流体力学基础讲解

InstituteofMechatronics&LogisticsEquipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动第一章流体力学基础第一章流体力学基础流体的力学概念工作介质的物理性质流体静力学流体动力学气体状态方程充、放气参数的计算管道中的流动特性孔口及缝隙流动特性InstituteofMechatronics&LogisticsEquipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动第一章流体力学基础流体的力学概念问题：1）流体上作用有哪些力？2）什么是质量力和单位质量力？3）什么是表面力和应力？4）流体的切应力与什么因素有关？5）流体的法向力与什么因素有关？6）什么是理想流体？它的性质如何？InstituteofMechatronics&LogisticsEquipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动第一章流体力学基础流体上的作用力假设:流体是一种连续的、易于流动的介质。zxy0VAFnFτFgVInstituteofMechatronics&LogisticsEquipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动第一章流体力学基础对应上图，可见流体上作用有两种力：质量力和表面力！！1）质量力：其他物体对所研究流体的作用力。它作用于所研究流体的所有质点上。2）质量力的性质：质量力是向量，它仅与所研究流体的质量成正比。注意：重力、离心力及一切由于加速度存在而产生的惯性力均为质量力。InstituteofMechatronics&LogisticsEquipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动第一章流体力学基础3）单位质量力：单位质量的质量力。事实上，单位质量力数值上就等于加速度。4）表面力：由于流体之间表面的相互接触所产生的作用力。5）表面力的性质：只与接触表面积有关，而与流体的质量或体积无关，也为向量。6）单位表面力：单位表面积上的表面力被称为应力。注意：按表面力作用在表面上的方向不同，又分为法向力和切向力。InstituteofMechatronics&LogisticsEquipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动第一章流体力学基础如前图所示，的表面上作用着的法向力和的切向力，则上的平均法向应力和切向应力为：nFAτFAmpmτnmm;FFpAA当微小面积趋于零，并对上述关系式取极限时，则得到流体内某定点处的应力为：AInstituteofMechatronics&LogisticsEquipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动第一章流体力学基础nn0lim;AFdFpAdAττ0.limAFdFAdA问题：1）流体在什么情况下才产生切应力？2）对于流体而言，法向力的方向如何？InstituteofMechatronics&LogisticsEquipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动第一章流体力学基础7）理想流体：忽略了流体粘性的流体。结论：理想流体内不存在切应力。工作介质的物理性质液体的密度：单位体积液体所具有的质量，即mVInstituteofMechatronics&LogisticsEquipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动第一章流体力学基础上式中—液体的密度；—液体的体积；—液体的质量。Vm性质：液体的密度随着压力或温度的变化而发生变化，但一般变化量很小。液体的可压缩性：液体因所受压力增大而造成的体积缩小的性质。问题：如何表示液体的可压缩性大小？InstituteofMechatronics&LogisticsEquipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动第一章流体力学基础表示的方法：一般用压缩率来衡量压缩性的大小。其具体定义如下：当液体所受的压力增大时，液体体积的相对变化率，即p0V01VpV问题：1)为什么上式右边要增加一负号？2)压缩率的量纲是什么？InstituteofMechatronics&LogisticsEquipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动第一章流体力学基础重要的概念：液体体积弹性模量！液体体积弹性模量：液体压缩率的倒数，用字母来表示，即有K01pKVV的单位为MPa。对于石油基液压油，其体积弹性模量为（1.4~2）103MPa。KInstituteofMechatronics&LogisticsEquipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动第一章流体力学基础注意：对于实际石油基液压油，其体积弹性模量与温度、压力和混入的空气量有关。一般规律：温度升高，值减小；压力增大，值增大；混入的空气量越大，值将大为减小。KKK建议：实际使用时，对于实际石油基液压油，体积弹性模量取为：（0.7~1.4）103MPaInstituteofMechatronics&LogisticsEquipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动第一章流体力学基础液体的粘性：液体体微团间因相对运动而产生内摩擦力的性质。注意：液体流动时才会出现粘性；静止液体不呈现粘性。重要的概念：粘度！是对液体粘性大小的度量；是选择液压油的主要指标。InstituteofMechatronics&LogisticsEquipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动第一章流体力学基础牛顿内摩擦力定律0uxyuduuydyh0液体粘性示意图InstituteofMechatronics&LogisticsEquipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动第一章流体力学基础结论：实验测定表明，当液体流动时，相邻液层间的摩擦力与液层接触面积、液层间的速度梯度成正比，即fFA/dudyfduFAdy式中，被称为粘性系数或动力粘度。若以表示液层间的切应力，则上式变为fFduAdy－牛顿液体内摩擦力定律InstituteofMechatronics&LogisticsEquipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动第一章流体力学基础注意：对应上式，为不变常数时，称流体为牛顿流体；为变数时，称流体为非牛顿流体。粘性大小的度量表示粘性的大小，一般用粘度来度量。常用的粘度主要有三种，即绝对粘度；运动粘度；相对粘度。InstituteofMechatronics&LogisticsEquipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动第一章流体力学基础1.绝对粘度，又称为动力粘度。其特性：直接表示液体的内摩擦力大小。动力粘度的单位：Pa·s（帕·秒）。2.运动粘度，是液体动力粘度与液体的密度之比，即运动粘度的单位：m2/s（米2/秒）。InstituteofMechatronics&LogisticsEquipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动第一章流体力学基础3.相对粘度，主要有：恩氏粘度（°E）；赛氏粘度（SSU）；雷氏粘度（R1S）；巴氏粘度（°B）。恩氏粘度（°E）：采用恩氏粘度计进行测定，即将200ml温度为t℃的被测液体装入恩氏粘度计的容器中，由其底部2.8mm的小孔流出，测出液体流尽的时InstituteofMechatronics&LogisticsEquipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动第一章流体力学基础间为t1，再测出同体积温度为20℃的蒸馏水在同一容器中流尽所需的时间t2；则这两个时间之比，即为被测液体在t℃下的恩氏粘度。°E12tt626.317.31E10m/sE－注意：恩氏粘度与运动粘度间有下列关系：InstituteofMechatronics&LogisticsEquipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动第一章流体力学基础温度、压力对液体粘度的影响温度的影响：温度升高，粘度下降；温度降低，粘度增大。上述粘度随温度的这一变化特性，被称之为粘温特性。一般用粘度指数V.I来度量液体的粘温特性。粘度指数V.I=被测液体的粘度随温度变化的程度标准液体的粘度随温度变化的程度InstituteofMechatronics&LogisticsEquipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动第一章流体力学基础液压油的动力粘度与温度间的关系为：0t00()(1)ttet式中，和分别为温度和时该液压油的动力粘度，为决定该液压油物理性质的系数，也称为粘温系数，对于石油基矿物液压油，。t0t℃t0℃2(1/C)1.8~3.610注意：当工作温度在30~70℃，石油基矿物液压油的粘温系数取为。1/23InstituteofMechatronics&LogisticsEquipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动第一章流体力学基础压力的影响：液体的粘度随压力的增大而增大。（问题：为什么？）注意：上述结论在低压时不明显，而在高压下比较明显。压力对粘度的影响可用下式表示：p00(1)pep式中，是液体的压力，和分别是压力为和1个大气压时的液体动力粘度，被称为粘压系数，对于石油基矿物液压油，0pppInstituteofMechatronics&LogisticsEquipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动第一章流体力学基础可近似取为：1/432。结论：综合压力和温度对液体粘度大小的关系式为：00()ptte其中：—是压力为，温度为时的粘度；—是压力为1个大气压，温度为时的粘度。0pt℃t0℃InstituteofMechatronics&LogisticsEquipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动第一章流体力学基础液体的含气量、空气分离压和汽化压液体的含气量：液体中所含气体的体积百分数。注意：液体中的空气有混入和溶入两种。问题：什么叫空气的混入和溶入？对液体物理性质有什么影响？InstituteofMechatronics&LogisticsEquipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动第一章流体力学基础当液体中混入了空气，则液体的动力粘度可按式：计算。B0(10.015)B式中，为混入空气的体积百分数，为未混入空气时的液体的动力粘度，为混入的空气时的液体的动力粘度。B0BB空气分离压：过饱和的空气将突然自液体中分离出来而产生大量气泡时所对应的液体压力，一般用字母表示。gpInstituteofMechatronics&LogisticsEquipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动第一章流体力学基础注意：温度升高，空气溶解量和混入量大，则液压油的空气分离压增大。饱和蒸汽压：在一定的温度下，当液体的压力低于某一数值时，液体将迅速汽化，产生大量气泡而沸腾，此时所对应的压力被称为该种液体在该温度下的饱和蒸汽压。注意：一般而言，液体的饱和蒸汽压随温度升高而增大。液压油的饱和蒸汽压很低。InstituteofMechatronics&LogisticsEquipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动第一章流体力学基础气体的密度：单位体积内空气的质量，用表示。g00273.16pTp注意：空气的密度与温度、压力有关，一般分两种情况计算，即干空气的密度为：式中，为标准状态下空气的密度，为；为标准状态下空气的0301.293kg/m0pInstituteofMechatronics&LogisticsEquipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动第一章流体力学基础00.1013MPapT273.16Tt湿空气的密度为：bs00.0378273.160.1013ppT式中，为饱和空气中水蒸气的分压力