液压传动-03流体1-资料课件

哈工大哈工大(威海威海)液压传动液压传动 主讲：贾宝贤主讲：贾宝贤第三章第三章 液压流体力学基础液压流体力学基础基本概念基本概念流流体体：液液体体和和气气体体的的总总称称，基基本本特特征征是是没没有有一一定定的形状，具有的形状，具有流动性流动性。流流动动性性：流流体体在在一一个个微微小小的的剪剪切切力力作作用用下下就就能能够够连连续续不不断断地地发发生生变变形形，只只有有在在外外力力作作用用停停止止后后变变形才能停止。形才能停止。静止时没有剪切应力，有剪切应力时不能静止。静止时没有剪切应力，有剪切应力时不能静止。流流体体力力学学：研研究究流流体体的的相相互互作作用用以以及及流流体体与与其其相相接触的固体之间的相互作用接触的固体之间的相互作用。1哈工大哈工大(威海威海)液压传动液压传动 主讲：贾宝贤主讲：贾宝贤第三章第三章 液压流体力学基础液压流体力学基础第一节第一节 液体静力学液体静力学第二节第二节 液体动力学液体动力学第三节第三节 管道中液流的特性管道中液流的特性第四节第四节 孔口和缝隙液流孔口和缝隙液流第五节第五节 气气 穴穴 现现 象象第六节第六节 液液 压压 冲冲 击击2哈工大哈工大(威海威海)液压传动液压传动 主讲：贾宝贤主讲：贾宝贤3-1液体静力学研研究究液液体体静静止止状状态态时时的的平平衡规律及其应用。衡规律及其应用。一、液体的静压力及其特性一、液体的静压力及其特性静静止止液液体体中中各各质质点点之之间间存存在在着着相相互互挤挤压压的的力力，叫叫做做内内法法力力，又又叫叫压压力力(静静压压力力)p。作作用方向总是沿着法线向内的。用方向总是沿着法线向内的。液液体体的的压压力力有有如如下下重重要要性性质质：静静止止液液体体内内任任意意点点处处的的压压力在各个方向上都相等。力在各个方向上都相等。3哈工大哈工大(威海威海)液压传动液压传动 主讲：贾宝贤主讲：贾宝贤二、重力作用下静止液体中的压力分布（一）静压力基本方程（一）静压力基本方程距液面距液面h h深处任意点的压力深处任意点的压力p p为为液体静压力分布有如下特征液体静压力分布有如下特征：静止液体内任一点的压力由两部分组成：液面静止液体内任一点的压力由两部分组成：液面上的压力上的压力p0和和液柱重力所产生的压力液柱重力所产生的压力h。静止静止液体内的液体内的压力压力p随随液体液体深度深度h线性递增线性递增。同一液体中，离液面深度相等的各点压力相等。同一液体中，离液面深度相等的各点压力相等。液液面面压压力力液液体体重重度度距距液液面面深深度度4哈工大哈工大(威海威海)液压传动液压传动 主讲：贾宝贤主讲：贾宝贤（二）静压力基本方程的物理意义静静止止液液体体内内任任何何一一点点具具有有压压力力能能和和位位能能两两种种能能量量形形式式，且且其其总总和和保保持持不不变变，即即能能量量守守恒恒。但但是是两两种种能能量量形形式式之之间间可可以以相相互互转换。转换。z(3-4)5哈工大哈工大(威海威海)液压传动液压传动 主讲：贾宝贤主讲：贾宝贤三、压力的表示方法及单位（一）压力的表示方法（一）压力的表示方法根根据据度度量量基基准准的的不不同同，压压力力有有两种表示方法：两种表示方法：以以绝绝对对零零压压力力作作为为基基准准所所表表示示的压力，称为的压力，称为绝对压力绝对压力；以以当当地地大大气气压压力力为为基基准准所所表表示示的压力，称为的压力，称为相对压力相对压力。绝绝对对压压力力与与相相对对压压力力之之间间的的关关系如图系如图3-3所示。所示。6哈工大哈工大(威海威海)液压传动液压传动 主讲：贾宝贤主讲：贾宝贤压力的表示方法绝对压力：以绝对零压力为基准算起的压力绝对压力：以绝对零压力为基准算起的压力相对压力：以大气压力为基准测得的压力，又叫表压力相对压力：以大气压力为基准测得的压力，又叫表压力相对压力绝对压力大气压力相对压力绝对压力大气压力真空度相对压力大气压力绝对压力真空度相对压力大气压力绝对压力绝对压力大气压力相对压力绝对压力大气压力相对压力7哈工大哈工大(威海威海)液压传动液压传动 主讲：贾宝贤主讲：贾宝贤（二）压力的单位国际标准为帕：国际标准为帕：1Pa=1N/m2工程中沿用巴：工程中沿用巴：1bar=105Pa工程大气压：工程大气压：10m水柱高水柱高1at=水水h=980010=98000N/m2=0.98bar工程大气压：工程大气压：76cm汞柱高汞柱高1atm=汞汞h=1332800.76=101300N/m2=1.013bar例例3-1程中沿用巴：程中沿用巴：1bar=105Pa8哈工大哈工大(威海威海)液压传动液压传动 主讲：贾宝贤主讲：贾宝贤例3-1例例3-1图图3-4所所示示，一一充充满满油油液液的的容容器器，作作用用在在活活塞塞上上的的力力为为F=1000N，活活塞塞面面积积A=10-3m2，忽忽略略活活塞塞质质量量。求求活活塞塞下下方方深度为深度为h=0.5m处的压力。油液的密度处的压力。油液的密度=900kg/m3。9哈工大哈工大(威海威海)液压传动液压传动 主讲：贾宝贤主讲：贾宝贤四、帕斯卡原理在在密密闭闭容容器器内内，施施加加于于静静止止液液体体上上的的压压力力将将以以等等值值传传递递到到液液体体中中所所有有各各点点。这这就就是是帕帕斯斯卡卡原原理理，或或称称静静压压传递原理传递原理。帕斯卡原理是液压传动的一个基本原理。帕斯卡原理是液压传动的一个基本原理。10哈工大哈工大(威海威海)液压传动液压传动 主讲：贾宝贤主讲：贾宝贤四、帕斯卡原理在在密密闭闭容容器器中中，外外力力在在静静止止液液体体中中产产生生的的压压力力变变化化，将将以以等等值值向液体中各点传递。向液体中各点传递。在在液液压压传传动动中中，液液体体的的自自重重h比比外外力力产产生生的的压压力力小小得得多多，可可以以忽略不计。忽略不计。此此时时，忽忽略略重重力力的的影影响响，则则可可以以认认为为在在静静止止液液体体中中，各各处处的的压压力相等。力相等。11哈工大哈工大(威海威海)液压传动液压传动 主讲：贾宝贤主讲：贾宝贤五、静压力对固体壁面的作用力不不计计液液体体自自重重，则则液液体体的的静静压压力力处处处处相相等等。即即作作用用于于固固体体壁壁面面上上的的压压力力是是均均匀匀分布的。也就是说：分布的。也就是说：作用在曲面各点的压力大小相等、方向沿各点的法向。作用在曲面各点的压力大小相等、方向沿各点的法向。曲曲面面在在某某一一方方向向上上所所受受的的液液压压力力F 等等于于压压力力p与与曲曲面面在在该该方向的垂直投影面积方向的垂直投影面积A的乘积的乘积P一一定定时时，F只只与与投投影影面面积积大大小小有有关关，而而与与曲曲面面的的形形状无关。状无关。12哈工大哈工大(威海威海)液压传动液压传动 主讲：贾宝贤主讲：贾宝贤例例3-1求求图图示示液液压压缸缸筒筒中中右右半半筒筒在在x轴正方向的作用力轴正方向的作用力Fx解解：作作用用力力的的方方向向：x的的正正方方向向，该该方方向向垂垂直直投投影影面面积积，即即液液压压缸缸右右半半筒筒在在与与x轴轴垂垂直直的的投投影影面面上的投影面积上的投影面积轴截面积轴截面积A影影=2rl所以，所以，Fx=pA影影=2rlp球内沿球内沿x正方向的作用力正方向的作用力 Fx=pA影影=pr213哈工大哈工大(威海威海)液压传动液压传动 主讲：贾宝贤主讲：贾宝贤前面内容回顾一、液压基本参数与机械基本参数之间的关系：一、液压基本参数与机械基本参数之间的关系：1、流量与速度之间的关系：、流量与速度之间的关系：q=vA2、压力与力之间的关系：、压力与力之间的关系：p=F/A3、功率之间的关系：、功率之间的关系：P=pq=Fv二、液体的粘度及其单位：二、液体的粘度及其单位：1、动力粘度：、动力粘度：PaS2、运动、运动粘度：粘度：m2/S、St、cSt,1m2/S=104St，1St=100cSt三、压力的单位：三、压力的单位：Pa、MPa、bar、at、atm1Pa=1N/m2,1bar=0.1MPa=105Pa 1at 1atm四、流量的单位：四、流量的单位：m3/min，l/min，m3/s，l/s五、压力的表示方法：五、压力的表示方法：1、绝对压力：、绝对压力：2、相对压力：、相对压力：=绝对压力绝对压力大气压力大气压力3、真空度：、真空度：=大气压力大气压力绝对压力绝对压力14哈工大哈工大(威海威海)液压传动液压传动 主讲：贾宝贤主讲：贾宝贤3-2液体动力学主主要要讨讨论论液液体体流流动动时时的的运运动动规规律律、能能量量转转换换和和流流动动液液体体对对固固体体壁壁面面的的作作用用力力等等问问题题，具具体体要要介介绍绍四四个个基基本本方方程程连连续续方方程程、运运动动方方程程、能能量量方方程程和和动动量量方程。方程。15哈工大哈工大(威海威海)液压传动液压传动 主讲：贾宝贤主讲：贾宝贤一、基本概念（一）理想液体、恒定流动和一维流动（一）理想液体、恒定流动和一维流动1.理想流体理想流体：无粘性、不可压缩。：无粘性、不可压缩。2.恒恒定定流流动动(定定常常流流动动)：各各点点处处的的压压力力、速速度度、密度等物理参数都不随时间变化。密度等物理参数都不随时间变化。16哈工大哈工大(威海威海)液压传动液压传动 主讲：贾宝贤主讲：贾宝贤一、基本概念3.一一维维流流动动：当当液液体体整整个个浪浪作作线线形形流流动动时时，称称为为一维流动。一维流动。当当作作平平面面流流动动时时，称称为为二二维维流流动动；当当作作空空间间流流动动时时，称称为为三三维维流流动动。一一维维流流动动最最简简单单，但但是是严严格格意意义义上上的的一一维维流流动动要要求求液液流流界界面面上上各各点点处处的的速速度度矢矢量量完完全全相相同同，这这种种情情况况在在实实际际液液流流中中极极为为少少见见，一一般般常常把把封封闭闭容容器器内内的的液液体体流流动动按按一一维维流流动处理。动处理。17哈工大哈工大(威海威海)液压传动液压传动 主讲：贾宝贤主讲：贾宝贤（二）流线、流束和流管1.迹迹线线：油油液液质质点点所所经经过过的的轨轨迹迹。(观察一个质点的运动过程。观察一个质点的运动过程。)2.流流线线：在在某某一一瞬瞬时时，液液流流中中一一条条条条标标志志各各质质点点运运动动状状态态的的曲曲线线。（多个质点运动状态的瞬时快照）（多个质点运动状态的瞬时快照）例例如如：在在透透明明的的清清水水管管中中，注注入入红红色色液液体体，就就会会看看到到一一条条红红线线，它它标标志志着着红红线线上上各各质点的运动状态。质点的运动状态。当当液液体体作作定定常常流流动动时时，流流线线与迹线重合。与迹线重合。18哈工大哈工大(威海威海)液压传动液压传动 主讲：贾宝贤主讲：贾宝贤（二）流线、流束和流管3.流束流束：流线的集合。：流线的集合。4.流流管管：抽抽去去流流束束的的芯芯，流流束束的的外外皮。皮。（三）通流截面、流量和平均流速（三）通流截面、流量和平均流速1.通流截面通流截面：过流截面：过流截面(通流截面通流截面)：与所有流线都垂直的截面。与所有流线都垂直的截面。19哈工大哈工大(威海威海)液压传动液压传动 主讲：贾宝贤主讲：贾宝贤流量和平均流速2.流量流量：单位时间内，流过某过流面积的液体的体积：单位时间内，流过某过流面积的液体的体积在过流截面上各点的流速是不相等的。在过流截面上各点的流速是不相等的。3.平均流速平均流速20哈工大哈工大(威海威海)液压传动液压传动 主讲：贾宝贤主讲：贾宝贤（四）流动液体的压力在在流流动动液液体体内内，由由于于惯惯性性力力和和粘粘性性力力的的影影响响，任任意意点点处处在在各各个个方方向向上上的的压压力力并并不不相相等等，但但在在数数值值上上相相差差甚甚微微。当当惯惯性性力力很很小小，且且把把液液体体当当作作理理想想液液体体时时，流流动动液液体体内内任任意意点点处处的的压压力力在在各各个个方方向向上的数值仍可以看作是相等的。上的数值仍可以看作是相等的。21哈工大哈工大(威海威海)液压传动液压传动 主讲：贾宝贤主讲：贾宝贤二、连续性方程设设在在流流动动的的液液体体中中取取一一控控制制体体V（见见图图3-10），它它内内部部液液体体的的质质量量为为m，单单位位时时间间内内流流入入、流流出出的的质质量量流流量量为为qm1、qm2，根根据据质质量量守守恒恒定定律律，qm1-qm2应应等等于于该该时时间间内内控控制制体体V中中液液体体质质量量的的变变化化率率dm/dt。由由于于qm1=1q1、qm2=2q2、m=V，因此因此这就是流体流过具有固定边界控制体时通用的连续方程。这就是流体流过具有固定边界控制体时通用的连续方程。22哈工大哈工大(威海威海)液压传动液压传动 主讲：贾宝贤主讲：贾宝贤二、连续性方程理理想想液液体体(不不可可压压缩缩，1=2=)在在无无泄泄漏漏管管内内做做恒恒定定流流动动时时，流流量量既既不不能能增增加加，也也不不能能减减小小，在在管管内任何一个过流截面上，流过的流量均相等。内任何一个过流截面上，流过的流量均相等。这就是理想液体一维流动的连续性方程。这就是理想液体一维流动的连续性方程。23哈工大哈工大(威海威海)液压传动液压传动 主讲：贾宝贤主讲：贾宝贤三、理想液体的运动微分方程对对理理想想液液体体来来说说，作作用用在在微微元元体体上上的的外外力力有有以以下下两两种：种：1.压压力力在在两两端端截截面面上上产产生生的作用力的作用力2.作用在微元体上的作重力作用在微元体上的作重力24哈工大哈工大(威海威海)液压传动液压传动 主讲：贾宝贤主讲：贾宝贤三、理想液体的运动微分方程这一微元体积的惯性力为这一微元体积的惯性力为关于全加速度关于全加速度u=f(s,t)右右边边第第1项项为为移移位位加加速速度度，在在单单位位时时间内，由位置变化产生的速度变化；间内，由位置变化产生的速度变化；右右边边第第2项项为为当当地地加加速速度度，在在单单位位时时间内，由流量变化产生的速度变化。间内，由流量变化产生的速度变化。25哈工大哈工大(威海威海)液压传动液压传动 主讲：贾宝贤主讲：贾宝贤三、理想液体的运动微分方程微元体积的惯性力为微元体积的惯性力为根据牛顿第二定律根据牛顿第二定律F=ma，有，有故得故得前面的结果：前面的结果：压力在两端截面上产生的作用力压力在两端截面上产生的作用力质量力质量力这就是理想液体的这就是理想液体的运动微分方程运动微分方程，也称液流的，也称液流的欧拉方程欧拉方程(3-15)26哈工大哈工大(威海威海)液压传动液压传动 主讲：贾宝贤主讲：贾宝贤四、能量方程（一）理想液体的能量方程（一）理想液体的能量方程在在图图所所示示的的一一段段微微流流束束上上，将将式式(3-15)的的两两边边各各乘乘上上ds，并并从从流流线线s上上的的截截面面1积积分分到截面到截面2，即，即上边两式各除以上边两式各除以g，移项后整理得，移项后整理得(3-16)27哈工大哈工大(威海威海)液压传动液压传动 主讲：贾宝贤主讲：贾宝贤（一）理想液体的能量方程=0=0，故上式变为，故上式变为(3-17)28哈工大哈工大(威海威海)液压传动液压传动 主讲：贾宝贤主讲：贾宝贤（一）理想液体的能量方程必必须须注注意意，外外力力是是沿沿着着微微流流束束作作功功的的，因因此此同同一一微微流流束束上上各各点点的的位位能能、压压力力能能和和动动能能可可以以互互相相转转换换，且且其其和和为为一一定定值值。另另外外，由由于于积积分分是是沿沿着着微微流流束束进进行行的的，所所以以式式(3-16)和和式式(3-17)只只分分别别适适用用于于同同一一微微流流束束上上只只受受重重力力作作用用、作作非非恒定流动或恒定流动的理想液体。恒定流动或恒定流动的理想液体。29哈工大哈工大(威海威海)液压传动液压传动 主讲：贾宝贤主讲：贾宝贤（一）理想液体的能量方程如何记忆？如何记忆？1.结合结合(3-4)式式2.从这段微流束的总能量上记忆从这段微流束的总能量上记忆位能位能:Ez=mgz=Vgz压力能压力能:Ep=Pt=pqt=pV动能动能:Eu=mu2/2=Vu2/2总能量总能量:Vgz+pV+Vu2/2=C1两边同除以两边同除以Vg，z+p/g+u2/2g=C例子：例子：压力能压力能-势能：测压计势能：测压计势能势能-压力能：静止流体压力能：静止流体压压力力能能-动动能能：水水枪枪，喷喷雾雾器，喷壶器，喷壶动能动能-压力能：测速计压力能：测速计势能势能-动能：倒水，虹吸动能：倒水，虹吸动能动能-势能：喷泉势能：喷泉(3-17)30哈工大哈工大(威海威海)液压传动液压传动 主讲：贾宝贤主讲：贾宝贤（一）理想液体的能量方程为为了了记记住住能能量量方方程程，更更好好地地理理解解能能量量转转化化关关系系，流流体体的的能能量量方方程程可写成三种形式，三种形式的量纲分别为能量、压力、高度可写成三种形式，三种形式的量纲分别为能量、压力、高度1.微段流体总能量守恒微段流体总能量守恒2.单位体积流体能量守恒单位体积流体能量守恒动压力动压力3.单位重量流体能量守恒单位重量流体能量守恒位置压力位置压力压力头压力头位置头位置头静压力静压力速度头速度头动能动能势能势能压力能压力能31哈工大哈工大(威海威海)液压传动液压传动 主讲：贾宝贤主讲：贾宝贤（一）理想液体的能量方程理想液体的伯努力方程理想液体的伯努力方程-使用条件使用条件1.理想流体、定常流动理想流体、定常流动2.同一条流线上同一条流线上的上下游的上下游3.在重力场中在重力场中4.与外界没有能量交换与外界没有能量交换(3-17)32对对液液体体在在流流束束中中流流动动时时用用平平均均流流速速v代代替替实实际际流流速速u，引引入入动能修正系数动能修正系数。得得（二）实际液体的能量方程（二）实际液体的能量方程(3-22)上式用压力表示上式用压力表示紊流时紊流时层流时层流时pw代代表表单单位位体体积积液液体体在在两两截截面面间间流流动动过过程程中中的的能能量量损损失失，用用压力损失来表示。压力损失来表示。hw单单位位重重量量流流体体在在12两两截截面面之之间间的的能能量量损损失失，称称水水头头损失损失35实际液体的伯努力方程实际液体的伯努力方程-使用条件使用条件1.定常流动定常流动2.同同一一条条流流管管上上的的上上下下游游，认认为为同同一一截截面面上上各各点点流流速皆为平均流速速皆为平均流速v。实际上不等，所以要修正。实际上不等，所以要修正。3.在重力场中在重力场中4.除内部损失，与外界没有能量交换除内部损失，与外界没有能量交换5.截面截面1、2取在缓变流动处。取在缓变流动处。(3-22)36注意！两截面要顺流截取，注意！两截面要顺流截取，1在上游、在上游、2在下游。在下游。例例2-2试分析图示液压泵的吸油过程试分析图示液压泵的吸油过程解：取油箱液面解：取油箱液面为截面为截面11作为基准面；作为基准面；泵的入口处为截面泵的入口处为截面22，应用伯努力方程得，应用伯努力方程得实际液体的伯努力方程实际液体的伯努力方程-举例举例37哈工大哈工大(威海威海)液压传动液压传动 主讲：贾宝贤主讲：贾宝贤分析若若H0，则则p20，在在泵泵的的入入口口处处将将产产生生真真空空。真真空空度度由由三三部部分分组组成：成：流速；流速；位置差；位置差；压力损失。压力损失。减小真空度的方法：减小真空度的方法：加加大大管管径径d，以以减减小小流流速速v，并并减小减小pw减减 小小 吸吸 程程 高高 度度 H，一一 般般 取取H0.5m38思考题思考题1.什么是理想液体，什么是实际液体？什么是理想液体，什么是实际液体？2.何谓恒定流动何谓恒定流动(定常流动定常流动)，何谓，何谓迹线、流线、流束？迹线、流线、流束？2.什么是实际流速，什么是平均流速？什么是实际流速，什么是平均流速？3.什么是流动液体的能量方程？它的物理意义是什么？什么是流动液体的能量方程？它的物理意义是什么？4.用伯努力方程解决实际问题时，必须具备哪些条件？用伯努力方程解决实际问题时，必须具备哪些条件？5.如如图图所所示示，液液压压泵泵输输出出的的流流量量qp=0.5L/s，全全部部进进入入液液压压缸缸，液液压压缸缸大大腔腔截截面面积积A1=2000mm2，小小腔腔截截面面积积A1=1000mm2，进进、回回油油管管直直径径d=10mm。求求活活塞塞的的运运动动速速度度，进、回油管中油液的流速。进、回油管中油液的流速。39xiexie!xiexie!谢谢！谢谢！xiexie!xiexie!谢谢！谢谢！