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1、 第二章 流体力学基础第一节 流体传动的工作介质一、液压油的主要性质 1、密度n单位体积液体的质量称为该液体的密度 。2、液体的可压缩性n可压缩性:液体受压力作用而发生体积 缩小的性质n在常温下，一般认为油液是不可压缩 的。若分析动态特性或p变化很大的高 压系统，则必须考虑可压缩性得影响 。尽量减少油液中的游离空气。3、液体的粘性 （1）物理本质液体在外力作用下流动时,由于 液体分子间的内聚力和液体分子与壁 面间的附着力，导致液体分子间相对 运动而产生的内摩擦力，这种特性称 为粘性。或: 流动液体流层之间产生内 部摩擦阻力的性质。（2）牛顿内摩擦定律液体流动时，相邻液层间的内摩擦力 F与液层接
2、触面积A及液层之间的相对运动速 度dv 成正比，而与液层间的距离dy成反比 ，即：F=uAdv/dy若用单位接触上的内摩擦力 （切应 力）来表示，则：（牛顿内摩擦定律）= F/A = udu/dynu-粘性系数 du/dy-速度梯度 液体静止时,du/dy = 0 静止液体不呈现粘性n液体的粘性 （3）粘度常用的粘度有三种：动力粘度、运动 粘度和相对粘度。1）动力粘度 是表征流动液体内摩擦 力大小的粘度系数。其值等于液体在以单位 速度梯度流动时，液层接触面单位面积上的 内摩擦力，即：=F/（Adu/dy）=dy/du 单位：Pas(帕秒）2）运动粘度: 动力粘度与液体密度 之比值，即：= /n
3、物理意义：无（只是因为/在流体 力学中经常出现, 用代替（/ ） ) n单位：/s，c/s，m/snISO和我国标准规定，工作介质按其在 一定下运动粘度的平均值来标定粘度等 级。3）相对粘度（条件粘度）：是采用特定的 粘度计在规定的条件下测出来的液体粘度 。我国采用恩氏粘度（E）。恩氏粘度用 恩氏粘度计测定。200ml=2. 8mm恩氏粘度计式中：t1 油流出的时间t220C蒸馏水流出时间n恩氏粘度与运动粘度的换算关系（4）粘温特性粘温特性：温度升高时，液体分 子间的内聚力减小，其粘度下降的特性。 图2-2所示为几种常用的国产油液的粘温图 ；（5）其它性质油液的其他物理及化学性质包括 ：防锈性
4、、润滑性、抗燃性、抗凝性 、抗氧化性、抗泡沫性、抗乳化性、 导热性、相容性以及纯净性等。都对 液压系统工作性能有重要影响。二、液压油的选用 1、液压油的使用要求 1）对人体无害且成本低廉；2）粘度适 当，粘温特性好；3）润滑性能好，防 锈能力强；4）质地纯净，杂质少；5） 对金属和密封件有良好的相容性；6） 氧化稳定性好，长期工作不易变质；7 ）抗泡沫性和抗乳化性好；8）体积膨 胀系数小；9）燃点高，凝点低；2、液压油的品种n主要分为：矿油型、合成型和乳化型 三大类n 液压油的主要品种、ISO代号及其 特性用途见表2-1。n 目前，90%以上的液压设备采用石 油型液压油，其粘度高、润滑性能较
5、好，但抗燃性较差。三、液压油的选择 1、油液品种的选择一般应根据是否液压专用、有无起火危 险、工作压力及温度范围等。可参考表21 来选择。 2、选择油的粘度等级一般是液压系统的工作压力较高或环境 温度较高时，选择粘度较高的液压油。工作 部件的运动速度较高时，选择粘度较低的液 压油。由于液压泵对液压油的性质最为敏感， 因此，常根据液压泵的类型及其要求来选择 液压油的粘度。见表22。四、空气的主要性质 1、空气的性质 （1）空气的组成 主要成分有氮气、氧气和一定量的水蒸 气。q含水蒸气的空气称为湿空气。q不含水蒸气的空气称为干空气。（2）空气的基本性质 1)密度和质量体积。单位体积内空气的质量，称
6、为空 气的密度，以 表示，即质量体积：单位质量空气的体积v=1/（m3/kg） 2）压缩性一定质量的气体，由于压力的改变而 导致气体容积发生变化的现象，称为气体 的可压缩性。 3）粘性气体质点相对运动是产生阻力的性质 成为气体的粘性。空气粘性随温度变化而 变化，温度升高，粘性增加；反之亦然。 n理想气体假设气体分子的体积为零，且分子之 间没有吸引力的假想气体。 2、湿空气 （1）绝对湿度和饱和湿度 1)绝对湿度单位体积的湿空气中所含水蒸汽的质量 ，称为湿空气的绝对湿度，用 表示， 即2)饱和绝对湿度湿空气中水蒸汽的分压力达到该温 度下水蒸汽的饱和压力，则此时的绝对 湿度称为饱和绝对湿度，用b表
7、示， 即（2）相对湿度 在相同温度和相同压力下，绝对湿度和 饱和绝对湿度之比称为相对湿度，用 表示，即：n 值越小，湿空气吸收水蒸汽的能力越 强。反之，越弱。n空气绝对干燥时， =0， =0；n空气达到饱和时， = ， =100% n湿空气的 值在0-100之间变化， 通常空气的 值在60-70范围内 人体感到舒适。气动技术规定各种阀 的相对湿度不得超过9095。（3）含湿量单位质量的干空气中所含有的水 蒸汽的质量，称为质量含湿量，用d 表示，即 五、 气体状态方程 1、理想气体状态方程在平衡状态下，理想气体的三个基本 状态参数：压力、温度和质量体积之间的 关系为：或者n对定量气体：n只要压力
8、不超过20MPa，绝对温度不低于 253K，对空气、氧，、氮、二氧化碳等气 体，该两方程均适用。2、理想气体状态变化过程1等容过程 一定质量的气体在状态变化过程中，若体积 保持不变时，则称为等容过程，有上式表明，当体积不变时，压力的变化与温 度的变化成正比。2、等压过程一定质量的气体在状态变化过程中， 若压力保持不变时，则称为等压过程，有上式说明：压力不变时，体积与绝对 温度成正比关系，气体吸收或释放热量而发 生状态变化 。（3）等温过程一定质量的气体在状态变化过程中，若 温度保持不变时，则称为等温过程，有即温度不变时，气体压力与比容成反比关系。 （4）绝热过程一定质量的气体在状态变化过程中，
9、若 与外界完全无热量交换，则称为绝热过程，有或者在绝热过程中，气体状态变化与外界无热 量交换，系统依靠本身内能的消耗对外作功。（5）多变过程一定质量的气体若其基本状态参数都在 变化，这种变化过程称为多变过程，即当n=0时， , 为等压过程； 当n=1时， ，为等温过程； 当n=k时， ，为绝热过程； 当n= 时， 为等容过程 ；六、气压传动系统对空气的要求 1）要求压缩空气具有一定的压力和足 够的流量； 2）要求压缩空气具有一定的清洁度和 干燥度； 清洁度：指气源中含油量、含灰尘、杂 质的质量及颗粒大小要控制在很低范 围内。 干燥度：指压缩空气中含水量的多少。第二节 液体静力学研究内容： 研究
10、液体处于静止状态 的力学规律和这些规律的实际应用。静止液体： 指液体内部质点之间没 有相对运动，至于液体整体完全可以象刚 体一样做各种运动。 1、液体的压力 定义：液体单位面积上所受的法向力，物 理学中称压强 ，液压传动中简称压力 。 用p来表示2、静止液体压力的分布在外力作用下的静止液体，其受 力见图23。n基本方程：pp0+ghn重力作用下液体上的压力分布特征： 1）任一点处的压力由两部分组成：液面 上的压力和液体自重所形成的压力； 2）静静止液体内的压力随液体深度呈直 线规律分布； 3）深度相同的各点组成等压面；3、压力的表示和单位 绝对压力：以绝对真空为基准来度量的压力 相对压力：以大
11、气压为基准来度量的压力相对压力（表压）= 绝对压力 - 大气压力真空度 = 大气压力 - 绝对压力 绝对压力、相对压力和真空度 压力单位：Pa (帕）或N/(牛/米）1MPa=103kPa=106Pa4、 压力决定于负载1 、 帕斯卡原理（静压传递原理）在密闭容器内，液体表面的压力可等 值传递到液体内部所有各点。根据帕斯卡原理： p = F/A2 、 液压系统压力形成p = F/A F = 0 p = 0F pF p 结论： 液体内部的的压力是由外界负 载作用所形成，即压力决定于负载。图25 液体内压力计算5、 液体对固体壁面的作用力1 ）作用在平面上的总作用力 如下图，当固体壁面是一个平面时
12、： F = ApD2p/42 ）作用在曲面上的总作用力 如图b、c的球面和圆锥，其力Fx 按式（226）计算。即：Px=pAxpd2/4曲面在某一方向上所受的作用力，等 于液体压力与曲面在该方向的垂直投影面 积之乘积。第三节 液体动力学n 研究内容：研究液体运动和引起运动 的原因，即研究液体流动时流速和压力之 间的 关系（或液压传动两个基本参数的变化规 律 主要讨论：动力学三大方 程 一、基本概念 1、 理想液体和恒定流动 （1）理想液体与实际液体 理想液体：既无粘性又不可压缩的液体实际液体：既有粘性又可压缩的液体（2）恒定流动和非恒定流动 恒定流动：流动液体中任一点的p、u和都 不随间而变化
13、的流动。反之，为非恒定流 动。2、过流断面、流量和平均流速n过流断面：液体在管道中流动时，其垂直于 液体流动方向的截面。n流量：单位时间内流过某通流截面的液体的 体积V，用qv来表示。qv=V/t=Al/t=Au 单位： m3 /s; L/min.1 m3 / s=6104 L/min（图2-7）n平均流速:过流断面通过的流量与该过流 断面面积的比值. v=qv/A 结论:当液压缸有效面积一定时，活塞的运 动速度由输入液压缸的流量决定。（图2-8）3、流态和雷诺数n层流：液体的流动是分层的，层与层之间 互不干扰n紊流（湍流）：液体的流动不分层，做混 杂紊乱流动 n雷诺实验 通过实验发现液体在管
14、道中流动时存在两 种流动状态。n层流粘性力起主导作用n紊流惯性力起主导作用n液体的流动状态用雷诺数来判断。n雷诺数Re = v d / ，qv 为管内的平均流速qd 为管道内径q为液体的运动粘度q雷诺数为无量纲数。 如果液流的雷诺数相同，它的流动状态亦 相同。n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ReDKP。 n当ReReDKP，为层流；n当ReReDKP，为紊流。n常见液流管道的临界雷诺数见表25二、连续性方程流量连续性方程是质量守恒定律在流 体力学中的表达方式。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：v1 /A1 = v2/A2 不考虑液体的压缩性, 则得 :q = v A = 常量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。三、伯努利方程伯努利方程是能量守恒定律 在流体力学中的表达方式。 1、理想流体的伯努利方程液体在管内作恒定流动，任取两个 截面a、b，如图211，有：v12 / 2+gh1+p1= v22 / 2+gh2+p2在管内作稳定流动的理想流体具有压 力能，势能和动能三种形式的能量，它们 可以互相转换，但其总和不变，即能量守 恒。2、实际流体的伯努利方程实际流体存在粘
