第二章 液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)

第二章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)第1頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月一、液壓油的主要性質(zhì)1、密度單位體積液體的質(zhì)量稱為該液體的密度?！?-1流動液體的基本力學(xué)特性單位：kg/m3一般液壓油的密度為900kg/m3第2頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月可壓縮性:液體受壓力作用而發(fā)生體積縮小的性質(zhì)。體積壓縮系數(shù)：體積為v的液體，當(dāng)壓力增大△p時，體積減小△v,則液體在單位壓力變化下體積的相對變化量。2、可壓縮性κ=-△v/△pvK=1/κ=-△pv/△v液體的體積模量：K表示單位體積相對變化量所需要的壓力增量，也即液體抵抗壓縮能力的大小。第3頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月在常溫下，一般認為油液是不可壓縮的。若分析動態(tài)特性或p變化很大的高壓系統(tǒng)，則必須考慮可壓縮性的影響。盡量減少油液中的游離空氣。第4頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月3、粘性（1）物理本質(zhì)液體在外力作用下流動時,由于液體分子間的內(nèi)聚力和液體分子與壁面間的附著力，導(dǎo)致液體分子間相對運動而產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力，這種特性稱為粘性?；?流動液體流層之間產(chǎn)生內(nèi)部摩擦阻力的性質(zhì)。第5頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）牛頓內(nèi)摩擦定律

液體流動時，相鄰液層間的內(nèi)摩擦力F與液層接觸面積A及液層之間的相對運動速度du成正比，而與液層間的距離dy成反比，即：F=μAdu/dy若用單位接觸上的內(nèi)摩擦力τ（切應(yīng)力）來表示，則：（牛頓內(nèi)摩擦定律）τ=F/A=μ·du/dy

μ-粘性系數(shù)du/dy-速度梯度∵液體靜止時,du/dy=0∴靜止液體不呈現(xiàn)粘性第6頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

（3）粘度

常用的粘度有三種：動力粘度（絕對粘度）、運動粘度和相對粘度。

1）動力粘度μ是表征流動液體內(nèi)摩擦力大小的粘度系數(shù)。其值等于液體在以單位速度梯度流動時，液層接觸面單位面積上的內(nèi)摩擦力，即：μ=F/（Adu/dy）=τ·dy/du單位：Pa·s(帕·秒）第7頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月2）運動粘度ν:動力粘度μ與液體密度ρ之比值，即：ν=μ/ρ物理意義：無（只是因為μ/ρ在流體力學(xué)中經(jīng)常出現(xiàn),∴用ν代替（μ/ρ）)單位：㎡/s，c㎡/s，m㎡/sISO和我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，工作介質(zhì)按其在一定下運動粘度的平均值來標(biāo)定粘度等級。第8頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）粘度和溫度的關(guān)系油液對溫度的變化很敏感，由左圖可看出：溫度升高，油的粘度即降低。油的粘度隨溫度變化的性質(zhì)稱粘溫特性。第9頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月液體所受的壓力增大時，其分子間的距離將減小，內(nèi)摩擦力增大，粘度亦隨之增大。（5）粘度與壓力的關(guān)系第10頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月4、其它性質(zhì)油液的其他物理及化學(xué)性質(zhì)包括：防銹性、潤滑性、抗燃性、抗凝性、抗氧化性、抗泡沫性、抗乳化性、導(dǎo)熱性、相容性以及純凈性等。都對液壓系統(tǒng)工作性能有重要影響。第11頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月二、液壓油的選用1、液壓油的使用要求1）對人體無害且成本低廉；2）粘度適當(dāng)，粘溫特性好；3）潤滑性能好，防銹能力強；4）質(zhì)地純凈，雜質(zhì)少；5）對金屬和密封件有良好的相容性；6）氧化穩(wěn)定性好，長期工作不易變質(zhì)；7）抗泡沫性和抗乳化性好；8）體積膨脹系數(shù)小；9）燃點高，凝點低；

第12頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月2、液壓油的品種主要分為：礦油型、合成型和乳化型三大類液壓油的主要品種、ISO代號及其特性用途見表2-1。目前，90%以上的液壓設(shè)備采用石油型液壓油，其粘度高、潤滑性能較好，但抗燃性較差。第13頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月三、液壓油的選擇1、油液品種的選擇一般應(yīng)根據(jù)是否液壓專用、有無起火危險、工作壓力及溫度范圍等。2、選擇油的粘度等級一般是液壓系統(tǒng)的工作壓力較高或環(huán)境溫度較高時，選擇粘度較高的液壓油。工作部件的運動速度較高時，選擇粘度較低的液壓油。由于液壓泵對液壓油的性質(zhì)最為敏感，因此，常根據(jù)液壓泵的類型及其要求來選擇液壓油的粘度。第14頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月四、液壓油的污染及控制1、污染的危害（1）堵塞（2）加速液壓元件的磨損，擦傷密封件，造成泄漏增加（3）水分和空氣的混入會降低液壓油的潤滑能力，并使其變質(zhì)，產(chǎn)生氣蝕，使液壓元件加速損壞，使液壓系統(tǒng)出現(xiàn)振動、噪音、爬行等現(xiàn)象。第15頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月2、污染的原因（1）殘留物的污染液壓元件內(nèi)殘留物（2）侵入物的污染環(huán)境侵入（3）生成物的污染金屬微粒、密封件磨損、液壓油變質(zhì)等。第16頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月3、污染的控制（1）消除殘留物的污染（2）力求減少外來污染（3）濾除系統(tǒng)產(chǎn)生的雜質(zhì)（4）定期檢查更換液壓油第17頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-2液體靜力學(xué)一、靜壓力（壓力）及其性質(zhì)1.靜止液體：液體內(nèi)部質(zhì)點與質(zhì)點無相對運動2.靜壓力：單位面積上液體所受作用力單位:第18頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-2液體靜力學(xué)一、靜壓力（壓力）及其性質(zhì)3.性質(zhì)：靜止液體不呈粘性；液體靜壓力垂直于作用面，指向作用面的內(nèi)法線方向；靜止液體內(nèi)，任意點的壓力在各個方向上都相等。第19頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-2液體靜力學(xué)二、在重力作用下靜止液體中的壓力分布

第20頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-2液體靜力學(xué)二、在重力作用下靜止液體中的壓力分布

結(jié)論：靜壓力由兩部分組成：液面壓力液柱重量產(chǎn)生的壓力靜止液體內(nèi)的壓力沿深度呈直線規(guī)律分布；離液面深度相同處各點的壓力都相等。第21頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-2液體靜力學(xué)三、壓力的表示方法及單位1.絕對壓力2.相對壓力3.真空度帕（Pa）：N/㎡絕對壓力＝相對壓力＋大氣壓力真空度＝大氣壓力－絕對壓力＝負的相對壓力第22頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-2液體靜力學(xué)四、帕斯卡定律－－靜壓傳遞原理帕斯卡原理（靜壓傳遞原理）：在密閉的容器內(nèi)，施加于靜止液體上的壓力將以等值同時傳到液體各點。第23頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-2液體靜力學(xué)四、帕斯卡定律－－靜壓傳遞原理盛放在密封容器內(nèi)的液體，其外加壓力p0發(fā)生變化時，只要液體仍然保持原有的靜止?fàn)顟B(tài)，液體中的任一點的壓力，均將發(fā)生同樣大小的變化。第24頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-3液體動力學(xué)基礎(chǔ)液體動力學(xué)：

1.基本概念；

2.基本方程：連續(xù)方程（質(zhì)量守恒定律）伯努利方程（能量守恒定律）動量方程（動量守恒定律）第25頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月一、基本概念1.理想液體：是一種假想的沒有粘性、不可壓縮的液體。2.恒定流動：指液體運動參數(shù)僅是空間坐標(biāo)的函數(shù)，不隨時間變化，即在任何時間內(nèi)，通過空間某一固定點的各液體質(zhì)點的速度、壓力和密度等參數(shù)都保持某一常數(shù)?！?-3液體動力學(xué)基礎(chǔ)第26頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月一、基本概念3.非恒定流動：通過空間某一固定點的各液體質(zhì)點的速度、壓力和密度等任一參數(shù)只要有一個是隨時間變化的，即為非恒定流動。§1-3液體動力學(xué)基礎(chǔ)第27頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月一、基本概念5.流量：單位時間內(nèi)通過某通流截面的液體體積，用qv來表示。4.過流斷面（通流截面）：液體在管道中流動時，其垂直于流動方向的截面。理想液體：

qv=V/t=Al/t=Au

單位：

m3/s;L/min.1m3/s=6×104L/min實際液體：§1-3液體動力學(xué)基礎(chǔ)第28頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月一、基本概念6.平均流速：是假想的液體運動速度，認為通流截面上所有各點的流速均等于該速度，以此流速通過通流截面的流量恰好等于以實際不均勻的流速所通過的流量?！?-3液體動力學(xué)基礎(chǔ)第29頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月二、層流、紊流、雷諾數(shù)p16§1-3液體動力學(xué)基礎(chǔ)第30頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月二、層流、紊流、雷諾數(shù)層流：指液體流動時，液體質(zhì)點沒有橫向運動，互不混雜，呈線狀或?qū)訝畹牧鲃印Ｎ闪鳎褐敢后w流動時，液體質(zhì)點有橫向流動（或產(chǎn)生小漩渦），作混雜紊亂的流動狀態(tài)。§1-3液體動力學(xué)基礎(chǔ)第31頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月二、層流、紊流、雷諾數(shù)層流和紊流是兩種不同性質(zhì)的流動狀態(tài)。層流——粘性力起主導(dǎo)作用紊流——慣性力起主導(dǎo)作用液體的流動狀態(tài)用雷諾數(shù)來判斷§1-3液體動力學(xué)基礎(chǔ)第32頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月二、層流、紊流、雷諾數(shù)雷諾數(shù)非圓截面管道雷諾數(shù)計算詳見教材P16.式中：v

為管內(nèi)的平均流速d

為管道內(nèi)徑ν為液體的運動粘度雷諾數(shù)為無量綱數(shù)。如果液流的雷諾數(shù)相同，它的流動狀態(tài)亦相同?！?-3液體動力學(xué)基礎(chǔ)第33頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月一般以液體由紊流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鞯睦字Z數(shù)作為判斷液體流態(tài)的依據(jù)，稱為臨界雷諾數(shù)，記為Rec。當(dāng)Re＜Rec，為層流；當(dāng)Re＞Rec，為紊流。常見液流管道的臨界雷諾數(shù)見下表。§1-3液體動力學(xué)基礎(chǔ)第34頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月二、層流、紊流、雷諾數(shù)§1-3液體動力學(xué)基礎(chǔ)第35頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月三、連續(xù)性方程假設(shè)液體是不可壓縮的，而且是作恒定流動，則液體的流動過程遵守質(zhì)量守恒定律，即在單位時間內(nèi)流體流過通道任意截面的液體質(zhì)量相等?！?-3液體動力學(xué)基礎(chǔ)第36頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月四、伯努利方程－－能量守恒定律§1-3液體動力學(xué)基礎(chǔ)第37頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月⑴外力對液體所作的功

P17W=p1dA1ds1-p2dA2ds2=p1dA1u1dt-p2dA2u2dt由連續(xù)性方程：dA1u1=dA2u2=dq代入得：W=dqdt(p1-p2)(2)液體機械能的變化動能的變化：ΔEk=ρdqdtu22/2-ρdqdtu12/2位能的變化：ΔEp=ρgdqdth2-ρgdqdth1機械能的變化：ΔE=ΔEk+ΔEp1、理想液體的伯努利方程

第38頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)能量守恒定律：外力對液體所作的功，應(yīng)等于其機械能的變化，即：ΔE=W

物理意義：在密閉管道內(nèi)作恒定流動的理想液體，具有三種形式的能量。即壓力能、動能和位能，它們之間可以相互轉(zhuǎn)化，但在管道內(nèi)任一處，單位重量的的液體所包含的這三種能量的總和是一定的。

§1-3液體動力學(xué)基礎(chǔ)第39頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月2、實際液體的伯努利方程

式中：hw為能量損失。α1、

α2是動能修正系數(shù)，其值與液體的流態(tài)有關(guān)，紊流時等于1，層流時等于2?！?-3液體動力學(xué)基礎(chǔ)第40頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月五、動量方程P19剛體力學(xué)動量定理指出，作用在物體上的外力等于物體在單位時間內(nèi)的動量變化量，即p19：

β1、β2——動量修正系數(shù)，紊流時β=1，層流β=4/3。第41頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

上式表明：作用在液體控制體積上的外力的總和，等于單位時間內(nèi)流出控制表面與流入控制表面的液體動量之差。作用在固體壁面上的力是：五、動量方程第42頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月求滑閥閥芯所受的軸向穩(wěn)態(tài)液動力。

第43頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-4液體流動時的壓力損失

一、沿程壓力損失液體在等徑直管中流動時因粘性摩擦而產(chǎn)生的壓力損失，稱為沿程壓力損失。1.層流時的沿程壓力損失

⑴通流截面上的流速分布規(guī)律

第44頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月（p1-p2）πr2=Ff

式中，內(nèi)摩擦力Ff=-2πrlμdu/dr（負號表示流速u隨r的增大而減小）。若令Δp=p1-p2，則將Ff代入上式整理可得

§1-4液體流動時的壓力損失p20

第45頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月⑵通過管道的流量

對于半徑為r，寬度為dr的微小環(huán)形通流截面，面積dA=2πrdr，所通過的流量

§1-4液體流動時的壓力損失

第46頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月⑶管道內(nèi)的平均流速

⑷沿程壓力損失

§1-4液體流動時的壓力損失

λ為沿程阻力系數(shù)第47頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月對于圓管層流，理論值λ=64/Re。實際計算時，對金屬管取λ=75/Re，橡膠管λ=80/Re。2.紊流時的沿程壓力損失p21

λ=f（Re，Δ/d），對于光滑管，λ=0.3164Re-0.25；對于粗糙管，λ的值可以根據(jù)不同的Re和Δ/d從手冊上有關(guān)曲線查出(p22圖2-17)?！?-4液體流動時的壓力損失

第48頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月二、局部壓力損失批p22

液體流經(jīng)管道的彎頭、管接頭、突變截面以及閥口、濾網(wǎng)等局部裝置時，液流會產(chǎn)生旋渦，并發(fā)生強烈的紊動現(xiàn)象，由此而造成的壓力損失稱為局部壓力損失。式中ζ——局部阻力系數(shù)。

qn——閥的額定流量；

Δpn——閥在額定流量qn下的壓力損失；

q——通過閥的實際流量?！?-4液體流動時的壓力損失

閥類元件局部壓力損失實際計算公式第49頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月三、管路中的總壓力損失

整個管路系統(tǒng)的總壓力損失應(yīng)為所有沿程壓力損失和所有局部壓力損失之和，即

從公式可以看出，減小流速，縮短管道長度，減少管道截面的突變，提高管道內(nèi)壁的加工質(zhì)量等，都可使壓力損失減小。

§1-4液體流動時的壓力損失

第50頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-5小孔和縫隙流量

一、液體流過小孔的流量小孔可分為三種：當(dāng)小孔的長徑比l/d≤0.5時，稱為薄壁孔；

l/d＞4時，稱為細長孔；

0.5＜l/d≤4時，稱為短孔。對薄壁孔：

第51頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月第52頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月式中，hw為局部能量損失，它包括兩部分，即截面突然減小時的局部壓力損失hw1和截面突然增大時的局部壓力損失hw2。

由于Ae《A2，所以

第53頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月將上式代入伯努利方程，并注意到由于A1=A2，故v1=v2，α1=α2；且h1=h2，得：

——小孔前后的壓力差，

——小孔速度系數(shù)，第54頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月式中

——流量系數(shù)，=——收縮系數(shù)，

——小孔通流截面的面積——收縮斷面的面積；對細長孔片(p21式2-26）：小孔的流量壓力特性公式（p25式2-37）：m——由孔的長徑比決定的指數(shù)。薄壁孔m=0.5，細長孔m

=1。K

——系數(shù)p25。第55頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月二、縫隙流量

㈠液體流過平行平板縫隙的流量1、流過固定平行平板縫隙的流量（壓差流動）

pbdy+（τ+dτ）bdx=（p+dp）bdy+τbdx

整理后得：

第56頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

式中，C1、C2為積分常數(shù)。由邊界條件：當(dāng)y=0，u=0；y=δ，u=0，分別代入得：在縫隙液流中，dp/dx是一常數(shù)

第57頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月2.液體流過相對運動的平行平板縫隙的流量（剪切流動）當(dāng)一平板固定，另一平板以速度u0作相對運動時，液體的平均流速v=u0/2，故由于平板相對運動而使液體流過縫隙的流量為：

既有壓差流動，又有剪切流動時p27

第58頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）圓環(huán)縫隙的流量

⑴流過同心圓環(huán)縫隙的流量

第59頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月⑵流過偏心圓環(huán)縫隙的流量

若圓環(huán)的內(nèi)外圓不同心，偏心距為e，則形成偏心圓環(huán)縫隙。其流量公式為：式中δ——內(nèi)外圓同心時的縫隙厚度；

ε——相對偏心率，

ε=e/δ

第60頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月一、液壓沖擊定義：在液壓系統(tǒng)中，由于某種原因，系統(tǒng)的壓力在某一瞬間會突然急劇上升，形成很高的壓力峰值，這種現(xiàn)象稱為液壓沖擊。1．液壓沖擊產(chǎn)生的原因（1）閥門突然關(guān)閉或換向；（2）運動部件突然制動或換向；（3）某些液壓元件動作失靈或不靈敏。§1-6液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象第61頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月液壓沖擊引起振動、噪聲、導(dǎo)致某些元件如密封裝置、管路等損壞；使某些元件（如壓力繼電器、順序閥等）產(chǎn)生動作，影響系統(tǒng)正常工作。2、液壓沖擊產(chǎn)生的危害性第62頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月3．沖擊壓力假設(shè)系統(tǒng)的正常工作壓力