液壓傳動-201303流體2.ppt

液壓傳動之流體力學,1,賈寶賢,5687026,Fluid Mechanics,3-2液體動力學,2,主要討論液體流動時的運動規(guī)律、能量轉換和流動液體對固體壁面的作用力等問題，具體要介紹四個基本方程連續(xù)方程、運動方程、能量方程和動量方程。,五、動量方程,3,作用在物體上的力，其大小等于物體在其作用方向上的動量的變化率，即,這里取控制體積為研究對象，液體的動量方程可以表述為：作用在控制體積上的力等于控制體積在這個作用力方向上的動量變化率。,(3-24),1.理想液體恒定流動時的動量方程,4,對于定常流動，同一位置的所有參數(shù)不隨時間改變， 質量為常數(shù)。,取控制體積V，其質量為,2.實際液體恒定流動時的動量方程,5,實際流體中，過流面積上各點的流速不相等，此時，也可以通過引入修正系數(shù)來計算，這個修正系數(shù)叫動量修正系數(shù)，記為。于是,在式中，作各矢量在x軸上的投影得,注意：以上的F、Fx是液體所受的外力，液體對固體壁面的作用力,2.實際液體恒定流動時的動量方程,6,超新型噴水式飛行器.flv 噴水式飛行器 高清.mp4,例 分析圖中滑芯所受的穩(wěn)態(tài)液動力,7,解：取閥芯兩凸肩之間的液體為控制體積，設作用在控制體積上的力為F，沿x正方向列出動量方程 沿x方向的外力F=控制體在x方向上的動量變化率,F的實際方向向左，與x軸的正方向相反。 而液體對閥芯的穩(wěn)態(tài)液動力F 方向向右，大小與F相等，它使閥口關閉。,例3-4a分析圖中外流及內流式錐閥中，穩(wěn)態(tài)液動力的大小和方向,8,解：1. 取控制體 2. 分析控制體的受力 控制體的側面受力相平衡， 在x方向上的壓力不平衡， 這樣控制體的受力可歸納成3個： （1）下面液體對控制體的壓力,（2）上面液體對控制體的壓力 因p2=0，所以該力為零。 （3）錐閥對控制體的作用力F,例3-4a分析圖中外流及內流式錐閥中，穩(wěn)態(tài)液動力的大小和方向,9,3. 沿選定方向（x正方向）列出控制體的動量方程,所以：,注意：F是錐閥對控制體的作用力， 方向向下。液體對閥芯的作用力F 則 方向向上。,但是，作用在錐閥上的穩(wěn)態(tài)液動力q 2v2cos，方向向下，該力使閥芯關閉 。,例3-4b分析圖中外流及內流式錐閥中，穩(wěn)態(tài)液動力的大小和方向,10,解：1. 取控制體 2. 控制體受力分析 控制體在x方向受三個力： （1）上面液體對控制體的壓力,（2）下面液體對控制體的壓力,（3）錐閥對控制體的作用力F,例3-4b分析圖中外流及內流式錐閥中，穩(wěn)態(tài)液動力的大小和方向,11,3. 沿選定方向（x正方向） 列出控制體的動量方程,所以：,即：錐閥對控制體的作用力F，方向向上。液體對閥芯的作用力F 則方向向下。,0,但是，作用在錐閥上的穩(wěn)態(tài)液動力q 2v2cos，方向向上，該力使閥芯打開 。,3-3管路中液流的特性,12,一、流態(tài)和雷諾數(shù) 1.流態(tài)：液體的流動狀態(tài) （1）層流：液體質點只有縱向流動，而無橫向流動。 （2）湍流：液體質點既有縱向流動，又有橫向流動。 層流時，受粘性力約束，慣性力微弱，粘性力為主； 湍流時，流速高，粘性力的約束作用減弱，慣性力為主。,雷諾實驗.mpg,2.雷諾數(shù)Re,13,Re代表了液體流動時的慣性力與粘性力之比， 它是一個無量綱參數(shù)，是判別液體流態(tài)的依據(jù)。 把液流的雷諾數(shù)Re與臨界雷諾數(shù)Rec相比較， 當ReRec時，為湍流。 具體液體的臨界雷諾數(shù)Rec由實驗獲得，可查表3-1或手冊,二、圓管層流,14,圖示液體在等徑水平圓管中作恒定層流時的情況。在圖中的管內取出一段半徑為r、長度為l，與管軸相重合的小圓柱體，作用在其兩端面上的壓力為p1和p2，作用在其側面上的內摩擦力為Ff。根據(jù)力的平衡，有,二、圓管層流,15,內摩擦力按式(2-3)為Ff=-2rldu/dr。令p=p1-p2，將這些關系代入上式，則得,對上式積分，當rR時，u0，得,二、圓管層流,16,可見管內流速隨半徑按拋物線規(guī)律分布。最大流速發(fā)生在軸線上，其值為umax pR2/(4l )。 在半徑r處取出一厚dr的微小圓環(huán)面積，通過此環(huán)形面積的流量為dqu 2rdr，對比式積分，得流量q為，(u見3-32),(3-33),二、圓管層流,17,式中，d為圓管內徑。由上式可知流量與管徑的四次方成正比，壓差(壓力損失)則與管徑的四次方成反比，所以管徑對流量或壓力損失的影響是很大的。 圓管層流的平均流速為,(3-34),(3-35),三、圓管湍流,18,引入一個“時均流速”的概念，如果在某一時間間隔T(時均周期)內，以這一平均流速流經某微小截面dA的液體體積等于在同一時間內以真實的脈動流速u流經同一截面的液體體積，即 ，則液流的時均流速便是,在湍流流動中，液體的壓力也是脈動的， 當把 算作液體的時均壓力后，就可把實質上非恒定流動的湍流當作恒定流動來看待。,三、圓管湍流,19,湍流在通流截面上流速的分布如圖所示，湍流中的流速分布是比較均勻的。其最大流速為umax=(11.3)v，動能修正系數(shù)1.05，動量修正系數(shù)1.04，因而這兩個系數(shù)均可近似地取為1。,靠近管壁有極薄一層慣性力不足以克服粘性力的液體在作層流流動，稱為層流邊界層。層流邊界層的厚度將隨液流雷諾數(shù)的增大而減小。,三、圓管湍流,20,由半經驗公式推導可知，對于光滑圓管內的紊流來說，其截面上的流速分布遵循對數(shù)規(guī)律。在雷諾數(shù)為31031105的范圍內，它符合一個1/7次方的規(guī)律，即,(3-36),四、壓力損失,21,實際流體由于粘性，在流動時要損耗一部分能量，這種能量損耗表現(xiàn)為壓力損失。能量的損耗轉變?yōu)闊崃?，使液壓系統(tǒng)的溫度升高。所以在設計液壓系統(tǒng)時，減小壓力損失是非常重要的。 液體在流動時產生的壓力損失可以分為兩種：一種是液體在等徑直管中流動時因摩擦而產生的壓力損失，稱為沿程壓力損失；另一種是由于管道的截面突然變化，液流方向改變或其他形式的液流阻力(如控制閥閥口)而引起的壓力損失，稱為局部壓力損失。,（一）沿程壓力損失,22,經理論推導，液體流經等徑d的直管時，在管長l段上的壓力損失p表達式為,(3-38),式中，為沿程阻力系數(shù)； v為液流的平均流速； 為液體的密度。,1.層流時的沿程壓力損失,23,液體在直管中作層流流動時，由式(3-34)及qR2v，得,上式表示層流流動時的沿程阻力系數(shù)的理論值應是64，但實際上流動中還夾雜著油溫變化等問題，因此油液在金屑管道中流動時宜取75/Re，在橡膠軟管中流動時則取80/Re。,2.湍流時的沿程壓力損失,24,液體在直管中作層流流動時，由式(3-34)及qR2v，得,式中沿程阻力系數(shù)的理論值應是64，但實際上流動中還夾雜著油溫變化等問題，因此油液在金屬管道中流動時宜取75/Re，在橡膠軟管中流動時則取80/Re。 2.紊流時的沿程壓力損失,值可查表3-3或圖3-21或手冊確定。,（二）局部壓力損失,25,液流由于方向、速度的改變，以及截面的變化，必然產生一些旋渦，引起撞擊。造成局部壓力損失，其值與液流的動能有關?？捎孟率接嬎?。,為局部阻力系數(shù)，其值由實驗確定，可查手冊。v為液體的平均流速，一般情況下均指局部阻力下游處的流速。,的值僅在液流流經突然擴大的截而時可用理論求得(例3-6)，其他情況都須通過實驗來測定?？蓮氖謨灾胁榈?。幾種典型的局部阻力系數(shù)見附錄A。,（三）波紋管中的壓力損失,26,液體在波紋管中流動時所引起的壓力損失，可以把波紋管看作是排列著的一連串均勻孔口，由一連串單個液流擴大損失之和推算出來。這個概念已得到了實驗的證實。波紋數(shù)為n的內徑為D1波紋直管的局部壓力損失為,(3-43),（四）管路系統(tǒng)的總壓力損失,27,整個管路系統(tǒng)的總