体力学基础课件

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1、液压流体力学基础,本章目录,教学要求,重点难点,液压传动是以液体作为工作介质进行能量传递的，因而，了解液体的物理性质，掌握液体在静止和运动过程中的基本力学规律，对于正确理解液压传动的基本原理，合理设计和使用液压系统都非常必要。,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。 1、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律，掌握静力学基本方程、压力表达式和结论； 2、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； 3、了解流量公式、特点、两种现象产生原因，掌握薄壁孔流量公式及通用方程、两种现象的危害及消除。,重点、难点,液压油的粘

2、性和粘度 粘温特性 静压特性 压力形成 静力学基本方程 流量与流速的关系，三大方程的形式及物理意义,本章目录,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,主要内容：,流体的密度和重度,液体的密度,液压油的密度为900kg/m3,液体的重度,液压油的重度为8800N/m3,重度与密度的关系,液体的可压缩性,液体的弹性模量K,液体产生单位体积相对压缩量所需的压力增量,液压油弹性模量为K=(1.42.0)X109Pa 等效（常用）弹性模量为K=(0.71.7)X109Pa,液体的粘性和粘度,液体的粘性,液体在外力作

3、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,内摩擦力,内摩擦应力,液体的粘度,度量液体粘性大小的物理量,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 。,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,cSt,6,10,1,=,对同一种介质，其运动粘度新旧牌号对比如下表所示：,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 雷式粘度R英国、欧洲 赛式粘度SSU美国 恩式粘度oE俄国、德国、中国,单位：无量纲,t2,oE,=,200ml 温度为T的被测

4、液体,流经恩氏粘度计小孔（2.8mm）所用时间t1，与同体积20度的水通过小孔所用时间t2之比。,t1,.,3.几点说明,三种粘度之间的关系,影响粘度的因素,调和油的粘度,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 粘温特性好 有良好的润滑性 成分要纯净 有良好的化学稳定性 抗泡沫性和抗乳化性好 材料相容性好 无毒，价格便宜,液压油的类型和选用,液压油的类型,石油型液压油 合成型液压油 乳化型液压油,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

5、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,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,液压油的污染源,系统残留物 外界侵入物 内部生成物,污染的控制,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,压力的概念 压力的分布 压力的表示 压力的传递 压力的计算,压力的概念,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

6、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,（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）按测量方式表示 水

7、柱高度（m)、水银柱高度（mm) 单位面积受力值（帕Pa、兆帕MPa、工程大气压at） 2）按测量基准不同表示 pp0 p表压=p相对= p绝对 p0 pp0 p真空度= p相对=p0 p绝对,压力的传递,静止液体密闭容器内压力 等值传递。 流动液体压力传递时考虑 压力损失。 例 已知：=900kg/m2 F=1000N, A=1X10-3m2 求：在h=0.5m 处p=? 解 表面压力： p0=F/A=1000/1x10-3=106N/m2 h处的压力： p=p0+gh=106Pa,帕斯卡原理,帕斯卡原理,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。 这就是帕斯卡原理，也称为

8、静压传递原理。图示是应用帕斯卡原理的实例，作用在大活塞上的负载F1形成液体压力p= F1/A1 。为防止大活塞下降，在小活塞上应施加的力 F2= pA2= F1A2/A1。由此可得： 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=5000kgx9.8m/s2 =49000N 由p1=p2 则F/(d2/4)=G/（D2/4) F=(d2/D2)G =(202/1002)49000=1960N,压力的计算,液体和固体壁面接触时，固体壁面将受到液体静压力的作用。,

9、F=pAx,当固体壁面为平面时，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

10、的既无粘性又不可压缩的流体称为理想流体。 实际液体：有粘度、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.流线、流束、流管、通流截面： 流线：液流中各质点的速度方向相切的曲线。 流束：许多流线组成的一束曲线。 流管：通过一条封闭曲线的密集流线束。 通流截面：垂直于流动方向的截面，也称为过流截面。,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

11、质点流速不等。 平均流速：通过流体某截面流速的平均值。,1）实验 2）流态 层流： 分层、稳定、 无横向流动。 湍流： 不分层、不稳定、有横向流动。 3）判定流态 雷诺数Re 临界雷诺数Rec 判定方法 Re Rec湍流,4、液体的流态,物理意义,Re无量纲,非圆管截面,液体在管内作恒定流动，任取1、2两个通流截面，根据质量守恒定律，在单位时间内流过两个截面的液体流量相等，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

12、=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：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,所以,2、实际液体伯努利方程,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,m2v2,动量方程,依据：动量定理,m1v1,F,t,12-动量修正系数，湍流=1，层流=4/3,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.液体受力 Fx=q(2

13、v2cos901v1cos) 取1=1 则 Fx=q1v1cos 2.阀芯受力 Fx=Fx=q1v1cos 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。压力损失即是伯努利方程中的hw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,流态，雷诺数,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

14、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Rec。 当ReRec为层流；当ReRec为湍流。 常见液流管道的临界雷诺数见教材中表格2-4。,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,沿程压力损失,液体在等径直管中流动时因粘性摩擦而产生的损失，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.管中液体的平均流速 3.沿程压力损失,4.沿程压力损失系数 对于层流 理论值=64/Re；金属管

15、=75/Re; 橡胶管=80/Re 对于湍流 光滑管=0.3164Re-0.25 粗糙管与Re和/d有关，从手册上查取,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，会产生漩涡并发生紊动现象，由此造成的压力损失称为局部压力损失。 p= v 2 / 2 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压力下的压力损失pn来换算： pv= pn（q / qn ）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）。,第五节 液体流经小孔和缝隙的流量,小孔

16、：薄壁孔(l/d0.5) 细长孔 (l/d4） 短孔（0.5l/d4) 1.薄壁孔 (l/d0.5) 水平放置 h1=h2 ;管径变化大 v1ve ; 湍流2=1 则：,在液压元件特别是液压控制阀中，对液流压力、流量及方向的控制通常是通过特定的孔口来实现的，它们对液流形成阻力，使其产生压力降，称其为液阻。,流量系数Cq Cv称为速度系数 ；Cc称为截面收缩系数。流量系数Cq的大小一般由实验确定，在液流完全收缩(d1/d7)的情况下，当Re10 5时，可以认为是不变的常数，计算时按Cq=0.600.62选取；不完全收缩(d1/d7)，Cq=0.70.8。 薄壁小孔因沿程阻力损失小（？），流量对油温变化不敏感，因此多被用作调节流量的节流器。