1、2022-6-512022-6-51第二章第二章 液压流体力学基础液压流体力学基础液压传动及控制液压传动及控制 液压流体力学液压流体力学 属工程流体力学的范畴，应用流体属工程流体力学的范畴，应用流体力学的理论结果力学的理论结果来来研究液体在液压系统内的研究液体在液压系统内的运动、运动、平衡平衡以及液体与液压元件间的相互作用规律以及液体与液压元件间的相互作用规律液体静力学液体静力学 研究液体在静止状态下的力学规律及研究液体在静止状态下的力学规律及其应用其应用液体动力学液体动力学 研究液体流动时流速和压力的变化规研究液体流动时流速和压力的变化规律律液压流体力学液压流体力学 液体流体力学液体流体力学
2、 液压传动中的应用需要解决的流体力学问题：液压传动中的应用需要解决的流体力学问题： 管道中液流的特性：管道中液流的特性： 用于计算流体在管路中流动时的压力损失用于计算流体在管路中流动时的压力损失 孔口及缝隙的压力流量特性：孔口及缝隙的压力流量特性： 分析节流调速回路性能和计算元件泄露量的理论依据分析节流调速回路性能和计算元件泄露量的理论依据 液压冲击和气穴现象：液压冲击和气穴现象： 如何有效避免有害现象如何有效避免有害现象 液体液体静压力的特性静压力的特性： 液体液体静压力垂直于承压面，方向静压力垂直于承压面，方向为该面内法线方向为该面内法线方向。 液体液体内任一点所受的静压力在各内任一点所受
3、的静压力在各个方向上都相等。个方向上都相等。静压力及其特性静压力及其特性液体静力学是液体静力学是研究静止液体的力学规律以及这些规律的应用。这里所说的静止液体是指液体内部质点间没有相对运动而言，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。2.1 2.1 液体静力学液体静力学 在重力作用下的静止液体，其受在重力作用下的静止液体，其受力情况如图力情况如图2.1a2.1a所所示：示： 液体重力液体重力 液面液面上的上的压力压力 容器容器壁面作用在液体上的壁面作用在液体上的压力压力 2.1 液体静力学液体静力学 静压力的基本方程静压力的基本方程图图2.12.1重力作用下的静止液体重力作用下
4、的静止液体如要求出液体内离液面深度为如要求出液体内离液面深度为h h的的某一点压力，可以从液体内取出某一点压力，可以从液体内取出一个底面通过该点的垂直小液柱一个底面通过该点的垂直小液柱作为控制体作为控制体。 2.1 液体静力学液体静力学 静压力的基本方程静压力的基本方程 图图2.12.1重力作用下的静止液体重力作用下的静止液体这个小液柱在重力及周围液体的这个小液柱在重力及周围液体的压压力的作用力的作用下处于平衡状态，其在垂下处于平衡状态，其在垂直方向上的力平衡方程式为直方向上的力平衡方程式为 ：0gp ApAh A式中，式中，g gh hA A为小液柱的重力。为小液柱的重力。上式化简后得：上式
5、化简后得： hppg0式（式（2.32.3）是液体静压力基本方程式）是液体静压力基本方程式 2.1 液体静力学液体静力学 静止静止液体液体中中的压力的压力分布分布 压力随深度压力随深度线性增加；线性增加；等深等压。等深等压。 2.1 液体静力学液体静力学 静止静止液体液体中中的压力的压力分布分布 例例2.12.1（教材（教材P15P15） 已知：油已知：油=900kg/m=900kg/m3 3, , F=1000NF=1000N，A=1A=11010-3-3m m2 2，忽略活塞的质量。求：，忽略活塞的质量。求：在在h=0.5mh=0.5m处的处的P=?P=?解解：（：（1 1）活塞和液面接触
6、处的压力为：）活塞和液面接触处的压力为： p p0 0=F/A=1000=F/A=1000/(/(1 11010-3-3) )=10=106 6(Pa)(Pa) （2 2）h h处的压力：处的压力： p=pp=p0 0+ +gh=1.0044gh=1.004410106 6N/mN/m2 210106 6 PaPa从上面可以看到，从上面可以看到，液体在受压情况下液体在受压情况下，其液，其液柱高度所引起的那部分压力相当小，可以忽柱高度所引起的那部分压力相当小，可以忽略不计，并认为整个静止液体内部的压力是略不计，并认为整个静止液体内部的压力是近乎相等的。近乎相等的。 2.1 液体静力学液体静力学
7、静止静止液体液体中中的压力的压力分布分布 例：如图所示，有一直径为例：如图所示，有一直径为d d，重量为重量为G G的活塞侵在液体中，的活塞侵在液体中，并在力并在力F F的作用下处于静止状的作用下处于静止状态，若液体的密度为态，若液体的密度为，活，活塞侵入深度为塞侵入深度为h h，试确定液体，试确定液体在测量管内的上升高度在测量管内的上升高度x x。xFdGh解：对活塞进行受力分析，解：对活塞进行受力分析，活塞受到向下的力：活塞受到向下的力： F F下下F FG G活塞受到向上的力：活塞受到向上的力：由于活塞在由于活塞在F F作用下受力平衡，作用下受力平衡，则：则：F F下下F F上上，所以：
8、，所以：42dxhgF上hgdGFx24 （1）压力单位）压力单位 国际单位：国际单位：帕（帕（Pa=N/m2）、千帕（）、千帕（kPa）、兆帕（）、兆帕（MPa） 工程单位：工程单位：公斤力公斤力/厘米厘米2（kgf/cm2）、巴（）、巴（bar）或工程大）或工程大气压（气压（at） 1at=1Kgf/cm2=9.81104Pa=10mH2O=0.1MPa 1bar=105Pa=0.1MPa 1bar=1.02kgf/cm2 1atm(标准大气压标准大气压)=0.986923105Pa 液液柱柱高：高： 1mH2O(米水柱米水柱)=9.8103Nm2 1mmHg(毫米汞柱毫米汞柱)=1.33
9、102Nm22.1 液体静力学液体静力学 压力的表示方法压力的表示方法 静压力在物理学上称压强工程中习惯称为压力1公斤压力=0.1MPa （2）绝对压力、相对压力（表压力）和真空度）绝对压力、相对压力（表压力）和真空度2.1 液体静力学液体静力学 压力的表示方法压力的表示方法 今后，今后，。 图图2.3 2.3 绝对压力与相对压力间的关系绝对压力与相对压力间的关系绝对压力=相对压力+大气压表压力（正的相对压力）=绝对压力-大气压真空度（负的相对压力）=绝对压力-大气压1Kgf/cm2=9.81104Pa 2.1 液体静力学液体静力学 帕斯卡原理帕斯卡原理 在密闭容器内，施加于静止液体的在密闭容
10、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。 这就是这就是，也称为，也称为。由此由此可得：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。液体内的压力是由负载决定的。作用作用在大活塞上的负载在大活塞上的负载F F1 1形成液体形成液体压力压力p p= = F F1 1/A/A1 1。为防止大为防止大活塞下降，在小活塞上应施加的力活塞下降，在小活塞上应施加的力 F F2 2= pA= pA2 2= F= F1 1A A2 2/A/A1 1。应用帕斯卡原理的实例应用帕斯卡
11、原理的实例 总结总结液压流体力学液体静力学液体动力学静压力基本方程帕斯卡原理静压力及其特性hppg0 基本概念基本概念 （一）（一）理想流体、理想流体、 定常流动（恒定流动）定常流动（恒定流动） （二）（二）流线、流管、流束流线、流管、流束 （三）（三）通流截面（过流断面）、通流截面（过流断面）、 流量、流量、 平均流速平均流速2.2 2.2 液体动力学液体动力学 基本原理基本原理 流量（连续性方程）、流量（连续性方程）、 伯努利方程、伯努利方程、 动量方程动量方程流体运动学和流体动力学的三个基本方程流体运动学研究流体的运动规律流体动力学研究作用于流体上的力与流体运动之间的关系。 实际液体具有
12、黏性，研究液体的流动时必须考虑黏性的影响。 但由于这个问题非常复杂，所以开始分析时可以假设液体没有黏性，然后再考虑粘性的作用并通过实验验证等办法对理想化的结论进行补充或修正。这种方法同样可以用来处理液体的可压缩性问题。理想理想液体液体：既既无粘性又不可压缩的假想无粘性又不可压缩的假想液体。液体。理想液体理想液体 2.2 2.2 液体动力学液体动力学 定常流动定常流动（或恒定流动、稳定流动（或恒定流动、稳定流动）液体液体流动时，如液体中流动时，如液体中任何一点任何一点的的压力压力、速度速度和和密密度度都不随时间而都不随时间而变化的一种流动状态变化的一种流动状态反之反之，只要，只要压力、速度或密度
13、压力、速度或密度中有一个参数随时间中有一个参数随时间变化，则液体的流动被称为非定常流动。变化，则液体的流动被称为非定常流动。2.2 液体动力学液体动力学 定常定常流动流动 ，可以认为流体作，可以认为流体作；，则必须按，则必须按来考虑来考虑。任意一点 2.2 液体动力学液体动力学 实验实验 当当液体整个作线形流动时，称为液体整个作线形流动时，称为一维流动一维流动； 当作当作平面或空间流动时，称为平面或空间流动时，称为二维二维或或三维流动三维流动。一维流一维流动最简单，但是严格意义上的一维流动要求液流截面上动最简单，但是严格意义上的一维流动要求液流截面上各点处的速度矢量完全相同，这种情况在现实中各
14、点处的速度矢量完全相同，这种情况在现实中极为少见极为少见。通常通常把封闭容器内液体的流动按一维流动把封闭容器内液体的流动按一维流动处理处理再再用实验数据用实验数据来修正其来修正其结果。结果。液压传动液压传动中对工作介质流动的分析讨论就是这样中对工作介质流动的分析讨论就是这样进行的进行的。2.2 液体动力学液体动力学 一维流动一维流动 是是，它表示在同一瞬时流，它表示在同一瞬时流场中各质点的运动状态。场中各质点的运动状态。2.2 液体动力学液体动力学 流线流线 流线流线之间之间，流线也，流线也，它它。，因而，因而流线形状也随时流线形状也随时间变化间变化，流线形状不随时间，流线形状不随时间变化变化
15、 流线流线上每一质点的速度向量与这条曲线相切上每一质点的速度向量与这条曲线相切 流线流线代表了某一瞬时一群流体质点的流速代表了某一瞬时一群流体质点的流速方向方向流场流场中每一质点在每一瞬时只能有一个中每一质点在每一瞬时只能有一个速度速度液流液流通过空间点的速度随时间通过空间点的速度随时间变化变化 2.2 液体动力学液体动力学 流管流管和流束和流束 ；。；。一维流动一维流动流线流线间夹角很小，或流线曲率半径很大的间夹角很小，或流线曲率半径很大的流动流动将流管截面无限缩小趋近于将流管截面无限缩小趋近于零零微小微小流管流管微小微小流束流束根据根据流线不会相交的性质，流管内外的流线流线不会相交的性质，
16、流管内外的流线均不会穿越均不会穿越流管流管。流管流管在在流场中画一不流场中画一不属于属于任何流线任何流线的的任意封闭任意封闭曲线曲线，沿该封闭曲线上的每一点作流线，沿该封闭曲线上的每一点作流线，由这些由这些流线组成的流线组成的表面表面。流管内的流线群称为。流管内的流线群称为流束流束。 2.2 液体动力学液体动力学 通流截面、流量和平均流速通流截面、流量和平均流速 流流束中束中如如图图c c中的中的和和，通流截面上每点处的流动速度都，通流截面上每点处的流动速度都于这个面。于这个面。，常用常用 表示表示 ，即：，即：tVq 式中式中 流量，在液压传动中流量流量，在液压传动中流量 常用单位常用单位；
17、 液体的体积；液体的体积； 流过液体体积流过液体体积所需的时间。所需的时间。一般而言，不可压缩流体的流量指的是体积流量另外，质量流量，kg/s 2.2 液体动力学液体动力学 通流截面、流量和平均流速通流截面、流量和平均流速 液压领域的应用条件：不可压缩定常流动液压领域的应用条件：不可压缩定常流动液压流体力学：不可压缩的定常流动的流量连续性液压流体力学：不可压缩的定常流动的流量连续性方程方程液压的应用：液压的应用：分分支流支流合并流合并流2.2 液体动力学液体动力学 流量连续性方程流量连续性方程 （质量守恒）（质量守恒） 在一个连通管道中 2.2 液体动力学液体动力学 连续性方程连续性方程 例：
18、如图所示，已知流量例：如图所示，已知流量q q1 1=25L/min=25L/min，小活塞杆直径，小活塞杆直径d d1 1=20mm=20mm，小活塞直径小活塞直径D D1 1=75mm=75mm，大活塞杆直径，大活塞杆直径d d2 2=40mm=40mm，大活塞直径，大活塞直径D D2 2=125mm=125mm，假设没有泄漏流量，求大小活塞的运动速度，假设没有泄漏流量，求大小活塞的运动速度v v1 1，v v2 2。解：根据液体在解：根据液体在同一连通管道同一连通管道中中作定常流动的连续方程作定常流动的连续方程q=vAq=vA，求，求大小活塞的运动速度大小活塞的运动速度v v1 1，v
19、v2 2。smmmLdDqv/102. 0207514. 341min/2541222212111smDDvDqv/037. 041414122211222 2.2 液体动力学液体动力学 伯努利方程（能量守恒）伯努利方程（能量守恒） 重力场中黏性不可压缩定常流总流的伯努利方程仅受重力作用的实际液体在流管中作平行流动或缓变流动能量损失物理意义：单位重力实际液体的能量守恒 2.2 液体动力学液体动力学 伯努利方程（能量守恒）伯努利方程（能量守恒） 液压应用领域：（1）流体不可压缩 油的体积弹性模量约为（1.22）103 MPa（2）定常流动（3）选取缓变流动的截面为研究对象截面形状比较规则速度没有
20、急剧的大小和方向的改变 2.2 液体动力学液体动力学 动量方程（能量守恒）动量方程（能量守恒） 从刚体动力学中引用流体所受外力由动量（定理）方程求得：作用于控制体积内的液体的外力等于该控制体积内液体动量的变化率液压领域的应用应用条件：不可压缩定常流动应用目的：应用动量（定理）方程求流体对固体的作用力流体对固体的作用力液压领域的典型应用：求阀芯的稳态液动力液体所受的外力液体对固体的作用力 动量方程（能量守恒）动量方程（能量守恒） + 总结总结液压流体力学液体静力学液体动力学静压力基本方程帕斯卡原理静压力及其特性hppg0基本原理基本概念理想流体理想流体、 定常流动（恒定流动）定常流动（恒定流动）
21、流线流线、流管、流束、流管、流束通通流截面（过流断面）、流截面（过流断面）、 流量、流量、 平均流速平均流速 液体流体力学液体流体力学 液压传动中的应用需要解决的流体力学问题：液压传动中的应用需要解决的流体力学问题： 管道中液流的特性：管道中液流的特性： 用于计算流体在管路中流动时的压力损失用于计算流体在管路中流动时的压力损失 （1）压力损失的物理原因：液体的内摩擦，流体质）压力损失的物理原因：液体的内摩擦，流体质点相互之间的碰撞。（局部流动的速度大小和方向点相互之间的碰撞。（局部流动的速度大小和方向变化，宏观上产生漩涡、分离变化，宏观上产生漩涡、分离、脱流现象）脱流现象）2.3 2.3 管道
22、中液流的特性管道中液流的特性 液体的液体的流动流动时的压力损失时的压力损失在拐角处由于流体微团相互之间的摩擦作用，使得一部分机械能不可逆的转换成热能，在流动过程中，不断地有微团被主流带走，同时也有微团补充到拐角区，这种流体微团的不断补充和带走，必然产生撞击、摩擦和质量交换，从而消耗一部分机械能 （2）研究压力损失的意义）研究压力损失的意义 优化设计液压系统；减少压力损失；利用压力优化设计液压系统；减少压力损失；利用压力损失所形成的压差来控制液压元件的动作损失所形成的压差来控制液压元件的动作2.3 2.3 管道中液流的特性管道中液流的特性 液体的液体的流动流动时的压力损失时的压力损失 2.3 2
23、.3 管道中液流的特性管道中液流的特性 液体的液体的流动流动时的压力损失时的压力损失压力差水力损失表示水头，单位为液柱的高度 2.3 2.3 管道中液流的特性管道中液流的特性 液体的液体的流动流动时的压力损失时的压力损失 弯管的局部损失系数2.3 2.3 管道中液流的特性管道中液流的特性 液体的液体的流动流动时的压力损失时的压力损失dcr 三通管管接头直通式管接头直角式管接头铰接式管接头 （5）系统管路中的沿程压力损失如何计算？）系统管路中的沿程压力损失如何计算？ 沿程压力损失沿程压力损失:平直管路上液体因各流层之间平直管路上液体因各流层之间的内摩擦而产生的压力损失。的内摩擦而产生的压力损失。
24、2.3 2.3 管道中液流的特性管道中液流的特性 液体的液体的流动流动时的压力损失时的压力损失 2.3 2.3 管道中液流的特性管道中液流的特性 雷诺数及雷诺判据雷诺数及雷诺判据1. 1. 层流和湍流层流和湍流 19 19世纪末，英国物理学家世纪末，英国物理学家首先通过实验观察了水在首先通过实验观察了水在圆管内的流动情况，发现液体有两种流动状态：圆管内的流动情况，发现液体有两种流动状态：和和。层流：层流：液体质点没有横向运动，互不干扰作定向而不混杂地液体质点没有横向运动，互不干扰作定向而不混杂地有层次的流动。有层次的流动。湍流：湍流：当液体的流速大于某一数值之后，液体除交错而又混当液体的流速大
25、于某一数值之后，液体除交错而又混乱地沿某一方向运动外，还有一个横向的脉动速度。乱地沿某一方向运动外，还有一个横向的脉动速度。 层流层流和和湍流湍流是两种不同性质的流态。是两种不同性质的流态。层流时，液体流速较低，质点层流时，液体流速较低，质点受黏性受黏性制约，不能随意运动制约，不能随意运动，黏性黏性力起主导作用力起主导作用；湍流时，液体流速较高湍流时，液体流速较高，黏性，黏性的制约作用减弱，的制约作用减弱，惯性力起主惯性力起主导作用导作用。 第第41张张/共共91张张21:27 2.3 2.3 管道中液流的特性管道中液流的特性 液体的流动状态液体的流动状态 2.3 2.3 管道中液流的特性管道
26、中液流的特性 液体的流动状态液体的流动状态 2. 2. 雷诺数雷诺数液体的流动状态可用液体的流动状态可用来判别。来判别。实验证明，液体在圆管中的流动状态不仅与管内的实验证明，液体在圆管中的流动状态不仅与管内的有关有关，还和，还和、液体的、液体的有关。而用来判别液有关。而用来判别液流状态的是由这三个参数所组成的一个称为流状态的是由这三个参数所组成的一个称为的的ddRev圆形截面管dH=d（管道内径） 2.3 2.3 管道中液流的特性管道中液流的特性 液体的流动状态液体的流动状态 对于对于的管道来说，的管道来说，应用下式计算应用下式计算vdReHAd4H水力直径水力直径的大小对管道的的大小对管道的
27、通流能力通流能力影响很大影响很大。水力水力直径大，意味着液流与管壁接触少，阻力小，通流能力直径大，意味着液流与管壁接触少，阻力小，通流能力大，即使通流截面积小时也不容易堵塞。大，即使通流截面积小时也不容易堵塞。在面积相等但形状不同在面积相等但形状不同的所有通流截面中，的所有通流截面中，圆圆形管的形管的水力直径水力直径最大最大 第第44张张/共共91张张21:27液体的流动状态液体的流动状态 2.3 2.3 管道中液流的特性管道中液流的特性 临界雷诺数及雷诺判据临界雷诺数：临界雷诺数：液流由层流转变为湍流时的雷诺数和由湍流转液流由层流转变为湍流时的雷诺数和由湍流转变为层流时的雷诺数是不同的，后者
28、数值小。所以一般都用变为层流时的雷诺数是不同的，后者数值小。所以一般都用后者作为判别流动状态的依据，记作后者作为判别流动状态的依据，记作ReRecrcr。当雷诺数当雷诺数ReReReReReRecrcr时时, , 液流大多为湍流液流大多为湍流。典型情况，光滑金属管中：典型情况，光滑金属管中：Re2000Re2000Re200023002300时，液体作湍流运动时，液体作湍流运动湍流层流 液体的流动状态液体的流动状态 2.3 2.3 管道中液流的特性管道中液流的特性 液体的流动状态液体的流动状态 2.3 2.3 管道中液流的特性管道中液流的特性 泊肃叶流(Poiseuille流）rv 液体的流动
29、状态液体的流动状态 2.3 2.3 管道中液流的特性管道中液流的特性 液体的流动状态液体的流动状态 2.3 2.3 管道中液流的特性管道中液流的特性 圆管湍流运动的特点圆管湍流运动的特点a.a.压力损失与层流时大（因为湍流运动的复杂性）压力损失与层流时大（因为湍流运动的复杂性）b.b.管截面的速度分布同层流不一样管截面的速度分布同层流不一样c.c.压力损失还取决于管道内壁的表面粗糙度（湍流粗糙管和压力损失还取决于管道内壁的表面粗糙度（湍流粗糙管和湍流光滑管）湍流光滑管） 液体的流动状态液体的流动状态 2.3 2.3 管道中液流的特性管道中液流的特性 表2.2 2.3 2.3 管道中液流的特性管
30、道中液流的特性 液体的液体的流动流动时的压力损失时的压力损失损失与管长、管径、液体黏度和流速等因素有关损失与管长、管径、液体黏度和流速等因素有关。总压力总压力损失与流速的平方成正比，适当限制流速是减小管路损失与流速的平方成正比，适当限制流速是减小管路压力损失的重要措施压力损失的重要措施之一。之一。 液体流体力学液体流体力学 液压传动中的应用需要解决的流体力学问题：液压传动中的应用需要解决的流体力学问题： 管道中液流的特性：管道中液流的特性： 用于计算流体在管路中流动时的压力损失用于计算流体在管路中流动时的压力损失 孔口及缝隙的压力流量特性：孔口及缝隙的压力流量特性： 分析节流调速回路性能和计算
31、元件泄露量的理论依据分析节流调速回路性能和计算元件泄露量的理论依据p,q 除管流外其它的典型流动除管流外其它的典型流动形式形式2.4 2.4 孔口和隙缝流动孔口和隙缝流动 孔口各种缝隙流动：平行平板缝隙流、圆柱环状 缝隙流和平行圆盘缝隙流小孔出流：薄壁孔、厚壁孔和细长孔阀口流动：锥阀和滑阀等节流口流动分析节流调速回路性能和计算元件泄露量 第第54张张/共共91张张21:27流体流经孔口的普遍规律流体流经孔口的普遍规律2.4 2.4 孔口和隙缝流动孔口和隙缝流动 流量系数考虑压力损失，由伯努利方程得到 管路系统总的压力损失基本方程 孔口分类：孔口分类： 薄壁孔薄壁孔(l/d0.5)(l/d0.5
32、) 短短孔（厚壁孔）（孔（厚壁孔）（0.5l/d40.54(l/d4）孔口流孔口流量量 2.4 2.4 孔口和隙缝流动孔口和隙缝流动 (1) 薄壁小孔（薄壁小孔（ l/d0.5 l/d0.5 ）的流动特点）的流动特点 有进口、出口的压力损失有进口、出口的压力损失2.4 孔口和隙缝流动孔口和隙缝流动 孔口流孔口流量量 图图2.20 2.20 通过薄壁小孔的流体通过薄壁小孔的流体能量损失由什么造成？能量损失程度能量损失程度阻力大小阻力大小Cd值越大，能量损失越小Cd值越小，能量损失越大 第第58张张/共共91张张21:27(1) 薄壁小孔（薄壁小孔（ l/d0.5 l/d0.5 ）的流动特点）的流
33、动特点 2.4 孔口和隙缝流动孔口和隙缝流动 孔口流孔口流量量 图图2.20 2.20 通过薄壁小孔的流体通过薄壁小孔的流体当当管道直径与小孔直径之管道直径与小孔直径之比比d d/ /d d0 077时，流体的收缩作用不受孔前时，流体的收缩作用不受孔前管道内壁的影响，这时称管道内壁的影响，这时称；当当d d/ /d d0 07 7时，孔前管道内壁对流体进时，孔前管道内壁对流体进入小孔有导向作用，这时称入小孔有导向作用，这时称。 由于由于薄壁小孔具有沿程压力损失小、通过小孔薄壁小孔具有沿程压力损失小、通过小孔的流量对工作介质温度的变化不敏感等特性，所以的流量对工作介质温度的变化不敏感等特性，所以
34、常被常被。 正因为如此，在液压与气压传动中，常采用一正因为如此，在液压与气压传动中，常采用一些与薄壁小孔流动特性相近的阀口作为可调节孔口些与薄壁小孔流动特性相近的阀口作为可调节孔口，如锥阀、滑阀、喷嘴挡板阀等。，如锥阀、滑阀、喷嘴挡板阀等。2.4 孔口和隙缝流动孔口和隙缝流动 孔口流孔口流量量 （2）短孔（）短孔（ 0.5l/d4 0.5l/d4 ）的流动特点）的流动特点 a、有局部压力损失：进口压力损失和收缩后的扩散有局部压力损失：进口压力损失和收缩后的扩散损失损失 b、收缩后的沿程压力损失收缩后的沿程压力损失2.4 孔口和隙缝流动孔口和隙缝流动 孔口流孔口流量量 的流量公式依然是式（的流量
35、公式依然是式（2.402.40），但其流量系数，但其流量系数C Cd d应由图应由图2.222.22查出查出。由图可知，当。由图可知，当ReRe20002000时，时，C Cd d基基本保持在本保持在0.80.8左右。左右。图图2.22 2.22 短孔流量系数短孔流量系数作固定节流器 2.4 孔口和隙缝流动孔口和隙缝流动 孔口流孔口流量量 液体流经细长孔的流量和孔前后压差液体流经细长孔的流量和孔前后压差p p成正比，成正比，而和液体粘度而和液体粘度成反比。因此流量受液体温度变化成反比。因此流量受液体温度变化的影响较大。这一点和薄壁小孔的特性明显不同。的影响较大。这一点和薄壁小孔的特性明显不同。
36、泊肃叶流动 第第62张张/共共91张张21:272.4 孔口和隙缝流动孔口和隙缝流动 短孔和细长孔短孔和细长孔（4）液压阀阀口的压力流量特性：）液压阀阀口的压力流量特性： 在一定的压差作用下，流经阀口的流量由压差在一定的压差作用下，流经阀口的流量由压差流量方程来求出：流量方程来求出： 2.4 孔口和隙缝流动孔口和隙缝流动 缝隙缝隙流动流动缝隙流动的特点A、缝隙高度相对其长度和宽度而言要小的多；B、分析流动通常按层流处理（特别是油介质） 2.4 孔口和隙缝流动孔口和隙缝流动 平行平板缝隙平行平板缝隙图图2.25 2.25 平行平板缝隙液流平行平板缝隙液流在压差作用下，通过缝隙的流量与缝隙值的三次
37、方成正比，在压差作用下，通过缝隙的流量与缝隙值的三次方成正比，这说明这说明。u 2.4 孔口和隙缝流动孔口和隙缝流动 平行平板缝隙平行平板缝隙平行平板平行平板缝隙流缝隙流ydyu0yx （2）圆柱环状缝隙流）圆柱环状缝隙流2.4 孔口和隙缝流动孔口和隙缝流动 圆环隙缝流量圆环隙缝流量a. a. 流经流经的流量的流量 同心环形缝隙间的液流同心环形缝隙间的液流a a）缝隙较小）缝隙较小 b b）缝隙较大）缝隙较大缝隙较大时用公式2.52来计算圆柱体和内孔没有相对圆柱体和内孔没有相对运动时，运动时，u u0 0=0=0 复习：实验课在复习：实验课在219上上层流湍流vdReHRcr判断流动状态，计算
38、压力损失压力损失与管长、管径、液体黏度和流速等因与管长、管径、液体黏度和流速等因素有关。素有关。压力损失孔口流量层流湍流 复习：实验课在复习：实验课在219上上缝隙流量 2.4 孔口和隙缝流动孔口和隙缝流动 流经偏心环形缝隙的流量流经偏心环形缝隙的流量 当当，即，即u u0 0=0=0时，其流量公式为时，其流量公式为因此因此在液压与气动元件中，在液压与气动元件中，为了减小缝隙泄漏量，应采取措为了减小缝隙泄漏量，应采取措施，尽量使其配合处于同心状态施，尽量使其配合处于同心状态。b. b. 流经流经的的流量流量h0为内外圆同心时半径方向的缝隙值）（ 54. 212)5 . 11 (032pldhq
39、当当 =0=0时，它就是时，它就是同心环形缝隙的流量公式同心环形缝隙的流量公式；当当 =1=1，即有最大偏心量时，其流量为同心环形缝隙流量的，即有最大偏心量时，其流量为同心环形缝隙流量的2.52.5倍。倍。 液体流体力学液体流体力学 液压传动中的应用需要解决的流体力学问题：液压传动中的应用需要解决的流体力学问题： 管道中液流的特性：管道中液流的特性： 用于计算流体在管路中流动时的压力损失用于计算流体在管路中流动时的压力损失 孔口及缝隙的压力流量特性：孔口及缝隙的压力流量特性： 分析节流调速回路性能和计算元件泄露量的理论依据分析节流调速回路性能和计算元件泄露量的理论依据 液压冲击和气穴现象：液压
40、冲击和气穴现象： 如何有效避免有害现象如何有效避免有害现象 （1）液压冲击的物理本质）液压冲击的物理本质 液压系统中，由于液压元件的工作状态的突然改液压系统中，由于液压元件的工作状态的突然改变（突然关闭或开启液流通道），引起的油压瞬时变（突然关闭或开启液流通道），引起的油压瞬时急剧上升，产生很高的压力峰值，出现冲击波的传急剧上升，产生很高的压力峰值，出现冲击波的传递过程，这种现象称之为液压冲击（水锤现象）递过程，这种现象称之为液压冲击（水锤现象）（2）液压冲击的危害）液压冲击的危害 产生剧烈的振动和噪声；引起管道、元件和密封产生剧烈的振动和噪声；引起管道、元件和密封件的损坏；使元件动作失灵等件
41、的损坏；使元件动作失灵等液压冲击液压冲击2.5 2.5 液压冲击和气穴现象液压冲击和气穴现象 液压冲击液压冲击2.5 2.5 液压冲击和气穴现象液压冲击和气穴现象 最高工作压力=平均压力+冲击压力峰值诺科夫斯基（俄） （4）减轻液压冲击的措施）减轻液压冲击的措施 延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间，可采用换向时间延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间，可采用换向时间可调的换向阀可调的换向阀. . 适当适当加大管径，限制管道流速加大管径，限制管道流速v v，一般在液压系统中把，一般在液压系统中把v v控制控制在在4.5m/s4.5m/s以内，使以内，使pmaxpmax不超过不超过5MPa5MPa
42、就可以认为是安全的就可以认为是安全的。 在容易发生液压冲击的在容易发生液压冲击的部位部位安装安全阀来限制压力安装安全阀来限制压力升高；升高；也也可以在这些部位安装橡胶可以在这些部位安装橡胶软管或设置蓄能器，以吸收冲击软管或设置蓄能器，以吸收冲击压力。压力。 正确正确设计阀口或设置制动装置，使运动部件制动时速度变化设计阀口或设置制动装置，使运动部件制动时速度变化比较均匀比较均匀。 尽可能尽可能缩短管长，以减小压力冲击波的传播时间，变直接冲缩短管长，以减小压力冲击波的传播时间，变直接冲击为间接冲击击为间接冲击。2.5 液压冲击和气穴现象液压冲击和气穴现象 液压冲击液压冲击 （1）气穴现象）气穴现象
43、 根据伯努利方程，液压介质流经阀口的收缩截面时，该根据伯努利方程，液压介质流经阀口的收缩截面时，该处的压力要降低，压力降低而形成气泡。处的压力要降低，压力降低而形成气泡。有关气穴的两种物理解释：有关气穴的两种物理解释：a、当压力降低至介质的饱和蒸汽压力时，就会产生空化现象，、当压力降低至介质的饱和蒸汽压力时，就会产生空化现象，形成大量的蒸汽泡；形成大量的蒸汽泡；b、当压力降低至介质的空气分离压力时，就会有大量的空气、当压力降低至介质的空气分离压力时，就会有大量的空气从液体中析出，形成大量的空气泡。从液体中析出，形成大量的空气泡。液压油的空气分离压比饱和蒸汽压力高液压油的空气分离压比饱和蒸汽压力
44、高水的水的空气分离压比空气分离压比饱和蒸汽压力小饱和蒸汽压力小2.5 液压冲击和气穴现象液压冲击和气穴现象 气气穴和气蚀穴和气蚀空气在液体中的溶解度与空气在液体中的溶解度与液体的绝对压力成正比液体的绝对压力成正比p介质液压油水p空p饱p饱p空 （2）气蚀现象）气蚀现象 气泡随液流被带到下游的高压区，气泡的体积急剧气泡随液流被带到下游的高压区，气泡的体积急剧缩小或溃灭缩小或溃灭，气泡中的空气或蒸汽重新溶入到液体中或凝结成液体。气泡中的空气或蒸汽重新溶入到液体中或凝结成液体。 在气泡溃灭的瞬间，使液体以很大的速度从周围冲向气泡中在气泡溃灭的瞬间，使液体以很大的速度从周围冲向气泡中心，产生频率很高、
45、瞬时压力很大的冲击，还伴生有噪声和振动，心，产生频率很高、瞬时压力很大的冲击，还伴生有噪声和振动，油液氧化变质。油液氧化变质。 气泡溃灭如发生在液压元件的固体表面上，则气泡溃灭时产气泡溃灭如发生在液压元件的固体表面上，则气泡溃灭时产生的生的射流冲蚀、高温、化学腐蚀射流冲蚀、高温、化学腐蚀等效应的联合作用会导致液压元等效应的联合作用会导致液压元件表面出现剥落和坏蚀，即气蚀。件表面出现剥落和坏蚀，即气蚀。2.5 2.5 液压冲击和气穴现象液压冲击和气穴现象 气气穴和气蚀穴和气蚀 （3）液压系统可能发生气穴和气蚀的部位）液压系统可能发生气穴和气蚀的部位 泵的吸油口、溢流阀的阀口、节流阀的阀口泵的吸油
46、口、溢流阀的阀口、节流阀的阀口 带大惯性负载的执行元件突然停止或换向等工况带大惯性负载的执行元件突然停止或换向等工况时，在换向阀阀口和液压缸低压缸时，在换向阀阀口和液压缸低压缸2.5 2.5 液压冲击和气穴现象液压冲击和气穴现象 气气穴和气蚀穴和气蚀 (4) 液压系统中气穴和气蚀的防治措施液压系统中气穴和气蚀的防治措施最最根本的一条是根本的一条是。正确设计管路，限制泵的吸油口离油箱液面的高度正确设计管路，限制泵的吸油口离油箱液面的高度液压系统各元部件的连接处要密封可靠，严防空气侵入液压系统各元部件的连接处要密封可靠，严防空气侵入采用抗腐蚀能力强的金属材料，提高零件的机械强度，采用抗腐蚀能力强的
47、金属材料，提高零件的机械强度，减小零件表面粗糙度值。减小零件表面粗糙度值。减小减小阀孔口前后的压差，一般希望其压力比阀孔口前后的压差，一般希望其压力比p1/p2p1/p23.53.5正确正确设计和设计和使用液压泵站。使用液压泵站。2.5 液压冲击和气穴现象液压冲击和气穴现象 气气穴和气蚀穴和气蚀 总结总结液压流体力学液体静力学液体动力学静压力基本方程帕斯卡原理基本概念基本方程压力损失孔口及缝隙的流动液压冲击气穴现象静压力及其特性hppg0 综合例题综合例题图示液压泵流q=25L/min，吸油管内径d=25mm，油液密度=900kg/m3，运动粘度=14.210-6m2/s，空气分离压为0.41
48、05Pa，液压泵吸油口距液面高度H=1m，过滤器的压力损失pr=0.1105Pa，求液压泵入口处的最大真空度。在入口处是否会产生空穴现象？ 综合例题综合例题选取油箱液面1-1为截面，泵入口处为2-2截面，油泵入口处的真空度的计算：油箱液面与大气接触，故p1为大气压力，p1=pa；v1为油箱液面下降的速度，v1v2，v10；v2为泵吸油口处液体的流速=流体在吸油管内的流速；hw为吸油过程中的能量损失 综合例题综合例题选取油箱液面1-1为截面，泵入口处为2-2截面，油泵入口处的真空度的计算：（1）吸油管内的液流速度 综合例题综合例题选取油箱液面1-1为截面，泵入口处为2-2截面，油泵入口处的真空度
49、的计算：（2）雷诺数动能修正系数：层流时取=2、紊流时取=1吸油管内油液流动状态为层流，取：2=2 综合例题综合例题选取油箱液面1-1为截面，泵入口处为2-2截面，油泵入口处的真空度的计算：（3）压力损失=局部+沿程局部=过滤器的压力损失pr=0.1105Pa 综合例题综合例题选取油箱液面1-1为截面，泵入口处为2-2截面，油泵入口处的真空度的计算：2=2 作业（题量：作业（题量：2 2）如图所示，某一球式压力阀开启压力p1=6MPa。已知钢球的最大直径D=15mm，阀座孔直径d=10mm，阀门开启溢流背压p2=0.3MPa，求溢流时调压弹簧所受的压紧力Fs。360云盘:账号：密码：Wanghuan 作业作业如图所示，液压泵流q=25L/min，向液压缸供油。液压缸活塞直径D=50mm，活塞杆直径d=30mm，进油管、回油管内径d1=d2=10mm。试求液压缸活塞运动速度及进油管、回油管的流动速度。能否直接用连续计算进油管、回油管中油液的流动速度？ 第第88张张/共共91张张21:27
