《液体流体力学基础》课件.ppt

1、液体流体力学基础PPT课件教学要求 液压传动是以液体作为工作介质进行能量的传递。液压传动是以液体作为工作介质进行能量的传递。1 1、了解液体的物理性质，静压特性、方程、传递、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、压力表达式和结论律，掌握静力学基本方程、压力表达式和结论；2 2、了解流动液体特性、传递规律，掌握动力学三、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；大方程、流量和结论；3 3、了解流量公式、特点、两种现象产生原因，掌、了解流量公式、特点、两种现象产生原因

2、，掌握薄壁孔流量公式及通用方程、两种现象的危害及握薄壁孔流量公式及通用方程、两种现象的危害及消除。消除。重点、难点 液压油的粘性和粘度液压油的粘性和粘度 粘温特性粘温特性 静压特性静压特性 压力形成压力形成 静力学基本方程静力学基本方程 流量与流速的关系，三大方程的流量与流速的关系，三大方程的形式及物理意义形式及物理意义本章目录第一节 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

3、要内容：流体的密度和重度 液体的密度液体的密度 VM液压油的密度为900kg/m3n液体的重度VG液压油的重度为8800N/m3n重度与密度的关系g液体的可压缩性 液体的弹性模量液体的弹性模量K KllplAlAAFVVpK/l液体产生单位体积相对压缩量所需的压力增量l液压油弹性模量为K=(1.42.0)X109Pal等效（常用）弹性模量为K=(1.42.0)X109Pa液体的粘性和粘度液体的粘性液体的粘性yuAFdd 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yudd内摩擦力内摩擦应力牛顿液体内摩擦定律液体的粘度 度量液体粘性大小的物理量度量液体粘性大小的物理

4、量l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：/dydu=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。=cSt单位：m2/s,cSt6101=s2/m 对同一种介质，其运动粘度新旧牌号对比如下表所示：新新 N7 N10 N15 N20 N32 N46 N65 N100 N150旧旧 5710152030406080 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。相对粘度相对粘度 雷式粘度雷式粘度R英国、欧洲英国、欧洲 赛式粘度赛式粘度SSU美国美国 恩式粘度恩式粘度o oE俄国、德国、中国

5、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（2.8mm）所用时间t1，与同体积20摄氏度的水通过小孔所用时间t2之比。t1.3.几点说明l 恩氏粘度与运动粘度关系：61031.631.7EEl 影响粘度的因素l 调和油的粘度新油掺配后组成（和由EbaEbEaEEEEcbEaEE)%)(100)(21212121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、压力液压油的要求 对液压油液的要求对液压油液的要求 粘温特性好粘温特性好 有良好的润滑性有良好的润滑性 成分要纯净成分要纯净 有良好的化学稳定性有良好的化学稳定性

6、 抗泡沫性和抗乳化性好抗泡沫性和抗乳化性好 材料相容性好材料相容性好 无毒，价格便宜无毒，价格便宜 液压油的类型和选用l液压油的类型石油型液压油 合成型液压油乳化型液压油l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液压油的污染及控制l 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l 液压油的污染源系统残留物外界侵入物内部生成物l 污染的

7、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二节 液体静力学基础n 压力的概念n 压力的分布n 压力的表示n 压力的传递n 压力的计算压力的概念AFpAlim0 静止液体在单位面积上所受的法向力称为静压力。（A0）若在液体的面积A上所受的作用力F 为均匀分布时，静压力可表示为：p=F/A 液体静压力在物理学上称为压强，工程实际应用中习惯称为压力。液体静压力的特性：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。压力的分布)(AghApApo（压力随深度线性增加；等深等压。）静压力基本方程式 p=p0+gh 重力作用下静止液体压力分布特征：压力由两

8、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；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/g+h 保持不变，即能量守恒。压力的表示1 1）按测量方式表示）按测量方式表示 水柱高度（水柱高度（m m)、水银柱高度、水银柱高度（mmmm)单位面积受力值（帕单位面积受力值（帕PaPa、兆帕、兆帕MPaMPa、工程大气压、工程大气压atat）2 2）按测量基准不同表示）按测量基准不同表示 p pp pa a p p表压表压=p p相对相对=p p绝对绝对 p pa a p pp pa a p

9、p真空度=p p相对=p pa p p绝对绝对例2-1 图2-3所示的容器内充有油液。已知油液的密度 900kg/m3，活塞上受到的重物作用力W10000N，活塞直径d=0.2m，忽略活塞的重量，比较活塞下方深度h1=1m和h2=0.1m处的压力。w2a1b21wa2wb318310 Pa(0.2)4Pa(3183108820)Pa(318310882)Pa100009009.8 188209009.80.1882Pa327130Pa319192PaWpAggphphpppppp 图2-3 液体内压力计算图结论：当外加在液体上的力比液体重力作用所产生的压力大很多时，重力的作用可以忽略不计第一节

10、 静止液体力学压力的传递静止液体静止液体密闭容器内压力等值传递。密闭容器内压力等值传递。流动液体流动液体压力传递时考虑压力损失。压力传递时考虑压力损失。例例 已知：已知：=900kg/m=900kg/m2 2 F F=10001000NN,A,A=1X101X10-3-3mm2 2 求：在求：在h h=0.50.5mm 处处p p=?=?解解 表面压力：表面压力：p p0 0=F/AF/A=1000/1x101000/1x10-3-3=10106 6 N/mN/m2 2 h h处的压力：处的压力：p p=p p0 0+ghgh=10106 6 PaPa帕斯卡原理帕斯卡原理 在密闭容器内，施加于

11、静止液体的在密闭容器内，施加于静止液体的压力可以等值地传递到液体各点。压力可以等值地传递到液体各点。这就是帕斯卡原理，也称为这就是帕斯卡原理，也称为静压传静压传递原理递原理。图示是应用帕斯卡原理的图示是应用帕斯卡原理的实例，作用在大活塞上的负载实例，作用在大活塞上的负载F F1 1形形成液体压力成液体压力p p=F F1 1/A/A1 1。为防止大活塞为防止大活塞下降，在小活塞上应施加的力下降，在小活塞上应施加的力 F F2 2=pApA2 2=F F1 1A A2 2/A A1 1。由此可得：由此可得：液压传动可使力放大，可使力缩液压传动可使力放大，可使力缩小，也可以改变力的方向。小，也可以

12、改变力的方向。液体内的压力是由负载决定的。液体内的压力是由负载决定的。帕斯卡原理应用已知：D=100mm,d=20mm,G=5000kg 求：F=？G=mg=50005000kgx9.89.8m/s2 =49000=49000N 由p1=p2 则F/(d2/4/4)=G/（D2/4/4)F=(d2/D2)G =(20=(202 2/100/1002 2)49000=1960N)49000=1960N压力的计算 液体和固体壁面接触时，固液体和固体壁面接触时，固体壁面将受到液体静压力的作体壁面将受到液体静压力的作用。用。XxxpAplrplrFF2dcosd2/2/2/2/F=pAx 当固体壁面为

13、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：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

14、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。实验2.2.迹线、迹线、流线、流束、流管、通流截面：流线、流束、流管、通流截面：迹线：迹线：液流中某一质点运动过程中所划过的空间轨液流中某一质点运动过程中所划过的空间轨迹。迹。流线：流线：液流中各质点的速度方向相切的曲线。液流中各质点的速度方向相切的曲线。流束：流束：许多流线组成的一束曲线。许多流线组成的一束曲线。流管：流管：通过一条封闭曲线的密集流线束。通过一条封闭曲线的密集流线束。通流截面：通流截面：垂直于流动方向

15、的截面，也称为过流截垂直于流动方向的截面，也称为过流截面。面。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。AAuqdAqAAuvdAqv1 1）实验实验2 2）流态）流态 层流：层流：分层、稳定、分层、稳定、无横向流动。无横向流动。湍流：不分层、不稳定、有横向流动。湍流：不分层、不稳定、有横向流动。3 3）判定流态）判定流态 雷诺数雷诺数ReRe 临界雷诺数临界雷诺数ReRec c 判定方法判定方法 Re Re ReRec c湍流湍流4

16、、液体的流态vdRe vdRe物理意义Re无量纲 非圆管截面 eRvR 液体在管内作恒定流动，液体在管内作恒定流动，任取任取1 1、2 2两个通流截面，两个通流截面，根据质量守恒定律，在单根据质量守恒定律，在单位时间内流过两个截面的位时间内流过两个截面的液体流量相等，即：液体流量相等，即：流体的连续方程依据：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。1v1 A1=2v2 A2 不考虑液体的压缩性，则得 q=v A=常量流体的伯努利方程1、理想液体微小流束伯努利方程 假设：理想液体作恒定流动 依据：能量守恒定律 推导：

17、研究流束段ab在时间dt内流到ab 外力对流束段ab所做的功W 流束段aa-bb能量的变化E 动能 位能 外力做功=能量变化W=E gg2222121h2uph2up1)pt(pqW quAuAtuAptuApsApsApW21221122221111222111dd dd而dddddddddthqthqE2utq2utqE12221221dgddgddddd所以2、实际液体伯努利方程pghpghpvv22222211112121 实际液体：有粘性、可压缩、非稳定流动。速度修正:动能修正系数 平均流速代替实际流速，考虑能量损失hw ghghpghupwu222221112221m2v2动量方程

18、)(1122vvqF依据：动量定理m1v1Ft12121122vvqvvtVVmtvmvmF12-动量修正系数，湍流=1，层流=4/3t(mv)Fdd 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：例题：阀芯打开时受力分析1 1.液体受力液体受力 F Fx x=q(q(2 2v v2 2coscos90901 1v v1 1coscos)取取1 1=1=1 则则 F Fx x=q q1 1v v1 1coscos2 2.阀芯受力阀芯受力 F Fx x=F Fx x=q q1 1v v1 1coscos 指向使阀芯关闭的方向指向使阀芯关闭的方向第四节 液体流动时的压力损失 由于流

19、动液体具有粘性，以及流动时突然转弯或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。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压力损失即是伯努利方程中的h hww项。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1 1）实验）实验2 2）流态）流态

20、 层流：层流：分层、稳定、分层、稳定、无横向流动。无横向流动。湍流：不分层、不稳定、有横向流动。湍流：不分层、不稳定、有横向流动。3 3）判定流态）判定流态 雷诺数雷诺数ReRe 临界雷诺数临界雷诺数ReRecr cr 判定方法判定方法 Re Re ReRecrcr湍流湍流vdRe 流态，雷诺数n雷诺实验装置实验装置 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Recr。当ReRecr为层流；ReRecr

21、为湍流。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tu2ruAFddrddFrpp22122max22rRd16 pR4 pu0r)r(R4 prr2 purr2 pull时ldldld则沿程压力损失 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。.2.2.管中液体的平均流速管中液体的平均流速3.3.沿程压力损失沿程压力损失 pl32dpl128d/4d1Aqvpl128dRl8pr)rr(Rl4p2qr)rr(Rl4p2rdru2Auq24244R02222流速ddd流量d22/6432222vdlvdlddlv

22、p4.4.沿程压力损失系数沿程压力损失系数 对于层流对于层流 理论值理论值=64/=64/ReRe；金属管；金属管=75/=75/ReRe;橡胶管橡胶管=80/=80/ReRe 对于湍流对于湍流 光滑管光滑管=0.3164=0.3164ReRe-0.25-0.25 粗糙管局粗糙管局ReRe和和/d d从手册上查取从手册上查取22vdlp 液体流经管道的弯头、接头、阀口等处时，液液体流经管道的弯头、接头、阀口等处时，液体流速的大小和方向发生变化，会产生漩涡并体流速的大小和方向发生变化，会产生漩涡并发生紊动现象，由此造成的压力损失称为局部发生紊动现象，由此造成的压力损失称为局部压力损失。压力损失。

23、p p=v v 2 2/2 2为局部阻力系数，其数值可查有关手册。为局部阻力系数，其数值可查有关手册。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压力下的压力损失p pn n来换算：来换算：p pv v=p pn n（q q/q qn n ）2 2局部压力损失总压力损失 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）。vpppp22vdl22v2nnqqp+第五节 液体流经小孔和缝隙的流量 小孔：薄壁孔薄壁孔(l/dl/d0.5)0.5)细长孔细长孔 (l/dl/d44）短

24、孔（短孔（0.50.5l/dl/d44)1.1.薄壁孔薄壁孔(l/dl/d0.5)0.5)水平放置水平放置 h h1 1=h h2 2;管径变化大管径变化大 v v1 110 10 5 5时，可以认为是不变的常数，计算时按时，可以认为是不变的常数，计算时按C Cq q=0.600.620.600.62选取；不完全收缩选取；不完全收缩(d d1 1/d d7)7)，C Cq q=0.70.8=0.70.8。薄壁小孔因沿程阻力损失小，薄壁小孔因沿程阻力损失小，流量流量对油温变化不敏感，因此多对油温变化不敏感，因此多被用作调节流量的节流器。被用作调节流量的节流器。112TCVqAACCCplA312

25、8pdqT42l2.细长孔 (l/d4）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。4.4.小孔流量通用公式小孔流量通用公式 pKAqTm细长孔 薄壁孔短孔lKmd32123.短孔（0.5l/d4)P2CAqqTCq应按曲线查得，雷诺数较大时，Cq基本稳定在0.8 左右。短管常用作固定节流器25.0CqKmp12by)ydy(2pbyubqy)y(2pulplppxp0;u时y；0u时0yCyCyxp21uxp1yuyu而xdpyxbyp)b(px)b(ypb3001221222lldldddd积分后得dddd因此ddddd整理后得ddddddbuplbq

26、032112流体流过缝隙流量1.平行扳缝隙流量du21)1.5p(112dq023ldu21p12dq03l2.同心环缝隙流量3.偏心环缝隙流量第六节、液压冲击与空穴现象一、一、液压冲击液压冲击 1 1、含义、含义：由于某种原因致使压力突然增高的现象。pmax=p+p 2 2、原因、原因：管道阀门关闭p=cv 运动部件制动 c c=900900 1400m/s1400m/s 3 3、后果、后果：产生噪声，影响元件和系统寿命。4 4、措施、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。tAvmp)(1vvcp二、空穴现象二、空穴现象 原因：因为系统内某点的压力突然降

27、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 h，加大管径d d，限制液体流速v v，防止空气进入。四、动量方程四、动量方程 212211dddddVAAFVuAu At21uuu1 取控制体作为研究对象2 经过dt时间控制体内液体的动量变化3 应用动量定理4 动量修正系数22dddmAAu mu u AuAmvvAvv A5 整理后的动量方程221 1dd()dVFu Vqvvt四、动量方程6 作恒定流动的液体7 与其接触的固体壁面上的作用力F221 1()FqvvFF 第二节 流动液体力学第二节 流动液体力学例2-8

28、第三节 流动液体的能量损失一、液体的流动状态一、液体的流动状态 1 雷诺实验 层流 紊流 2 雷诺数 vdRe4vRReAR非圆截面管道水力半径圆管第三节 流动液体的能量损失二、流动液体的沿程压力损失二、流动液体的沿程压力损失（一）层流流动时的运动规律和沿程压力损失221220r pr prl12ppp 22()4puRrl1 取研究对象2 受力分析3 应用牛顿定理令4 积分dd2pur rl 由液体内摩擦定理图2-16 圆管中的层流第三节 流动液体的能量损失5 圆管中的流量6 圆管通流截面上的平均速度7 沿程压力损失公式 40d()2 d4128RAdpqu ARrr rpll232dqvp

29、Al22322vllpvdd结论：层流时沿程压力损失与速度的一次方成正比 第三节 流动液体的能量损失（二）紊流状态下的沿程压力损失三、流动液体的局部压力损失1 局部的概念2 损失的机理3 计算公式22vp22vlpd结论：局部压力损失与速度的二次方成正比 第三节 流动液体的能量损失四、管路系统中总的压力损失四、管路系统中总的压力损失注意问题：应用上式时，只有在两个相邻局部障碍之间的长度大于管道直注意问题：应用上式时，只有在两个相邻局部障碍之间的长度大于管道直径的径的10102020倍时，该式才是正确的。倍时，该式才是正确的。2222lvvpd 第三节 流动液体的能量损失五、串联和并联管路的特点

30、五、串联和并联管路的特点串联：并联：123123qqqqpppp 12312123qqqqppppp 第三节 流动液体的能量损失解 此类问题用实际液体的伯努利方程求解方便。1）选取研究截面2）判断所选截面处的液流状态 3）对所选截面列出伯努利方程，并对各参数进行分析4）把截面上各参数代入伯努利方程，并整理s/m08.160)1025(14.3103242332Aqv吸油管的流速v2为32625 101.081350232020 10v dRewhgvpzgvpz222222221111220225 21.08 9000.59009.80.11014935Pa 2vpphgp 第四节 流动液体过

31、孔口和缝隙的液流特性一、液体流经孔口的液流特性一、液体流经孔口的液流特性分类：薄壁孔，细长孔，短孔（一）薄壁孔的压差-流量特性221 1221212w22ppvvzzhgg212122()1vvppCp22c12d22()vqv AC C AppC Ap1 伯努利方程2 过小孔流速3 过小孔流量方程第四节 流动液体过孔口和缝隙的液流特性（二）细长孔和短孔的压差-流量特性 短孔：（三）孔口通用压差-流量特性公式4128dpql细长孔d2qC Ap其中：Cd=0.70.8TqCAp第四节 流动液体过孔口和缝隙的液流特性二、液体流经缝隙时的液流特性二、液体流经缝隙时的液流特性（一）平行平板间的压差流

32、动特性1 取微小单元体2 受力分析3 力平衡方程4 整理5 两次积分 6 缝隙的流量d(d)dd(d)d0p ypp yxxd/duy22d1 dddupyx2puhy yl30d12hbhqub ypl剪应力图2-21 平行平板间的液流第四节 流动液体过孔口和缝隙的液流特性（二）平行平板间的剪切流动特性（三）平行平板间的压差剪切流动特性00d2hbhqub yu30122bhbhqpul“”号的确定如下：当移动平板运动的方向和压差降低的方向相同时取“+”号，相反时取“-”号。第四节 流动液体过孔口和缝隙的液流特性（四）圆环缝隙的液流特性1同心圆环缝隙的液流特性30120dhuqpl当时301

33、22dhdhqpul 图2-23 同心环形缝隙间的液流第四节 流动液体过孔口和缝隙的液流特性2流过偏心圆环缝隙的液流特性见教材 图2-24 偏心环形缝隙间的液流第五节 空穴现象和液压冲击一、空穴现象一、空穴现象1 空穴现象 空气分离压 饱和蒸汽压2 产生空穴的原因3 空穴的危害4 空穴的防止二二 、液压冲击、液压冲击1 液压冲击现象2 产生冲击的原因3 冲击力大小的计算第五节 空穴现象和液压冲击（1）液流通道迅速关闭时产生的液压冲击 1pAtAlv1vplcvt 11KcdKE动量定理整理冲击波的传播速度图2-25 液流速度突变引起的液压冲击第五节 空穴现象和液压冲击（2）运动部件制动时的液压冲击感谢下感谢下载载