2液体流体力学基础

湖南农业大学工学院机械制造教研室教学要求重点难点本章目录液压传动是以液体作为工作介质进行能量传递的，因此，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。湖南农业大学工学院机械制造教研室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。湖南农业大学工学院机械制造教研室重点难点•液压油的粘性和粘度•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湖南农业大学工学院机械制造教研室本章目录第一节液体的物理性质第二节流体静力学基础第三节流体动力学基础第四节液体流动时的压力损失第五节液体流经小孔和缝隙的流量第六节液压冲击和空穴现象湖南农业大学工学院机械制造教研室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：湖南农业大学工学院机械制造教研室一、流体的密度和重度液体的密度VM液压油的密度为900kg/m3液体的重度VG液压油的重度为8800N/m3重度与密度的关系g湖南农业大学工学院机械制造教研室二、液体的可压缩性液体的弹性模量KllplAlAAFVVpK////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=(1.4~2.0)X109Pa等效（常用）弹性模量为K'=(0.7~1.4)X109Pa湖南农业大学工学院机械制造教研室三、液体的粘性和粘度1.液体的粘性yuμAFfdd液体在外力作用下流动时，液体分子间的内聚力（内摩擦力）阻碍其相对运动的性质。yudd内摩擦力内摩擦应力湖南农业大学工学院机械制造教研室2.液体的粘度度量液体粘性大小的物理量（1）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。Pa·s单位：/dyduτμ=（2）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。=ρμνcSt单位：m2/s,cSt6101=s2/m三、液体的粘性和粘度湖南农业大学工学院机械制造教研室对同一种介质，其运动粘度新旧牌号对比如下表所示：新N7N10N15N20N32N46N65N100N150旧5710152030406080一般地，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。三、液体的粘性和粘度湖南农业大学工学院机械制造教研室（3）相对粘度雷氏粘度R——英国、欧洲赛氏粘度SSU——美国恩氏粘度——俄国、德国、中国单位：无量纲t2oE200ml温度为T的被测液体,流经恩氏粘度计小孔（φ2.8mm）所用时间t1，与同体积20℃的蒸馏水通过小孔所用时间t2之比。t1oE湖南农业大学工学院机械制造教研室湖南农业大学工学院机械制造教研室几点说明三种粘度之间的关系EEoo31.631.7影响粘度的因素)003.01()1(00ptpt（4）调和油的粘度新油掺配后组成（和由EbaEbEaEEEEcEbEaE0201021201020100)%%%)(~~~~100)(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、压力湖南农业大学工学院机械制造教研室四、液压油的类型与选用1.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，价格便宜湖南农业大学工学院机械制造教研室2.液压油的类型•石油型液压油•合成型液压油•乳化型液压油3.液压油的选用•合适的类型（油型）•适当的粘度（油号）（参见下页两个表）液压系统的工作压力—压力高，要选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四、液压油的类型与选用湖南农业大学工学院机械制造教研室液压油的类型湖南农业大学工学院机械制造教研室液压油的类型湖南农业大学工学院机械制造教研室五、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湖南农业大学工学院机械制造教研室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压力的计算湖南农业大学工学院机械制造教研室一、压力的概念AFpAlim0静止液体在单位面积上所受的法向力称为静压力。（ΔA→0）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：1）液体静压力垂直于承压面，方向为该面内法线方向。2）液体内任一点所受的静压力在各个方向上都相等。湖南农业大学工学院机械制造教研室二、压力的分布)(AghApApo（压力随深度线性增加；等深等压。）静压力基本方程式：如下图得：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ρgh；•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；ghpp0湖南农业大学工学院机械制造教研室三、压力的表示1）按测量方式表示♣水柱高度（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ppap表压=p相对=p绝对–pappap真空度=–p相对=pa–p绝对湖南农业大学工学院机械制造教研室解：表面压力：p0=F/A=1000/1x10-3=106N/m2h处的压力：p=p0+ρgh=1.0044×106N/m2≈106Pa由此看出，ρgh相对很小，在液压系统中可以忽略不计，因而可以近似地认为液体内部各处的压力是相等的。以后在分析液压系统的压力时，一般都采用这一结论。例题已知：ρ=900kg/m3，F=1000N,A=1X10-3m2，求：在h=0.5m处p=?湖南农业大学工学院机械制造教研室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。由此可得液压传动中两个非常重要的基本概念：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。四、压力的传递湖南农业大学工学院机械制造教研室帕斯卡原理的应用已知：D=100mm,d=20mm,G=5000kg求：F=？G=mg=5000kgx9.8m/s2=49000N由p1=p2则F/(πd2/4)=G/（πD2/4)F=(d2/D2)G=(202/1002)49000=1960N液压千斤顶等液压起重设备的工作原理湖南农业大学工学院机械制造教研室五、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。XxxpAplrplrFF2dcosd2/π2/π2/π2/π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=pA，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=pAx，Ax为曲面在该方向的投影面积。湖南农业大学工学院机械制造教研室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：湖南农业大学工学院机械制造教研室一、液体的流态和流速1.理想液体、恒定流动理想液体：假设的既无粘性又不可压缩的流体称为理想流体。实际液体：有粘度、可压缩的液体恒定流动：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。也称为定常流动或非时变流动。（实验）非恒定流动：只要压力、速度、密度中有一个随时间变化的流动。湖南农业大学工学院机械制造教研室实验湖南农业大学工学院机械制造教研室流线：液流中与各质点的速度方向相切的曲线。流管：通过一条封闭曲线的流线构成的管状表面。流束：流管内所有流线的集合。通流截面：垂直于流动方向的截面，也称为过流截面。2.流线、流管、流束、通流截面：湖南农业大学工学院机械制造教研室流量：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，实际流体内各质点流速不等。平均流速：通过流体某截面流速的平均值。AdAqAqAdAA3.流量、流速湖南农业大学工学院机械制造教研室雷诺实验装置4、液体的流态（1）实验湖南农业大学工学院机械制造教研室湖南农业大学工学院机械制造教研室通过实验发现液体在管道中流动时存在两种流动状态：层流——分层、稳定、无横向流动。湍流——不分层、不稳定、有横向流动。（2）流态判断液体的流动状态用雷诺数Re判断。如果液流的雷诺数相同，它的流动状态也相同。υdReRe无量纲非圆管截面HdRexAdH4湖南农业大学工学院机械制造教研室一般以液体由湍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Re＜Rec为层流；当Re＞Rec为湍流。常见液流管道的临界雷诺数见教材中表格2-4。湖南农业大学工学院机械制造教研室雷诺数的物理意义雷诺数是液流的惯性力对粘性力的量纲为1（无量纲）的比值。当雷诺数较大时，液体的惯性力起主导作用，液体处于湍流状态。液体的能量主要消耗在动能损失上，使液体搅动混合，产生漩涡、尾气，造成气穴，撞击管壁，引起振动和噪声，最后化作热能消散掉。当雷诺数较小时，液体的粘性力起主导作用，液体处于层流状态。液体的能量主要消耗在摩擦损失上，它直接转化为热能，一部分被液体带走，一部分传给管壁。湖南农业大学工学院机械制造教研室•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质量相等，即：二、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。ρ1v1A1=ρ2v2A2若不考虑液体的可压缩性，则得q=vA=常量湖南农业大学工学院机械制造教研室三、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a'b'♣外力对流束段ab所做的功W♣流束段aa'-bb'能量的变化ΔE动能位能♣外力做功=能量变化W=ΔEghuρpghuρp2222121122ρgdqdthρgdqdthΔEρudqdtρudqdtΔE1222122122)pdqdt(pWdqudAu而dAdtudApdtudApdsdApdsdApW21221122221111222111所以得湖南农业大学工学院机械制造教研室2、实际液体伯努利方程pghpghpvv22222211112121实际液体：有粘性、可压缩、非稳定流动。速度修正:α动能修正系数平均流速代替实际流速，同时考虑能量损失hwghghpghvpwv222221112221