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南昌大学科技学院南昌大学科技学院第三章 液压流体力学基础第一节 液体静力学第二节 液体动力学第三节 管道中液流特性第四节 孔口和缝隙液流第五节 气穴现象和液压冲击2024/7/232024/7/23南昌大学科技学院南昌大学科技学院标题添加点击此处输入相关文本内容点击此处输入相关文本内容总体概述点击此处输入相关文本内容标题添加点击此处输入相关文本内容南昌大学科技学院南昌大学科技学院第一节 流体静力学静止液体：液体内部质点间没有相对运动；盛装液体的容器本身处在运动之中，则液体处于相对静止状态。一、液体中的作用力 1、质量力;单位质量液体所受的质量力称为单位质量 力（g）。2、表面力;单位面积上作用的表面力称为应力；取某一液面：（1）法向应力（法向压力）（2）切向应力（切向内摩擦力）对于静止液体：法向压力（静压力）2024/7/232024/7/23南昌大学科技学院南昌大学科技学院第一节 流体静力学二、静压力基本方程 1 1、方程推导 研究对象：微元液柱 受力分析：静压力基本方程：p0：液面上的压力 :该点以上液体重力形成压力 故：静止液体内压力由两部分组成；随深度增加压力增大；同一深度的压力相等；2024/7/232024/7/23南昌大学科技学院南昌大学科技学院第一节 流体静力学 2 2、物理意义 建立坐标系：（1）P/pg:单位重力液体的压力能，压力头；Z：单位重力液体的位能，静力头。（2）静止液体，压力能和位能总和不变，P/pg和 Z 可转化。2024/7/232024/7/23南昌大学科技学院南昌大学科技学院第一节 流体静力学三、压力表示方法及单位 1、绝对压力：以绝对零压力作为基准所表示的压力；相对压力：以大气压力为基准所表示的压力。2、真空度 真空度=大气压力-绝对压力例如：泵的入口压力为0.06MPa，大气压力为0.1MPa，求泵入口真空度？2024/7/232024/7/23南昌大学科技学院南昌大学科技学院第一节 流体静力学四、静压力传递原理（帕斯卡原理）在密闭容器内，施加于静止液体上的压力将以等值传递到 液体中各点。如图：F/AF/A1 1=W/A=W/A2 2，即：（1）忽略静力头，静止液体内部各点的压力相同。（2）液压系统中压力由外负载决定(压力匹配外负载)。A1A22024/7/232024/7/23南昌大学科技学院南昌大学科技学院第一节 流体静力学例如：若P2接回油箱，即P2=0,则:P P1 1=F=F1 1/A /A F1为外负载 P1为系统压力Dd2024/7/232024/7/23南昌大学科技学院南昌大学科技学院第一节 流体静力学五、液体作用于容器壁上的力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。（1）当固体壁面为平面时，液体压力在该平面的总作用力 F=pA，方向垂直于该平面。（2）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=pAx，Ax为曲面在该方向的投影面积。以缸筒为例说明。2024/7/232024/7/23南昌大学科技学院南昌大学科技学院第一节 流体静力学举例：1、F1F2时，活塞仍保持平衡，为什么？2、Pa、Pb是否相等（不计液重）。2024/7/232024/7/23南昌大学科技学院南昌大学科技学院第二节 流体动力学一、几个基本概念 1、理想液体：假设的既无粘性又不可压缩的流体称为理想流体；2、恒定流动：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，亦称为定常流动；非恒定流动：三者之一随时间变化；3、一维流动：液体做线形流动；二维（三维）流动：液体做平面（空间）流动；2024/7/232024/7/23南昌大学科技学院南昌大学科技学院第二节 流体动力学4、流线：流场中的一条条曲线；其性质：（1）流线上每一质点的速度向量与曲线相切；（2）恒定流动时，流线形状不随时间变化；（3）流线不能相交，也不能转折；（4）流线是连续光滑的曲线。流管：在流场中画一条不属于流线的任一封闭曲线，沿该封闭曲线上每一点作流线，这些流线组成的封闭曲面为流管；流束：流管内的流线群；通流截面：流束中与所有流线正交的截面；2024/7/232024/7/23南昌大学科技学院南昌大学科技学院第二节 流体动力学5、流量、平均流速流量：单位时间内通过某通流截面液体体积，即：q=v/tq=v/t 实际通流截面A上各点的速度不相等，则 若知道流速u在通流截面A上的分布规律，所以 平均流速：2024/7/232024/7/23南昌大学科技学院南昌大学科技学院第二节 流体动力学二、连续方程流量连续性方程是流体运动学方程，其实质是质量守恒定律在流体力学中的表示形式。在液压传动中，只研究液体作一维恒定流动时的流量连续性方程。2024/7/232024/7/23南昌大学科技学院南昌大学科技学院第二节 流体动力学1、方程推导 如图，在恒定流场中任取一流管，其两端通流截面面积分别为A1和A2，在流管中任取一微小流束，并设微小流束两端的截面积分别为dA1和dA2，液体流经这两个微小截面的流速和密度分别为u1、1和u2、2。2024/7/232024/7/23南昌大学科技学院南昌大学科技学院第二节 流体动力学可知：(1u1)dA1=(2u2)dA2忽略液体可压缩性：1=2；则u1dA1=u2 dA2 =若：A1截面上的平均流量为V1A2截面上的平均流量为V2，则 V1A1=V2A2即:q=VA=常数结论：恒定流动中，通过流管各截面不可压缩液体流量相等。2024/7/232024/7/23南昌大学科技学院南昌大学科技学院第二节 流体动力学2、应用实例q q1 1=q=q2 2+q+q3 3(1)当v1不可调节时，那么调节q3也能使v2产生相应的变化；(2)v1或q3都能做到在一定范围内进行无级调节，因此v2也能实现无级调节，这是液压传动能被普遍应用的原因之一。2024/7/232024/7/23南昌大学科技学院南昌大学科技学院三、能量方程（伯努力方程）流动液体的能量守恒定理1 1、理想液体的能量方程 理想液体作恒定流动时，具有压力能、位能、动能三种能量形式，在任一截面上三者之和为定值，可相互转化，取通流截面A1和A2，即：p1/g+Z1+u12/2g=p2/g+Z2+u22/2g其中：p1/g：压力能，压力头；Z：位能，静力头；u12/2g:单位重力液体所具有动能，速度头。第二节 流体动力学2024/7/232024/7/23南昌大学科技学院南昌大学科技学院第二节 流体动力学即理想液体的伯努力方程：故：理想液体作恒定流动时具有压力能、位能和动能，在任一截面上可以互相转化，但三者之和为定值。2 2、实际液体的能量方程 在流管中，两端的通流截面积分别为A1和A2。取出一微小流束，通流截面积各为dA1和dA2，其相应的压力、流速和位置高度分别为p1、u1、z1和p2、u2、z2。从截面1流到截面2损耗的能量为hw，则实际液体微小流束作定常流动时的伯努利方程为：2024/7/232024/7/23南昌大学科技学院南昌大学科技学院第二节 流体动力学（1）以平均速度V代替通流截面上不等速度u，则需引入修正系数：（2）平均能量损耗：2024/7/232024/7/23南昌大学科技学院南昌大学科技学院第二节 流体动力学则实际液体的能量守恒定理：其中：a1和a2为通流截面A1、A2上的动能修正系数3、应用举例如图示简易热水器，左端接冷水管，右端接淋浴莲蓬头。已知 A1=A2/4和A1、h值，问冷水管内流量达到多少时才能抽吸热水？2024/7/232024/7/23南昌大学科技学院南昌大学科技学院第二节 流体动力学解：沿冷水流动方向列A1、A2截面的伯努利方程 p1/g+v12/2g=p2/g+v22/2g补充辅助方程 p1=pagh p2=pa v1A1=v2A2代入得 h+v12/2g=(v1/4)2/2g v1=(32gh/15)1/2 q=v1A1=(32gh/15)1/2 A12024/7/232024/7/23南昌大学科技学院南昌大学科技学院四、动量方程动量方程是动量定理在流体力学中的具体应用，常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。动量定理：合外力大小等于在力的作用方向上的动量变化率；用平均流速V代替实际流速U，则引入动量修正系数：则：第二节 流体动力学2024/7/232024/7/23南昌大学科技学院南昌大学科技学院其中：为作用在控制体内液体外力的矢量和；为使控制体内液体加速（减速）所需的力，瞬态力；是由于液体在不同控制面上具有不同速度所引起的力，称为稳态力。若液体作恒定流动，则：注意：（1）上式均为矢量方程式；（2）流动液体作用在固体壁面上的力与作用在液体上的力大小相等、方向相反。第二节 流体动力学2024/7/232024/7/23南昌大学科技学院南昌大学科技学院一、流态与雷诺数1、层流与湍流（1）层流：液体质点互不干扰，流动呈线性或层状，平行于管道轴线，没有横向运动。特点：流速小，粘性力起主导作用，能量主要损失在摩擦上。（2）湍流：液体质点的运动杂乱无章，除沿管道轴线运动外，还有剧烈的横向运动。特点：流速高，惯性力起主导作用，动能损失为主要能量损耗形式，产生噪声。第三节 管道中的液流特性2024/7/232024/7/23南昌大学科技学院南昌大学科技学院2、雷诺数用以判别液流状态（1）圆管 （平均流速，管径，运动粘度）液流由层转变为湍流的雷诺数称为临界雷诺数Rer，Rer2320；若 Re Rer 湍流。（2）非圆管道 或 dH 通流截面的水力直径；RH通流截面的水力半径 2024/7/232024/7/23 第三节 管道中的液流特性南昌大学科技学院南昌大学科技学院若A为有效截面，x 为湿周，则：例如：正方形管道水力半径越大，则管道通流能力越强。第三节 管道中的液流特性2024/7/232024/7/23南昌大学科技学院南昌大学科技学院二、圆管的层流与湍流1、层流（1）通流截面上流速分布规律 当r=0时，当r=R时，管内流速在半径方向上按抛物线规律分布，最大流速umax发生在轴心上。第三节 管道中的液流特性2024/7/232024/7/23南昌大学科技学院南昌大学科技学院（2）流量（3）平均流速2、湍流第三节 管道中的液流特性2024/7/232024/7/23南昌大学科技学院南昌大学科技学院三、压力损失压力损失：液体流动时由于粘性阻力而带来的能量损失。（1）沿程压力损失：液体在等径直管中流动时，因摩擦而产生的损失。层流时：（圆管层流流量公式变形得到）（2）局部压力损失：由于管道的截面突然变化，液流方向改变或其它形式的液流阻力而引起的损失。为局部阻力系数，只有少数情况下可以理论求得。第三节 管道中的液流特性2024/7/232024/7/23南昌大学科技学院南昌大学科技学院一、薄壁小孔1、概念定义：小孔的长度和直径之比L/d0.5的孔。液流特点：先收缩后扩大；当d/d07时，液流收缩不受孔前管道内壁的影响，完全收缩；当d/d07时，孔前管道内壁对液流进入小孔有导向作用，不完全收缩。注：d和d0分别为管道直径和小孔直径。第四节 孔口和缝隙液流2024/7/232024/7/23南昌大学科技学院南昌大学科技学院2、公式推导（流量和速度）对于1-1和2-2截面能量方程：取a1=a2=1,z1=z2,则而：其中：（AC105，cd=0.600.61 （2）液流不完全收缩，cd=0.70.8，详见课本表3-5第四节 孔口和缝隙液流2024/7/232024/7/23南昌大学科技学院南昌大学科技学院二、短孔和细长孔1、短孔 定义：小孔的长度和直径之比0.54的孔。流量用圆管层流流量公式计算：第四节 孔口和缝隙液流2024/7/232024/7/23南昌大学科技学院南昌大学科技学院三、举例1、滑阀流量公式流动特性与薄壁小孔相似 采用公式：阀芯直径为d，阀芯和阀套半径方向间隙为cr，阀口开度为xv，阀口周向长度为w。则阀口通流截面积为：一般cr xv，所以A0=wxv,故：第四节 孔口和缝隙液流2024/7/232024/7/23南昌大学科技学院南昌大学科技学院2、锥阀流量公式流动特性与薄壁小孔相似 采用公式：通流截面：计算公式：其中：dm=(d1+d2)/2二、缝隙液流 第四节 孔口和缝隙液流2024/7/232024/7/23南昌大学科技学院南昌大学科技学院一、气穴现象1、空气分力压Pg 在一定温度下，当液体压力低于某值时，溶解在液体中的空气将会突然迅速从液体中分离出来，产生大量气泡，该压力称为液体在该温度下的空气分离压。溶解度与压力间关系 油液中放出的气体体积与压力间系 第五节 气穴现象和液压冲击2024/7/232024/7/23南昌大学科技学院南昌大学科技学院2、饱和蒸汽压 当液体在某一温度下其压力继续下降而低于一定数值时，液体本身便迅速汽化，产生大量蒸汽此压力称为该液体在此温度下的饱和蒸汽压。饱和蒸汽压与温度的关系 第五节 气穴现象和液压冲击2024/7/232024/7/23南昌大学科技学院南昌大学科技学院3、气穴现象（1 1）概念 在流动的液体中，因某点处的压力低于空气分离压而使液体产生气泡的现象，称为气穴现象。（2 2）节流口处的气穴现象节流口处压力降低 气穴系数：c=(p2-pg)/(p1-p2)薄壁孔口无气穴条件c3.5（3 3）危害 大量气泡使液流的流动特性变坏，造成流量和压力不稳定；气泡进入高压区，高压会使气泡迅速崩溃，使局部产生非常高的温度和冲击压力，引起振动和噪声；当附着在金属表面的气泡破灭时，局部产生的高温和高压会使金属 第五节 气穴现象和液压冲击2024/7/232024/7/23南昌大学科技学院南昌大学科技学院Q&A问答环节敏而好学，不耻下问。学问学问，边学边问。Heisquickandeagertolearn.Learningislearningandasking.南昌大学科技学院南昌大学科技学院结束语感谢参与本课程，也感激大家对我们工作的支持与积极的参与。课程后会发放课程满意度评估表，如果对我们课程或者工作有什么建议和意见，也请写在上边点击进入南昌大学科技学院南昌大学科技学院谢谢您的观看与聆听Thankyouforwatchingandlistening
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