利方程流体的连续方程流体动力学主要研究液体流动时流速和压力的变化规律。流动液体的连续性方程、伯努利方程、动量方程是描述流动液体力学规律的三个基本方程式。前两个方程反映了液体的压力、流速与流量之间的关系，动量方程用来解决流动液体与固体壁面间的作用力问题。主要内容：

第27页：理想液体与稳定流动

理想液体与稳定流动

液体的流态和流速1.理想液体、稳定流动理想液体：假设的既无粘性又不可压缩的流体称为理想流体。实际液体：有粘度、可压缩的液体稳定流动：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，称为定常流动或非时变流动。（实验）非稳定流动：压力、速度、密度随时间变化的流动。

第28页：雷诺实验装置

雷诺实验装置

实验

第29页：流线、流束与通流截面

流线、流束与通流截面

2.流线、流束、流管、通流截面：流线：液流中各质点的速度方向相切的曲线。流束：许多流线组成的一束曲线。流管：通过一条封闭曲线的密集流线束。通流截面：垂直于流动方向的截面，也称为过流截面。

第30页：流量与平均流速

流量与平均流速

3.流速、流量流量：单位时间内流经某通流截面流体的体积，流量以q表示，单位为m3/s或L/min。流速：流体质点单位时间内流过的距离，实际流体内各质点流速不等。平均流速：通过流体某截面流速的平均值。

（本页含图示，源文件未提取到图注文字，建议对照原图补充。）

第31页：层流与湍流

层流与湍流

• 层流：分层、稳定、无横向流动。
• 湍流：不分层、不稳定、有横向流动。3）判定流态
• 雷诺数Re
• 临界雷诺数Rec
• 判定方法ReRec——湍流

第32页：雷诺数的物理意义

雷诺数的物理意义

物理意义Re无量纲非圆管截面

第33页：流体的连续方程

流体的连续方程

液体在管内作恒定流动，任取1、2两个通流截面，根据质量守恒定律，在单位时间内流过两个截面的液体流量相等，即：依据：质量守恒定律结论：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。ρ1v1A1=ρ2v2A2不考虑液体的压缩性，则得q=vA=常量

第34页：伯努利方程推导

伯努利方程推导

• 外力对流束段ab所做的功W
• 流束段aa‘-bb’能量的变化ΔE动能位能
• 外力做功=能量变化W=ΔE所以

（本页含图示，源文件未提取到图注文字，建议对照原图补充。）

第35页：实际液体

实际液体

2、实际液体伯努利方程实际液体：有粘性、可压缩、非稳定流动。速度修正:α动能修正系数平均流速代替实际流速，考虑能量损失hwghghpghupwu222221112

（本页含图示，源文件未提取到图注文字，建议对照原图补充。）

第36页：动量方程

动量方程

m2v2动量方程依据：动量定理m1v1Ftβ1β2-动量修正系数，湍流=1，层流=4/3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。推导：

（本页含图示，源文件未提取到图注文字，建议对照原图补充。）

第37页：阀芯受力分析例题

阀芯受力分析例题

例题：阀芯打开时受力分析1.液体受力Fx=ρq(β2v2cos90–β1v1cosθ)取β1=1则Fx=–ρqβ1v1cosθ2.阀芯受力F'x=–Fx=ρqβ1v1cosθ指向使阀芯关闭的方向

第38页：第四节液体流动时的液力损失

第四节液体流动时的液力损失

第四节液体流动时的压力损失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。流态、雷诺数沿程压力损失局部压力损失总压力损失

第39页：流态与雷诺数

流态与雷诺数

雷诺实验装置

第40页：实验装置

实验装置

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——粘性力起主导作用湍流——惯性力起主导作用液体的流动状态用雷诺数判断。如果液流的雷诺数相同，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态的依据，称为临界雷诺数，记为Rec。当Re＜Rec为层流；当Re＞Rec为湍流。常见液流管道的临界雷诺数见教材中表格2-4。

第41页：沿程压力损失

沿程压力损失

1.管道中液体速度分布规律由牛顿内摩擦定律由液柱受力平衡沿程压力损失液体在等直径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损失的计算有所区别。

（本页含图示，源文件未提取到图注文字，建议对照原图补充。）

第42页：管中平均流速

管中平均流速

.2.管中液体的平均流速3.沿程压力损失

（本页含图示，源文件未提取到图注文字，建议对照原图补充。）

第43页：沿程压力损失系数λ

沿程压力损失系数λ

• 对于层流理论值λ=64/Re；金属管λ=75/Re;橡胶管λ=80/Re
• 对于湍流光滑管λ=0.3164Re-0.25粗糙管局Re和Δ/d从手册上查取

（本页含图示，源文件未提取到图注文字，建议对照原图补充。）

第44页：液体流经管道

液体流经管道

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Δpn来换算：Δpv=Δpn（q/qn）2局部压力损失

第45页：总压力损失整个液压系统

总压力损失整个液压系统

总压力损失整个液压系统的总压力损失，应为所有沿程压力损失和所有的局部压力损失之和（通过所有阀、直管、弯管所产生的压力损失之和）。++

（本页含图示，源文件未提取到图注文字，建议对照原图补充。）

第46页：液体流经小孔和缝隙的流量

液体流经小孔和缝隙的流量

第五节液体流经小孔和缝隙的流量小孔：薄壁孔(l/d≤0.5)细长孔(l/d>4）短孔（0.5

（本页含图示，源文件未提取到图注文字，建议对照原图补充。）

第47页：流量系数

流量系数

流量系数CqCv称为速度系数；Cc称为截面收缩系数。流量系数Cq的大小一般由实验确定，在液流完全收缩(d1/d≥7)的情况下，当Re>105时，可以认为是不变的常数，计算时按Cq=0.60~0.62选取；不完全收缩(d1/d≥7)，Cq=0.7~0.8。薄壁小孔因沿程阻力损失小，流量对油温变化不敏感，因此多被用作调节流量的节流器。2.细长孔(l/d>4）液流经过细长孔的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。

（本页含图示，源文件未提取到图注文字，建议对照原图补充。）

第48页：小孔流量通用公式细长

小孔流量通用公式细长

25.0CqKm

（本页含图示，源文件未提取到图注文字，建议对照原图补充。）

第49页：缝隙流量

缝隙流量

流体流过缝隙流量1.平行扳缝隙流量

（本页含图示，源文件未提取到图注文字，建议对照原图补充。）

第50页：同心环缝隙流量

同心环缝隙流量

2.同心环缝隙流量3.偏心环缝隙流量

（本页含图示，源文件未提取到图注文字，建议对照原图补充。）

第51页：第六节液压冲击和空穴现象

第六节液压冲击和空穴现象

Δp2、原因：管道阀门关闭Δp=ρcv运动部件制动c=900~1400m/s3、后果：产生噪声，影响元件和系统寿命。4、措施：延长流体换向时间；缩短管长，加大管径限制管道液体流速；设置缓冲元件。

（本页含图示，源文件未提取到图注文字，建议对照原图补充。）

第52页：空穴现象

空穴现象

二、空穴现象原因：因为系统内某点的压力突然降低，致使液体中析出气泡的现象。后果：气泡压破产生噪声，元件表面产生点蚀。措施：避免压力突降。减小压力降，降低吸油高度h，加大管径d，限制液体流速v，防止空气进入。