修改液压与气压传动.ppt

,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,Chapter 1 流体力学基础 本章主要内容： 1.1 工作介质 1.2 流体静力学 1.3 流体运动学和流体动力学 1.4 气体状态方程 1.5 充、放气参数计算 1.6 管道流动 1.7 孔口流动 1.8 缝隙流动 1.9 瞬变流动,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,了解与液压及气动技术有关的流体力学基本内容,流体经过薄壁小孔、短孔、细长孔等小孔的流动情况，相应的流量公式 流体经过各种缝隙的流动特性及其流量公式 液压冲击和气穴现象及其减小措施,目的任务:,重点难点:,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,Part 1.1 工作介质,工作介质：在传动及控制中起传递能量和信号的作用。 流体传动及控制（包括液压与气动），在工作、性能特点上和机械、电气传动之间的差异主要取决于载体的不同，前者采用工作介质。因此，掌握液压与气动技术之前，必须先对其工作介质有一清晰的了解 。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,Part 1.1.1 液压传动介质,1. 基本要求与种类,液压传动及控制所用的工作介质为液压油液或其他合成液体，其应具备的功能如下 ：,1）传动 把由液压泵所赋予的能量传递给执行元件； 2）润滑 润滑液压泵、液压阀、液压执行元件等运动件 ； 3）冷却 吸收并带出液压装置所产生的热量 ； 4）去污 带走工作中产生的磨粒和来自外界的污染物 ； 5）防锈 防止液压元件所用各种金属的锈蚀 。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,为使液压系统长期保持正常的工作性能，对其工作介质提出的要求是：,1）可压缩性 可压缩性尽可能小，响应性好； 2）粘性 温度及压力对粘度影响小，具有适当的粘度，粘温特性好； 3）润滑性 通用性对液压元件滑动部位充分润滑 ； 4）安定性 不因热、氧化或水解而变质，剪切稳定性好，使用寿命长； 5）防锈和抗腐蚀性 对铁及非铁金属的锈蚀性小 ； 6）抗泡沫性 介质中的气泡容易逸出并消除 ；,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,为使液压系统长期保持正常的工作性能，对其工作介质提出的要求还有：,7）抗乳化性 除含水液压液外的油液，油水分离要容易 ； 8）洁净性 质地要纯净，尽可能不含污染物，当污染物从外部侵入时能迅速分离； 9）相容性 对金属、密封件、橡胶软管、涂料等有良好的相容性 ； 10）阻燃性 燃点高，挥发性小，最好具有阻燃性； 11）其他 对工作介质的其他要求还有；无毒性和臭味；比热容和热导率要大；体胀系数要小等 。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,能够同时满足上述各项要求的理想的工作介质是不存在的。液压系统中使用的工作介质按国际标准组织（ISO）的分类（我国国家标准GB/T7631.21987与此等效）如表1-1所示 。,表1-1 液压传动工作介质的种类,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,目前90%以上的液压设备采用石油基液压油液。基油为精制的石油润滑油馏分。为了改善液压油液的性能，以满足液压设备的不同要求，往往在基油中加入各种添加剂。添加剂有两类：一类是改善油液化学性能的，如抗氧化剂、防腐剂、防锈剂等；另一类是改善油液物理性能的，如增粘剂、抗磨剂、防爬剂等 。,为了军事目的，近年来在某些舰船液压系统中，也有以海水或淡水为工作介质的。而且正在逐渐向水下作业、河道工程、海洋开发等领域延伸。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,2. 物理性质,密度,单位体积液体所具有的质量称为该液体的密度 。即：,（1-1）,式中 液体的密度； V 液体的体积； m 液体的质量 。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,常用液压传动工作介质的密度值见表1-2,表1-2 常用液压传动工作介质的密度（20）,液体的密度随着压力或温度的变化而发生变化，但其变化量一般很小，在工程计算中可以忽略不计 。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,可压缩性,液体因所受压力增高而发生体积缩小的性质称为可压缩性。若压力为p0时液体的体积为V0，当压力增加p，液体的体积减小V，则液体在单位压力变化下的体积相对变化量为：,（1-2）,式中，k 称为液体的压缩率。由于压力增加时液体的体积减小，两者变化方向相反，为使k 成为正值，在上式右边须加一负号 。,液体压缩率k的倒数，称为液体体积模量，即,（1-3）,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,表1-3所示为各种工作介质的体积模量。由表中石油基液压油体积模量的数量可知，它的可压缩性是钢的100170倍（钢的弹性模量为2.1105MPa） 。,表1-3 各种工作介质的体积模量（20，大气压）,一般情况下，工作介质的可压缩性对液压系统性能影响不大，但在高压下或研究系统动态性能及计算远距离操纵的液压机构时，则必须予以考虑 。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,石油基液压油的体积模量与温度、压力有关：温度升高时，K值减小，在液压油正常工作温度范围内，K值会有5%25%的变化；压力增加时，K值增大，但这种变化不呈线性关系，当p3MPa时，K值基本上不再增加 。,由于空气的可压缩性很大，因此当工作介质中有游离气泡时，K值将大大减小，且起始压力的影响明显增大。但是在液体内游离气泡不可能完全避免，因此，一般建议石油基液压油K的取值为（0.71.4）103MPa，且应采取措施尽量减少液压系统工作介质中的游离空气的含量 。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,粘性,1）粘性的表现 液体在外力作用下流动时，分子间内聚力的存在使其流动受到牵制从而沿其界面产生内摩擦力，这一特性称为液体的粘性 。,图1-1 液体粘性示意图,现以图1-1为例说明液体的粘性。若距离为h的两平行平板间充满液体，下平板固定，而上平板以速度u0向右平动由于液体和固体壁面间的附着力及液体的粘性，会使流动液体内部各液层的速度大小不等：紧靠着下平板的液层速度为零，紧靠着上平板的液层速度为u0 ，,而中间各层液体的速度当层间距离h较小时，从上到下近似呈线性递减规律分布。其中速度快的液层带动速度慢的；而速度慢的液层对速度快的起阻滞作用 。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,实验测定表明，流动液体相邻液层间的内摩擦力Ff与液层接触面积A、液层间的速度梯度du/dy成正比， 即：,（1-4）,式中，比例系数称为粘性系数或动力粘度 。,若以 表示液层间的切应力，即单位面上的内摩擦力，则上式可表示为：,（1-5）,这就是牛顿液体内摩擦定律 。,由此可知，在静止液体中， 速度梯度du/dy=0，故其内摩擦力 为零，因此静止液体不呈现粘性， 液体只在流动时才显示其粘性。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,2）粘性的度量 度量粘性大小的物理量称为粘度。常用的粘度 有三种，即动力粘度、运动粘度、相对粘度 。,动力粘度 由式（1-5）可知，动力粘度是表征流动液体 内摩擦力大小的粘性系数。其量值等于液体在以单位速度梯度流 动时，单位面积上的内摩擦力，,（1-6）,在我国法定计量单位制及SI制中， 动力粘度的单位是Pas（帕秒）或用Ns/m2（牛秒/米2）表示 。,如果动力粘度只与液体种类有关而与速度梯度无关，这种液体称为 牛顿液体，否则为非牛顿液体。石油基液压油一般为牛顿液体。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,运动粘度v 液体动力粘度与其密度之比称为该液体的运动粘 度v， 即,（1-7）,在我国法定计量单位制及SI制中，运动粘度v的单位是m2/s（米2/秒）。因其中只有长度和时间的量纲，故得名为运动粘度。国际标准ISO按运动粘度值对油液的粘度等级（VG）进行划分，见表1-4 。,表1-4 常用液压油运动粘度等级,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,相对粘度 相对粘度是根据特定测量条件制定的，故又称条件 粘度。测量条件不同，采用的相对粘度单位也不同。如恩氏粘度 E（欧洲一些国家）、通用塞氏秒SUS（美国、英国）、商用雷 氏秒R1S（英、美等国）和巴氏度B（法国）等 。,国际标准化组织ISO已规定统一采用运动粘度来表示油的粘度。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,3）温度对粘度的影响 温度变化使液体内聚力发生变化，因此液体的粘度对温度的变化十分敏感：温度升高，粘度下降（见图1-2（见教材P12）。这一特性称为液体的粘温特性。粘温特性常用粘度指数VI来度量。VI表示该液体的粘度随温度变化的程度与标准液的粘度变化程度之比。通常在各种工作介质的质量指标中都给出粘度指数。粘度指数高，说明粘度随温度变化小，其粘温特性好 。,一般要求工作介质的粘度指数应在90以上，优异在100以上。当液压系统的工作温度范围较大时，应选用粘度指数高的介质。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,4）压力对粘度的影响 压力增大时，液体分子间距离缩小，内聚力增加，粘度也会有所变大。但是这种影响在低压时并不明显，可以忽略不计；当压力大于50MPa时，其影响才趋于显著。压力对粘度的影响可用下式计算 ：,vp=vaecpva(1+cp),（1-8）,式中 p液体的压力，单位为MPa； vp压力为p时液体的运动粘度，单位为m2/s； va大气压力下液体的运动粘度，单位为m2/s； e 自然对数的底； c 系数，对于石油基液压油，c =0.0150.035MPa-1,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,5）气泡对粘度的影响 液体中混入直径为0.250.5mm悬浮状态气泡时，对液体的粘度有一定影响，其值可按下式计算：,vb=v0(1+0.015b),（1-9）,式中 b混入空气的体积分数； vb混入b空气时液体的运动粘度，单位为m2/s； v0 不含空气时液体的运动粘度，单位为m2/s 。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,Part 1.1.3 选用和维护,正确而合理地选用和维护工作介质对于液压系统达到设计要求、保障工作能力、满足环境条件、延长使用寿命、提高运行可靠性、防止事故发生等方面都有重要影响 。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,1. 工作介质的选择,工作介质的选择包含两个方面：品种和粘度。选择工作介质时要考虑的因素如表1-6所示 。,表1-6 选择工作介质时考虑的因素,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,工作介质的选择通常要经历下述四个基本步骤：,1）列出液压系统对工作介质以下性能变化范围的要求：粘度、密度、体积模量、饱和蒸气压、空气溶解度、温度界限、压力界限、阻燃性、润滑性、相容性、污染性等； 2）查阅产品说明书，选出符合或基本符合上述各项要求的工作介质品种 ； 3）进行综合权衡，调整各方面的要求和参数； 4）与供货厂商联系，最终决定所采用的合适工作介质。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,在液压系统所有元件中，液压泵的工作条件最为严峻，不但压力高、转速高和温度高，而且工作介质在被液压泵吸入和由液压泵压出时要受到剪切作用，所以一般根据液压泵的要求来确定介质的粘度。给出了各种液压泵用油的粘度范围及推荐牌号 。,此外，选择工作介质的粘度时，还应考虑环境温度、系统工作压力、执行元件运动类型和速度以及泄漏等因素：当环境温度高、压力高，往复运动速度低或旋转运动时，或泄漏量大，而运动速度不高时宜有用粘度较高的工作介质，以减少系统泄漏；当环境温度低、压力低，往复运动或旋转运动速度高时，宜采用粘度低的工作介质，以减少液流功率损失 。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,Part 1.2 流体静力学,空气的密度极小，因此静止空气重力的作用甚微。所以，本节主要介绍液体静力学。液体静力学是研究静止液体的力学规律以及这些规律的应用。这里所说的静止液体是指液体内部质点间没有相对运动而言，至于盛装液体的容器，不论它是静止的或是运动的，都没有关系。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,Part 1.2.1 静压力及其特性,静止液体在单位面积上所受的法向力称为静压力。静压力在液压传动中简称压力，在物理学中则称为压强 。,静止液体中某点处微小面积A上作用有法向力F，则该点的压力定义为：,（1-19）,若法向作用力F均匀地作用在面积A上，则压力可表示为：,（1-20）,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,我国采用法定计量单位Pa来计量压力，1Pa=1N/m2。液压技术中习惯用MPa，1MPa=106Pa。,液体静压力有两个重要特性：,1）液体静压力垂直于承压面，其方向和该面的内法线方向一致。这是由于液体质量点间的内聚力很小，不能受拉只能受压之故 ； 2）静止液体内任一点所受到的压力在各个方向上都相等。如果某点受到的压力在某个方向上不相等，那么液体就会流动，这就违背了液体静止的条件 。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,Part 1.2.2 静压力基本方程,1. 静压力基本方程,图1-3 重力作用下的静止液体,在重力作用下的静止液体，其受力情况如图1-3a所示，除了液体重力，还有液面上的压力和容器壁面作用在液体上的压力。如要求出液体内离液面深度为h的某一点压力，可以从液体内取出一个底面通过该点的垂直小液柱作为控制体。设小液柱的底面积为A，高为h，如图1-3b所示。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,式（1-21）即为静压力基本方程。它说明液体静压力分布有如下特征：,1）静止液体内任一点的压力由两部分组成：一部分是液面上的压力p0，另一部分是该点以上液体重力所形成的压力gh当液面上只受大气压力pa作用时，则该点的压力为：,（1-22）,2）静止液体内的压力随液体深度呈线性规律递增。,3）同一液体中，离液面深度相等的各点压力相等。由压力相等的点组成的面称为等压面。在重力作用下静止液体中的等压面是一个水平面。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,2. 静压力基本方程的物理意义,将图1-3所示盛有液体的蜜闭容器放在基准水平面（O-x）上加以考察，如图1-4所示，则静压力基本方程可改写成 ：,图1-4 静压力基本方程的物理意义,式中 z0液面与基准水平面之间的距 离； z深度为h的点与基准水平面之间 的距离 。,上式整理后可得：,（1-23）,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,式（1-23）是静压力基本方程的另一形式。 式中p/(g)表示了单位重力液体的压力能，故又常称作压力水头；z表示了单位重力液体的位能，也常称作位置水头。 因此，静压力基本方程的物理意义是：静止液体内任何一点具有压力能和位能两种能量形式，且其总和保持不变，即能量守恒。但是两种能量形式之间可以相互转换 。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,3. 压力的表示方法,根据度量基准的不同，压力有两种表示方法：以绝对零压力作为基准所表示的压力，称为绝对压力；以当地大气压力为基准所表示的压力，称为相对压力。绝对压力与相当对压力之间的关系如图1-5所示。绝大多数测压仪表因其外部均受大气压力作用，所以仪表指示的压力是相对压力。今后，如不特别指明，液压传动中所提到的压力均为相对压力。,图1-5 绝对压力与相对压力间的关系,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,如果液体中某点处的绝对压力小于大气压力，这时该点的绝对压力比大气压力小的那部分压力值，称为真空度。,真空度=大气压力绝对压力,（1-24）,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,例1-2 图1-6所示为一充满油液的容器，如作用在活塞上的力为F=1000N，活塞面积A=1103m2，忽略活塞的质量。试问活塞下方深度为h=0.5m处的压力等于多少？油液的密度=900kg/m3 。,解：,依据式（1-21），p=p0+gh，活塞和液面接触处的压力p0=F/A=1000/（1103）N/m2=106N/m2，因此，深度为h=0.5m处的液体压力为：,p=p0+gh=（106+9009.80.5）N/m2 =1.0044106N/m2106Pa=1MPa,由这个例子可以看到，液体在受压情况下，其液柱高度所引起的那部分压力gh相当小，可以忽略不计，并认为整个静止液体内部的压力是近乎相等的。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,Part 1.2.3 帕斯卡原理,按式（1-21），盛放在密闭容器内的液体，其外加压力p0发生变化时，只要液体仍保持其原来的静止状态不变，液体中任一点的压力均将发生同样大小的变化。 也就是说，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所有各点。这就是帕斯卡原理，或称静压传递原理。帕斯卡原理是液压传动的一个基本原理 。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,Part 1.3 流体运动学和流体动力学,流体运动学研究流体的运动规律，流体动力学研究作用于流体上的力与流体运动之间的关系。流体的连续方程、能量方程和动量方程是流体运动学和流体动力学的三个基本方程。当气体流速比较低（v5m/s）时，气体和液体的这三个基本方程完全相同。因此为方便起见，本节在叙述这些基本方程时仍以液体为主要对象 。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,Part 1.3.1 基本概念,1. 理想液体、恒定流动和一维流动,实际液体具有粘性，研究液体流动时必须考虑粘性的影响。但由于这个问题非常复杂，所以开始分析时可以假设液体没有粘性，然后再考虑粘性的作用并通过实验验证等办法对理想化的结论进行补充或修正。这种方法同样可以用来处理液体的可压缩性问题。一般把既无粘性又不可压缩的假想液体称为理想液体 。,液体流动时，如液体中任何一点的压力、速度和密度都不随时间而变化，便称液体是在作恒定流动；反之，只要压力、速度或密度中有一个参数随时间变化，则液体的流动被称为非恒定流动。研究液压系统静态性能时，可以认为流体作恒定流动；但在研究其动态性能时，则必须按非恒定流动来考虑,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,当液体整个作线形流动时，称为一维流动；当作平面或空间流动时，称为二维或三维流动。一维流动最简单，但是严格意义上的一维流动要求液流截面上各点处的速度矢量完全相同，这种情况在现实中极为少见。通常把封闭容器内液体的流动按一维流动处理，再用实验数据来修正其结果，液压传动中对工作介质流动的分析讨论就是这样进行的 。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,2. 流线、流管和流束,流线是流场中的一条条曲线，它表示在同一瞬时流场中各质点的运动状态。流线上每一质点的速度向量与这条曲线相切，因此，流线代表了某一瞬时一群流体质点的流速方向，如图1-9a所示。在非恒定流动时，由于液流通过空间点的速度随时间变化，因而流线形状也随时间变化；在恒定流动时，流线形状不随时间变化。由于流场中每一质点在每一瞬时只能有一个速度，所以流线之间不可能相交，流线也不可能突然转折，它只能是一条光滑的曲线 。,图1-9 流线、流管、 流束和通流截面 a）流线 b）流管 c）流束和通流截面,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,图1-9 流线、流管、 流束和通流截面 a）流线 b）流管 c）流束和通流截面,在流场中画一不属于流线的任意封闭曲线，沿该封闭曲线上的每一点作流线，由这些流线组成的表面称为流管（见图1-9b）。流管内的流线群称为流束。根据流线不会相交的性质，流管内外的流线均不会穿越流管，故流管与真实管道相似。将流管截面无限缩小趋近于零，便获得微小流管或微小流束。微小流束截面上各点处的流速可以认为是相等的 。,流线彼此平行的流动称为平行流动；流线间夹角很小，或流线曲率半径很大的流动称为缓变流动。平行流动和缓变流动都可以算是一维流动 。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,3. 通流截面、流量和平均流速,流束中与所有流线正交的截面称为通流截面，如图1-9c中的A面和B面，通流截面上每点处的流动速度都垂直于这个面 。,图1-9 流线、流管、 流束和通流截面 a）流线 b）流管 c）流束和通流截面,单位时间内流过某通流截面的液体体积称为流量，常用q表示 ，即：,（1-27）,式中 q流量，在液压传动中流量 常用单位L/min； V液体的体积； t流过液体体积V所需的时间 。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,由于实际液体具有粘性，因此液体在管道内流动时，通流截面上各点的流速是不相等的。管壁处的流速为零，管道中心处流速最大，流速分布如图1-10b所示。若欲求得流经整个通流截面A的流量，可在通流截面A上取一微小流束的截面dA（图1-10a），则通过dA的微小流量为 ：,图1-10 流量和平均流速,对上式进行积分，便可得到流经整个通流截面A的流 量：,（1-28）,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,可见，要求得q的值，必须先知道流速u在整个通流截面A上的分布规律。实际上这是比较困难的，因为粘性液体流速u在管道中的分布规律是很复杂的。所以，为方便起见，在液压传动中常采用一种假想的平均流速v（图1-10b）来求流量，并认为流体以平均流速v流经通流截面的流量等于以实际流速流过的流量 ，即：,由此得出通流截面上的平均流速为 ：,（1-29）,图1-10 流量和平均流速,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,Part 1.3.2 连续方程,连续方程是流量连续性方程的简称，它是流体运动学方程，其实质是质量守恒定律的另一种表示形式，即将质量守恒转化为理想液体作恒定流动时的体积守恒 。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,在流体作恒定流动的流场中任取一流管，其两端通流截面面积为A1、A2，如图1-11所示。在流管中取一微小流束，并设微小流束两端的截面积为dA1、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，根据质量守恒定律，单位时间内经截面dA1流入微小流束的液体质量应与从截面dA2流出微小流束的流体质量相等，即：,图1-11 连续方程推导筒图,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,如忽略液体的可压缩性，即1=2，则 ：,对上式进行积分，便得经过截面A1、A2流入、流出整个流管的流量,根据式（1-28）和式（1-29），上式可写成：,或,式中 q1、q2分别为流经通流截面A1、A2的流量； v1、v2分别为流体在通流截面A1、A2上的平均流速。,（1-30）,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,由于两通流截面是任意取的，故有：,（1-31）,这就是液流的流量连续性方程，它说明在恒定流动中，通过流管各截面的不可压缩流体的流量是相等的。换句话说，液体是以同一个流量在流管中连续地流动着；而液体的流速则与流通截面面积成反比 。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,Part 1.3.3 能量方程,能量方程又常称伯努利方程，它实际上是流动液体的能量守恒定律。,由于流动液体的能量问题比较复杂，所以在讨论时先从理想液体的流动情况着手，然后再展开到实际液体的流动上去 。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,1. 理想液体的运动微分方程,在液流的微小流束上取出一段通流截面积为dA、长度为ds的微元体，如图1-12所示。在一维流动情况下，对理想液体来说，作用在微元体上的外力有以下两种 ：,图1-12 理想液体的一维流动,1）压力在两端截面上所产生的作用力,式中,沿流线方向的压力梯度。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,2）作用在微元体上的重力,在恒定流动下这一微元体的惯性力为：,式中 u微元体沿流线的运动速度， u=ds/dt。,图1-12 理想液体的一维流动,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,根据牛顿第二定律F=ma有,由于,，代入上式，整理后可得：,这就是理想液体沿流线作恒定流动时的运动微分方程。它表示了单位质量流体的力平衡方程 。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,2. 理想流体的能量方程,将式（1-32）沿流线s从截面1积分到截面2（见图1-12），便可得到微元体流动时的能量关系式，即：,上式两边同除以 g，移项后整理 得,图1-12 理想液体的一维流动,（1-33）,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,由于截面1、2是任意取的，故上式也可写成 ：,式（1-33）或式（1-34）就是理想液体微小流束作恒定流动时的能量方程或伯努利方程。它与液体静压基本方程式（1-23）相比多了一项单位重力液体的动能u2/2g（常称速度水头）。,（1-34）,因此，理想液体能量方程的物理意义是：理想液体作恒定流动时具有压力能、位能和动能三种能量形成，在任一截面上这三种能量形式之间可以相互转换，但三者之和为一定值，即能量守恒 。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,3. 实际液体的能量方程,实际液体流动时还需克服由于粘性所产生的摩擦阻力，故存在能量损耗。设图1-12中微元体从截面1流到截面2因粘性而损耗的能量为hw，则实际液体微小流束作恒定流动时的能量方程为 ：,（1-35）,图1-12 理想液体的一维流动,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,为了求得实际液体的能量方程，图1-13示出了一段流管中的液流，两端的通流截面积各为A1、A2。在此液流中取出一微小流束，两端的通流截面积各为dA1 和dA2，其相应的压力、流速和高度分别为p1、u1、z1和p2、u2、z2。这一微小注束的能量方程是式（1-35）。将式（1-35）的两端乘以相应的微小流量dq（dq=u1dA1= u2dA2），然后各自对液流的通流截面积A1和A2进行积分， 得：,图1-13 流管内液流 能量方程推导简图,（1-36）,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,为使式（1-36）便于实用，首先将图1-13中截面A1和A2处的流动限于平行流动（或缓变流动），这样，通流截面A1、A2可视为平面，在通流截面上除重力外无其他质量力，因而通流截面上各点处的压力具有与液体静压力相同的分布规律，即p/(g)+z=常 数。,其次，用平均流速v代替通流截面A1或A2上各点处不等流速u，且令单位时间内截面A处液流的实际动能和按平均流速计算出的动能之比为动能修正系数 ， 即,（1-37）,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,此外，对液体在流管中流动时因粘性磨擦而产生的能量损耗，也用平均能量损耗的概念来处理，即令,将上述关系式代入式（1-36），整理后可得,（1-38）,式中 1、2分别为截面A1、A2上的动能修正系数 。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,式（1-38）就是仅受重力作用的实际液体在流管中作平行（或缓变）流动时的能量方程。它的物理意义是单位重力实际液体的能量守恒。其中hw为重力液体从截面A1流到截面A2过程中的能量损耗 。,在应用上式时，必须注意p和z应为通流截面的同一点上的两个参数，为方便起见，通常把这两个参数都取在通流截面的轴心处 。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,例1-5 计算液压泵吸油口处的真空度,图1-15 液压泵吸油装置,液压泵吸油装置如图1-15所示。设油箱液面压力为p1，液压泵吸油口处的绝对压力为p2，泵吸油口距油箱液面的高度为h 。,解 以油箱液面为基准，并定为1-1截面，泵的吸油口处为2-2截面。取动能修正系数1=2=1对1-1和2-2截面建立实际液体的能量方程，则有 ：,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,图1-15 液压泵吸油装置,图示油箱液面与大气接触，故p1为大气压力，即p1=pa；v1为油箱液面下降速度，由于v1v2,故v1可近似为零；v2为泵吸油口处液体的流速，它等于流体在吸油管内的流速；hw为吸油管路的能量损失。因此，上式可简化 为：,所以液压泵吸油口处的真空度为：,由此可见，液压泵吸油口处的真空度由三部分组成：把油液提升到高度h所需的压力、将静止液体加速到v2所需的压力和吸油管路的压力损失 。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,Part 1.3.4 动量方程,动量方程是动量定理在流体力学中的具体应用。用动量方程来计算液流作用在固体壁面上的力，比较方便。动量定理指出：作用在物体上的合外力的大小等于物体在力作用方向上的动量的变化率 ,即：,（1-40）,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,图1-16 流管内液流 动量定理推导简图,将动量定理应用于流体时，须在任意时刻t时从流管中取出一个由通流截面A1和A2围起来的液体控制体积，如图1-16所示。这里，截面A1和A2便是控制表面。在此控制体积内取一微小流束，其在A1、A2上的通流截面为dA1 、dA2，流速为u1、u2。假定控制体积经过dt后流到新的位置 ，则在dt时间内控制体积中液体质量的动量变化 为：,（1-41）,1,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,体积V中液体在t+dt时的动量为：,式中 液体的密度。,同样可推得体积V中液体在t时的动量为：,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,式（1-41）中等号右边的第一、二项为：,当dt0时，体积VV，将以上关系代入式（1-40）和式（1-41）得：,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,若用流管内液体的平均流速v代替截面上的实际流速u，其误差用一动量修正系数予以修正，且不考虑液体的可压缩性，即A1v1=A2v2=q（而 ），则上式经整理后可写 成：,（1-42）,式中动量修正系数等于实际动量与按平均流速计算出的动量之比，即：,（1-43）,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,式（1-42）即为流体力学中的动量定理。等式左边F为作用于控制体积内液体上外力的矢量和；而等式右边第一项是使控制体积内的液体加速（或减速）所需的力，称为瞬态力，等式右边第二项是由于液体在不同控制表面上具有不同速度所引起的力，称为稳态力 。,对于作恒定流动的液体，式（1-42）等号右边第一项等于零，于是有 ：,（1-44）,注意，式（1-42）和式（1-44）均为矢量方程式，在应用时可根据具体要求向指定方向投影，列出该方向上的动量方程，然后再进行求解 。,若控制体积内的液体在所讨论的 方向上只有与固体壁面间的相互 作用力，则这两力大小相等，方 向相反 。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,例1-6 喷嘴挡板如图1-17所示。试求射流对挡板的作用力。,图1-17 射流对挡板的作用力,解 运用动量方程的关键在于正确选取控制体积。在图示情况下，划出abcdef为控制体积，则截面ab、cd、ef上均为大气压力pa。若已知喷嘴出口ab处面积为A，射流的流量为q，流体的密度为，并设挡板对射流的作用力为F，由动量方程 得,因为pa=0（相对压力），所 以,因此，射流作用在挡板上的力大小与F相等，方向向右 。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,例1-7 图1-18所示为一锥阀，锥阀的锥角为2。当液体在压力p下以流量q流经锥阀时，液流通过阀口处的流速为v2，出口压力为p2=0。试求作用在锥阀上的力的大小和方向 。,图1-18 锥阀上的液动力,解 在图示情况，取双点划线内部的液体为控制体积。设锥阀作用在控制体上的力为F，沿液流方向对控制体列出动量方程，在图1-18a情况下为：,取1=21，因为v1v2,忽略v1，故得：,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,图1-17 射流对挡板的作用力,在图1-18b情况下，则有：,同样，取1=21，因为v1v2,忽略v1，于是得：,在上述两种情况下，液流对锥阀作用力的大小都等于F，而作用方向各自与图示方向相反。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,由上述两个F的计算式可以看出，其中作用在锥阀上的液动力项qv2cos均为负值，也即此力的作用方向应与图示方向一致。因此，在图1-18a情况下，液动力力图使锥阀关闭；可是在图1-18b情况下，却欲使之打开。所以，不能笼统地认为，阀上稳态液动力的作用方向是固定不变的，必须对具体情况作具体分析 。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,Part 1.6 管道流动,本节讨论液体流经圆管及各种管道接头时的流动情况，进而分析流动时所产生的能量损失，即压力损失，液体在管中的流动状态直接影响液流的各种特性，所以先要介绍液流的两种流态。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,Part 1.6.1 液态与雷诺数,1. 层流和湍流,19世纪末，英国物理学家雷诺首先通过实验观察了水在圆管内的流动情况，发现液体有两种流动状态：层流和湍流。实验结果表明，在层流时，液体质点互不干扰，液体的流动呈线性或层状，且平行于管道轴线；而在湍流时，液体质点的运动杂乱无章，除了平行于管道轴线的运动外，还存在着剧烈的横向运动。,层流和湍流是两种不同性质的流态。层流时，液体流速较低，质点受粘性制约，不能随意运动，粘性力起主导作用；湍流时，液体流速较高，粘性的制约作用减弱，惯性力起主导作用。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,2. 雷诺数,液体的流动状态可用雷诺数来判别。,实验证明，液体在圆管中的流动状态不仅与管内的平均流速v有关，还和管径d、液体的运动粘度有关。而用来判别液流状态的是由这三个参数所组成的一个称为雷诺数Re的无量纲数。,（1-78）,液流由层流转变为湍流时的雷诺数和由湍流转变为层流时的雷诺数是不同的，后者数值小。所以一般都用后者作为判别流动状态的依据，称为临界雷诺数，记作Recr。当雷诺数Re小于临界雷诺数Recr时，液流为层流；反之，液流大多为湍流。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,对于非圆截面的管道来说，雷诺数Re应用下式计算,（1-79）,式中，dH为通流截面的水力直径，它等于4倍通流截面面积A与湿周（流体与固体壁面相接触的周长）x之比，即,（1-80）,水力直径的大小对管道的通流能力影响很大。水力直径大，意味着液流与管壁接触少，阻力小，通流能力大，即使通流截面积小时也不容易堵塞。在面积相等但形状不同的所有通流截面中，圆形的水力直径最大。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,几种常用管道的水力直径dH和临界雷诺数Recr示表117中。,表117 几种常用管道的水力直径dH和临界雷诺数Recr,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,Part 1.6.2 圆管层流,液体在圆管中的层流流动是液压传动中的最常见现象，在设计和使用液压系统时，就希望管道中的液流保持这种状态。,图1-23 圆管中的层流,图123所示为液体在等径水平圆管中作恒定层流时的情况。在管内取出一段半径为r、长度为l，中心与管轴相重合的小圆柱体，作用在其两端上的压力为p1和p2，作用在其侧面上的内摩擦力为Ff。液体等速流动时，小圆柱体受力平衡，有：,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,由式（14）知，内摩擦力Ff=2rldu/dr (因管中流速u随r增大而减小，故du/dr为负值，为使Ff为正值，所以加一负号)。令p=p1- p2并将Ff代入上式，则得,即,对此式进行积分，并利用边界条件，当r=R时，u=0，得,（1-81）,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,可见管内流速随半径按抛物线规律分布。最大流速发生在轴线上，此处r=0，umax= ； 最小流速在管壁上，此处r=R，umin=0。,在半径r处取出一厚dr的微小圆环面积（图123）dA=2rdr，通过此环形面积的流量为dq=udA=2urdr ，对此式积分得,（1-82）,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,这就是圆管层流的流量计算公式。它表明，如欲将粘度为的液体在直径为d、长度为l的直管中以流量q流过，则其管端必须有 值的压力降；反之，若该管两端有压差 ，则流过这种液体的流量必等于q。这个公式在液压传动中很重要，以后会经常用到。,根据通流截面上平均流速的定义，可得,（1-83）,将v与umax比较可知，平均流速为最大流速的一半。,此外，将式（181）和式（183）分别代入式（137）和式（143）可求出层流时的动能修正系数=2和动量修正系数=4/3。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,Part 1.6.3 圆管湍流,液体作湍流流动时，其空间任一点处流体质点速度的大小和方向都是随时间变化的，本质上是非恒定流动。为了讨论问题方便起见，工程上在处理湍流流动参数时，引入一个时均流速u的概念，从而把湍流当作恒定流动来看待。,湍流时流速变化情况如图124所示。如果在某一时间间隔T（时均周期）内，以某一平均流速u流经任一微小截面dA的液体量等于同一时间内以真实的流速u流经同一截面的液体量，即,图1-24 湍流时的流速,则湍流的时均流速便是,（1-84）,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,对于充分的湍流流动，其通流截面上的流速分布图形如图125所示。由图可见，湍流中的流速分布是比较均匀的。其最大流速umax(11.3)v，动能修正系数1.05，动量修正系数1.04，因而湍流时这两个系数均可近似地取为1。,图1-25 湍流时圆管中的流速分布,靠近管壁处有极薄一层惯性力不足以克服粘性力的液体在作层流流动，称为层流边界层。层流边界层的厚度将随液流雷诺数的增大而减小。,由半经验公式可知，对于光滑圆管内的湍流来说，在雷诺数为3103 1105范围内，其截面上的流速分布遵循1/7次方的规律，即,（1-85）,式中符号的意义如图125中所示。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,Part 1.6.4 压力损失,实际液体是有粘性的，所以流动时粘性阻力要损耗一定能量，这种能量损耗表现为压力损失。损耗的能量转变为热量，使液压系统温度升高，甚至性能变差。因此在设计液压系统时，应考虑尽量减小压力损失。,液体在流动时产生的压力损失分两种：沿程压力损失和局部压力损失。 沿程压力损失：液体在等径直管内流动时因摩擦而产生的压力损失。 局部压力损失：液体流经管道的弯头、接头、阀口以及突然变化的截面等处时，因流速或流向发生急剧变化而在局部区域产生流动阻力所造成的压力损失。,由圆管层流的流量公式（182）可求得 ，即为沿程压力损失,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,1. 沿程压力损失,（1-86）,将 代入上式并整理后得,（1-87）,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,液体在直管中作湍流流动时，其沿程压力损失的计算公式与层流时相同，即仍为,式中 液体的密度； 沿程阻力系数，理论值 。考虑到实际流动时还存在温度变化等问题，因此液体在金属管道中流动时宜取 ，在橡胶软管中流动时则取