第2章液壓流體力學(xué)1

1、2021-12-23武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院1 所謂力學(xué)就是研究物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的科學(xué)。所謂力學(xué)就是研究物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的科學(xué)。 由于研究的對(duì)象不同，力學(xué)有許多分支，流體力學(xué)是由于研究的對(duì)象不同，力學(xué)有許多分支，流體力學(xué)是以流體為對(duì)象，主要研究流體和流體及流體和固體之間的以流體為對(duì)象，主要研究流體和流體及流體和固體之間的作用和反作用，也就是研究流體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，并把這作用和反作用，也就是研究流體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，并把這些規(guī)律應(yīng)用到有關(guān)的工程技術(shù)部門中去的力學(xué)分支。些規(guī)律應(yīng)用到有關(guān)的工程技術(shù)部門中去的力學(xué)分支。 液壓流體力學(xué)是研究流體整體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律，液壓流體力學(xué)是研究流體整體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律，以及

2、運(yùn)用這些規(guī)律進(jìn)行液壓技術(shù)工程計(jì)算的科學(xué)。以及運(yùn)用這些規(guī)律進(jìn)行液壓技術(shù)工程計(jì)算的科學(xué)。 液壓傳動(dòng)是以油液為工作介質(zhì)（傳動(dòng)件），通過油液進(jìn)液壓傳動(dòng)是以油液為工作介質(zhì)（傳動(dòng)件），通過油液進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換和傳遞的傳動(dòng)方式。液壓流體力學(xué)是液壓、氣動(dòng)行能量轉(zhuǎn)換和傳遞的傳動(dòng)方式。液壓流體力學(xué)是液壓、氣動(dòng)系統(tǒng)和元件工作過程及流體動(dòng)力計(jì)算的理論基礎(chǔ)，是正確分系統(tǒng)和元件工作過程及流體動(dòng)力計(jì)算的理論基礎(chǔ)，是正確分析和利用這些系統(tǒng)和元件的理論依據(jù)。析和利用這些系統(tǒng)和元件的理論依據(jù)。力是物體運(yùn)動(dòng)的根本原因。力是物體運(yùn)動(dòng)的根本原因。2021-12-23武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院22.12.1 液壓油液壓油的的主要物理性質(zhì)主要物理性

3、質(zhì) 2.22.2 液體靜力學(xué)基礎(chǔ)液體靜力學(xué)基礎(chǔ)2.3 2.3 流動(dòng)液體力學(xué)流動(dòng)液體力學(xué)2.4 2.4 液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失2.5 2.5 孔口和縫隙流量孔口和縫隙流量2.6 2.6 空穴現(xiàn)象和液壓沖擊空穴現(xiàn)象和液壓沖擊2021-12-23武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院3連續(xù)介質(zhì)假設(shè)連續(xù)介質(zhì)假設(shè) 由于流體力學(xué)研究流體宏觀表象的運(yùn)動(dòng)，并不由于流體力學(xué)研究流體宏觀表象的運(yùn)動(dòng)，并不顧及它的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，因此，我們以宏觀的質(zhì)點(diǎn)顧及它的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，因此，我們以宏觀的質(zhì)點(diǎn)作為介質(zhì)的基本單位，一個(gè)質(zhì)點(diǎn)可包含著一群分子，作為介質(zhì)的基本單位，一個(gè)質(zhì)點(diǎn)可包含著一群分子，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)即為該群分子運(yùn)動(dòng)參數(shù)

4、的統(tǒng)計(jì)平均質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)即為該群分子運(yùn)動(dòng)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)平均值，并且認(rèn)為介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)與質(zhì)點(diǎn)間沒有間斷的空隙，值，并且認(rèn)為介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)與質(zhì)點(diǎn)間沒有間斷的空隙，而是連綿不斷組成的，即把流體看成具有綿續(xù)性的而是連綿不斷組成的，即把流體看成具有綿續(xù)性的連續(xù)介質(zhì)。這樣，在流體中的運(yùn)動(dòng)參數(shù)將是空間點(diǎn)連續(xù)介質(zhì)。這樣，在流體中的運(yùn)動(dòng)參數(shù)將是空間點(diǎn)座標(biāo)和時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，這樣就能采用數(shù)學(xué)工具來座標(biāo)和時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，這樣就能采用數(shù)學(xué)工具來處理解決問題。處理解決問題。 2021-12-23武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院4一一 流體的密度流體的密度 VmV0lim3/mKg0VVm),(tzyx定義定義嚴(yán)格的定義：嚴(yán)格的定義：流體質(zhì)量在空間點(diǎn)

5、上密集的程度。流體質(zhì)量在空間點(diǎn)上密集的程度。單位：?jiǎn)挝唬簲?shù)學(xué)上的數(shù)學(xué)上的，物理上指體積趨向于空間中的一個(gè)點(diǎn)。物理上指體積趨向于空間中的一個(gè)點(diǎn)。一般的定義：一般的定義：?jiǎn)挝惑w積流體內(nèi)所含流體的質(zhì)量。單位體積流體內(nèi)所含流體的質(zhì)量。對(duì)于均質(zhì)流體對(duì)于均質(zhì)流體密度是空間點(diǎn)坐標(biāo)和時(shí)間的函數(shù)：密度是空間點(diǎn)坐標(biāo)和時(shí)間的函數(shù)： 密度與流體壓力、溫度有關(guān)，隨壓力增加增大，密度與流體壓力、溫度有關(guān)，隨壓力增加增大，隨溫度增高減小。換言之，密度還是壓力、溫度的隨溫度增高減小。換言之，密度還是壓力、溫度的函數(shù)，這個(gè)函數(shù)稱為流體的狀態(tài)方程：函數(shù)，這個(gè)函數(shù)稱為流體的狀態(tài)方程： ),(Tp一般液壓油的密度一般液壓油的密度為為

6、9009003/mKg2021-12-23武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院5），（000Tp）（），（）（），（），（0000000TTTTppppTpTppTdTTdppdpT0000ddTdpdTTdppTpT000011constVm000VV00VVdTdVVTT0011dpdVVp0011在給定點(diǎn)在給定點(diǎn) 處展成一次泰勒級(jí)數(shù)近似式：處展成一次泰勒級(jí)數(shù)近似式：式中負(fù)號(hào)表示溫度式中負(fù)號(hào)表示溫度增加密度下降。增加密度下降。寫成增量形式：寫成增量形式：密度對(duì)壓力、溫度的變化率不便于測(cè)量，采用相對(duì)量，有密度對(duì)壓力、溫度的變化率不便于測(cè)量，采用相對(duì)量，有在質(zhì)量不變時(shí)，即在質(zhì)量不變時(shí)，即有有定定義義體積體積膨

7、脹膨脹系數(shù)系數(shù)當(dāng)壓力不變時(shí)，在溫度的當(dāng)壓力不變時(shí)，在溫度的變化下，流體密度（體積）變化下，流體密度（體積）所產(chǎn)生的相對(duì)變化量所產(chǎn)生的相對(duì)變化量體積體積壓縮壓縮系數(shù)系數(shù)當(dāng)溫度不變時(shí)，在壓力的當(dāng)溫度不變時(shí)，在壓力的變化下，流體密度（體積）變化下，流體密度（體積）所產(chǎn)生的相對(duì)變化量所產(chǎn)生的相對(duì)變化量2021-12-23武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院6；dVdpVVpVkV）（0lim1MPabar110755）（Mpak3109 . 14 . 1）（流體受壓力作用，體積減小的性質(zhì)稱為壓縮性。流體受壓力作用，體積減小的性質(zhì)稱為壓縮性。 工程上常用體積壓縮系數(shù)工程上常用體積壓縮系數(shù)的倒數(shù)來表示壓縮性，的倒數(shù)來表示

8、壓縮性， 的倒數(shù)用的倒數(shù)用k表示，稱為體積彈性系數(shù)，即表示，稱為體積彈性系數(shù)，即當(dāng)溫度不變時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)單位當(dāng)溫度不變時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)單位體積的相對(duì)變化率所需要的壓體積的相對(duì)變化率所需要的壓力變化量。力變化量。 k 越大（越大（ 越小）越?。┍硎玖黧w越不容易被壓縮。表示流體越不容易被壓縮。對(duì)于液壓油有：對(duì)于液壓油有：?jiǎn)挝粏挝晃锢砦锢硪饬x意義注意注意三個(gè)三個(gè)問題問題含氣量對(duì)壓縮性的影響含氣量對(duì)壓縮性的影響 等效體積彈性系數(shù)的計(jì)算。等效體積彈性系數(shù)的計(jì)算。 液壓彈簧的概念、剛度系數(shù)計(jì)算、影響。液壓彈簧的概念、剛度系數(shù)計(jì)算、影響。2021-12-23武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院7含氣量對(duì)壓縮性的影響含氣量對(duì)壓縮性

9、的影響一般礦物油的體積彈性模量為：一般礦物油的體積彈性模量為： K=K=（1.41.4 1.9) 1.9) 10103 3MpaMpa。可壓縮性是鋼的可壓縮性是鋼的100100 150150倍倍實(shí)際使用中，由于液體中不可避免地混入空氣，其抗壓實(shí)際使用中，由于液體中不可避免地混入空氣，其抗壓縮能力顯著降低，會(huì)影響液壓系統(tǒng)的工作性能?？s能力顯著降低，會(huì)影響液壓系統(tǒng)的工作性能。-系統(tǒng)系統(tǒng)不穩(wěn)定，噪聲大不穩(wěn)定，噪聲大2021-12-23武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院8粘性的概念粘性的概念 流體流動(dòng)時(shí)，分子之間流體流動(dòng)時(shí)，分子之間產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)。產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)。 注意：流體只有在流動(dòng)時(shí)才呈現(xiàn)出粘性，靜止時(shí)

10、不呈現(xiàn)粘性。注意：流體只有在流動(dòng)時(shí)才呈現(xiàn)出粘性，靜止時(shí)不呈現(xiàn)粘性。 牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律 dyduAFfdydu速度梯度：在垂直速度速度梯度：在垂直速度方向上的速度變化率。方向上的速度變化率。粘性的物理實(shí)質(zhì)粘性的物理實(shí)質(zhì) 流體抵抗剪切變形的能力。流體抵抗剪切變形的能力。 dyduAFfdydu/（切應(yīng)變）（切應(yīng)力）切應(yīng)力切應(yīng)力 2021-12-23武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院9 粘性的度量粘性的度量粘度粘度 粘度粘度概念概念 表示粘性大小的物理量。流體抵抗剪切變形能表示粘性大小的物理量。流體抵抗剪切變形能力的度量，粘度大，這種能力強(qiáng)。力的度量，粘度大，這種能力強(qiáng)。 表表示示方方 法法 動(dòng)力粘度

11、、動(dòng)力粘度、絕對(duì)粘度絕對(duì)粘度單位速度梯度下，單位面積上單位速度梯度下，單位面積上的內(nèi)摩擦力。直接表示粘性的的內(nèi)摩擦力。直接表示粘性的大小。單位：大小。單位： ），（2/msNsPa運(yùn)動(dòng)粘度運(yùn)動(dòng)粘度 不含力、質(zhì)量單位，只含運(yùn)動(dòng)學(xué)單不含力、質(zhì)量單位，只含運(yùn)動(dòng)學(xué)單位位。m m2 2/s/s( (斯）斯）、mmmm2 2/s/s（厘斯）厘斯）， 理論計(jì)算中常出現(xiàn)理論計(jì)算中常出現(xiàn) ，故采用作為一個(gè)參數(shù)。我國(guó)，故采用作為一個(gè)參數(shù)。我國(guó)機(jī)械油牌號(hào)就是相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)粘度機(jī)械油牌號(hào)就是相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)粘度厘斯數(shù)值。厘斯數(shù)值。相對(duì)粘度相對(duì)粘度 我國(guó)采用恩氏粘度我國(guó)采用恩氏粘度 2021-12-23武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院10粘

12、度與溫度、粘度與溫度、壓力的關(guān)系壓力的關(guān)系 流體的粘性給流體的粘性給液壓系統(tǒng)帶來液壓系統(tǒng)帶來了什么影響？了什么影響？ 粘溫特性粘溫特性粘壓特性粘壓特性粘性摩擦粘性摩擦在管道中造成壓力損失在管道中造成壓力損失（能量損失）在液壓閥中增加了閥芯運(yùn)（能量損失）在液壓閥中增加了閥芯運(yùn)動(dòng)的阻力。粘度低時(shí)，增大泄漏，造成動(dòng)的阻力。粘度低時(shí)，增大泄漏，造成流量損失（能量損失）。流量損失（能量損失）。2021-12-23武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院11對(duì)液壓油液對(duì)液壓油液的要求的要求n合適的粘度，具有較好的粘合適的粘度，具有較好的粘溫性能。溫性能。n具有良好的潤(rùn)滑性能和足夠的油膜強(qiáng)度，使系統(tǒng)中的各摩擦表面獲得具有良好的

13、潤(rùn)滑性能和足夠的油膜強(qiáng)度，使系統(tǒng)中的各摩擦表面獲得足夠的潤(rùn)滑而不致磨損。足夠的潤(rùn)滑而不致磨損。n不得含有蒸氣、空氣及容易汽化和產(chǎn)生氣體的雜質(zhì)，否則會(huì)起氣泡。不得含有蒸氣、空氣及容易汽化和產(chǎn)生氣體的雜質(zhì)，否則會(huì)起氣泡。氣泡是產(chǎn)生劇烈振動(dòng)和噪聲的主要原因之一。氣泡是產(chǎn)生劇烈振動(dòng)和噪聲的主要原因之一。n對(duì)金屬和密封件有良好的相容性。不含有水溶性酸和堿等，以免腐蝕對(duì)金屬和密封件有良好的相容性。不含有水溶性酸和堿等，以免腐蝕機(jī)件和管道，破壞密封裝置。機(jī)件和管道，破壞密封裝置。n對(duì)熱、氧化、水解和剪切都有良好的穩(wěn)定性，在貯存和使用過程中不對(duì)熱、氧化、水解和剪切都有良好的穩(wěn)定性，在貯存和使用過程中不變質(zhì)。變

14、質(zhì)。n抗泡沫性好，抗乳化性好，腐蝕性小，防銹性好?？古菽院?，抗乳化性好，腐蝕性小，防銹性好。n熱膨脹系數(shù)低，比熱高，導(dǎo)熱系數(shù)高。熱膨脹系數(shù)低，比熱高，導(dǎo)熱系數(shù)高。n凝固點(diǎn)低，閃點(diǎn)和燃點(diǎn)高。一般液壓油閃點(diǎn)在凝固點(diǎn)低，閃點(diǎn)和燃點(diǎn)高。一般液壓油閃點(diǎn)在130130150150之間。之間。n質(zhì)地純凈，雜質(zhì)少。質(zhì)地純凈，雜質(zhì)少。n對(duì)人體無害，成本低。對(duì)人體無害，成本低。2021-12-23武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院12液壓油液分類液壓油液分類工業(yè)液壓油液石油型機(jī)械油汽輪機(jī)油普通液壓油（YA）專用液壓油抗磨液壓油（YB）低溫液壓油（YC）液壓-導(dǎo)軌油高粘度指數(shù)液壓油（YD）其它專用液壓油難燃型乳化型水包油乳化液

15、（YRA）油包水乳化液（YRB）合成型水-乙二醇液（YRC）磷酸酯液（YRD）其它2021-12-23武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院13液壓油液的選用液壓油液的選用n液壓系統(tǒng)的工作壓力液壓系統(tǒng)的工作壓力 壓力高，要選擇粘度較大的液壓油液。壓力高，要選擇粘度較大的液壓油液。n環(huán)境溫度環(huán)境溫度 溫度高，選用粘度較大的液壓油液。溫度高，選用粘度較大的液壓油液。n運(yùn)動(dòng)速度運(yùn)動(dòng)速度 速度高，選用粘度較低的液壓油液。速度高，選用粘度較低的液壓油液。n液壓泵的類型液壓泵的類型 各類泵都有與之相適宜的粘度范圍各類泵都有與之相適宜的粘度范圍選用液壓油液首選用液壓油液首先考慮的是粘度先考慮的是粘度選擇時(shí)選擇時(shí)要注意要注意2

16、021-12-23武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院14研究液體在靜止?fàn)顟B(tài)下的力學(xué)規(guī)律及其應(yīng)用研究液體在靜止?fàn)顟B(tài)下的力學(xué)規(guī)律及其應(yīng)用n靜壓力及其特性靜壓力及其特性n靜壓力基本方程式靜壓力基本方程式n帕斯卡原理帕斯卡原理n靜壓力對(duì)固體壁面的作用力靜壓力對(duì)固體壁面的作用力2021-12-23武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院15靜壓力靜壓力性質(zhì)性質(zhì)靜止液體中任意點(diǎn)處的壓力與作用方位無關(guān)，靜止液體中任意點(diǎn)處的壓力與作用方位無關(guān)，即在各個(gè)方向上都相等。即在各個(gè)方向上都相等。液體只能受壓不能受拉，壓力必垂直于作用面液體只能受壓不能受拉，壓力必垂直于作用面靜止液體在單位面積上所受的法向力稱為靜壓力。靜止液體在單位面積上所受的法向力稱

17、為靜壓力。p=limF/A （A0）若在液體的面積若在液體的面積A上所受的作用力上所受的作用力F為均勻分布時(shí)，為均勻分布時(shí)，靜壓力可表示為靜壓力可表示為 p = F / A 液體靜壓力在物理學(xué)上稱為壓強(qiáng)，工程實(shí)際應(yīng)用中習(xí)液體靜壓力在物理學(xué)上稱為壓強(qiáng)，工程實(shí)際應(yīng)用中習(xí)慣稱為壓力。慣稱為壓力。2021-12-23武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院16方程推導(dǎo)方程推導(dǎo)方程分析方程分析取研究對(duì)象：微元柱體取研究對(duì)象：微元柱體受力分析受力分析任一點(diǎn)上的靜壓力由兩部分組成：液面任一點(diǎn)上的靜壓力由兩部分組成：液面壓力和單位截面上液柱自重產(chǎn)生的力；壓力和單位截面上液柱自重產(chǎn)生的力；壓力分布規(guī)律：壓力分布規(guī)律：p是是h的線性

18、函數(shù)，也是的線性函數(shù)，也是的線性函數(shù)。的線性函數(shù)。引伸出引伸出pascal定理：液面壓力將等值地傳遞到液體中任一點(diǎn)上去。定理：液面壓力將等值地傳遞到液體中任一點(diǎn)上去。等壓面概念：在連通器中，同一液體中深度相等的各點(diǎn)壓力相等。等壓面概念：在連通器中，同一液體中深度相等的各點(diǎn)壓力相等。壓力相等的點(diǎn)組成的面稱為等壓面。壓力相等的點(diǎn)組成的面稱為等壓面。坐標(biāo)變換后的另一種形式：坐標(biāo)變換后的另一種形式：constgpzgpz00AghApAp0ghpp0液體靜力學(xué)基本方程液體靜力學(xué)基本方程z0zzzh0在密閉容器內(nèi)，施加于靜止液體的壓力可以等值地傳遞到液體在密閉容器內(nèi)，施加于靜止液體的壓力可以等值地傳遞到

19、液體各點(diǎn)。也稱為靜壓傳遞原理。各點(diǎn)。也稱為靜壓傳遞原理。帕斯卡原理帕斯卡原理2021-12-23武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院17方程的方程的物理意義物理意義液體重量壓力能mgpVVgpVgp單位重量液體具有的壓力能稱為比壓力能：?jiǎn)挝恢亓恳后w具有的壓力能稱為比壓力能：?jiǎn)挝皇情L(zhǎng)度單位（高度）單位是長(zhǎng)度單位（高度）單位重量液體具有的位能（勢(shì)能）稱為比壓力能：?jiǎn)挝恢亓恳后w具有的位能（勢(shì)能）稱為比壓力能： 液體重量位能（勢(shì)能）mgzmgz單位也是長(zhǎng)度單位（高度）單位也是長(zhǎng)度單位（高度）注意物理概念注意物理概念“勢(shì)勢(shì)”的解釋，勢(shì)變量、勢(shì)函數(shù)。的解釋，勢(shì)變量、勢(shì)函數(shù)。靜止液體中，各點(diǎn)處的總能量由位置勢(shì)能靜止液體中，

20、各點(diǎn)處的總能量由位置勢(shì)能和壓力勢(shì)能組成，且保持不變。和壓力勢(shì)能組成，且保持不變。 定義定義constgpzgpz002021-12-23武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院18計(jì)算基準(zhǔn)計(jì)算基準(zhǔn)絕對(duì)壓力、相對(duì)壓力、真空度絕對(duì)壓力、相對(duì)壓力、真空度壓力單位壓力單位aaaaMPPkPmNP，5210)/(壓力單位：壓力單位： 液柱高度：液柱高度： ），（液柱高度），（mmHggphp大氣壓?jiǎn)挝唬捍髿鈮簡(jiǎn)挝唬?aPmmHgatm51001325. 1760標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn) 以絕對(duì)真空（零壓）為基準(zhǔn)以絕對(duì)真空（零壓）為基準(zhǔn)絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力 以大氣壓力為基準(zhǔn)以大氣壓力為基準(zhǔn)相對(duì)壓力相對(duì)壓力 絕對(duì)壓力不足大氣壓力的那部分?jǐn)?shù)值絕對(duì)壓

21、力不足大氣壓力的那部分?jǐn)?shù)值2021-12-23武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院19解題關(guān)鍵解題關(guān)鍵抓住等壓面！抓住等壓面！oil酒精酒精lhh1h2h3ABpAHgp4p3p2p1334ghppHg223ghpps112ghppHg)(11hhgppHgA空氣空氣注意計(jì)算結(jié)果的數(shù)值注意計(jì)算結(jié)果的數(shù)值04 ppA04 ppA表壓力表壓力取絕對(duì)值為真空度！取絕對(duì)值為真空度！求求A管中油液液面的壓力管中油液液面的壓力2021-12-23武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院20壓力傳遞原理壓力傳遞原理作用力放大作用力放大壓力放大壓力放大A1A2p1、Q1p2、Q2 2211ApAp2112AApp 21AA 12pp 液壓千斤頂液壓千斤頂Pascal原理原理 液壓傳動(dòng)的基礎(chǔ)液壓傳動(dòng)的基礎(chǔ)ghpp0液面壓力可以等值地傳遞到連通器液體中的任一點(diǎn)上。液面壓力可以等值地傳遞到連通器液體中的任一點(diǎn)上。0pp atm