02_流体力学基础.

第二章流体力学基础液压与气压传动（PPT课件）主编：盛小明，刘忠，张洪副主编：秦永法，胡增容，张兴国编委：孙明，刘鑫培，孙波，胡万强第二章流体力学基础•2.1液压与气压传动的工作介质•2.2流体静力学•2.3气体状态方程•2.4流体动力学•2.5液体流动时的压力损失•2.6孔口及缝隙的压力流量特性•2.7液压冲击和气蚀现象第二章流体力学基础•液压流体力学是研究液体平衡和运动的力学规律的一门学科。•液体静力学研究液体在静止状态下的力学规律及其应用•液体动力学研究液体流动时流速和压力的变化规律•管道中液流的特性用于计算液体在管路中流动时的压力损失•孔口及缝隙的压力流量特性分析节流调速回路性能和计算元件泄漏量的理论依据•液压冲击和气穴现象第二章流体力学基础•1、液体静压力及其特性2、帕斯卡原理3、压力表示方法及单位4、液体运动的基本概念5、连续性方程6、伯努利方程7、动量方程8、层流、流态、雷诺数•9、沿程压力损失10、局部压力损失11、孔口液流特性12、平行平板的间隙流动13、同心环形间隙在压差作用下的流动14、流经平行圆盘间隙径向流动的流量15、减小液压冲击的措施难点、重点第二章流体力学基础•液压与气动是用流体作为工作介质来传递能量的。•在系统中，工作介质用来传递动力和信号，液压传动系统中液压油还起到润滑、冷却和防锈等作用。•液压与气压传动系统，特别是液压传动系统能否可靠、有效地工作，在很大程度上取决于系统中所使用的工作介质。因此，必须对工作介质有清晰的了解。•2.1液压与气压传动的工作介质•2.1.1油液基本性质与种类第二章流体力学基础(1)液压油的种类和代号石油型难燃型机械油汽轮机油液压油水-乙二醇液磷酸酯液水包油油包水乳化液合成型{{{{最常用的液压油名称及代号是：基础油（HH）普通液压油（HL）抗磨液压油（HM）低温液压油（HV）第二章流体力学基础•密度：单位体积液体的质量称为液体的密度。体积：V质量：m密度：ρ•重度:单位体积的液体重力称为该液体的重度。重力：W重度：γ•一般矿物油系液压油在20℃时密度约为850～900kg/m3左右vmgVW(2)液压油的密度及重度第二章流体力学基础•定义:液体受压力作用而发生体积变化的性质称为液体的可压缩性，用体积压缩系数β表示pVV0(3)液压油的可压缩性V体积变化:0V初始体积:p压力变化：VpVkK01•体积弹性模量(体积压缩系数的倒数)K说明：越大，液体的抗压能力越强，在静态下工作时，不考虑液体的可压缩性。K第二章流体力学基础(4)液压油的粘性（动画演示）•粘性：液体在外力作用流动（或有流动趋势）时，分子间的内聚力要阻止分子间的相对运动而产生一种内摩擦力，这种现象叫做液体的粘性。•静止液体是不呈现粘性的。•粘度:液体的粘性大小可用粘度来表示•粘度的表示方法:动力粘度μ运动粘度ν相对粘度°E第二章流体力学基础•内摩擦力：dyduAFf式中：η—粘性系数(粘度)A—液层接触面积du/dy—速度梯度—牛顿内摩擦定律dyduAFf——两液层的速度差——两液层间的距离•切应力:第二章流体力学基础单位：Pa.S（帕.秒）dyduAFf•动力粘度•动力粘度物理意义:液体在单位速度梯度下流动时，接触液层间单位面积上内摩擦力•动力粘度单位•国际单位：Pa.S（帕.秒）或牛顿.秒/米2（N.S/m2）•以前沿用单位（CGS制）：泊（P）或厘泊（CP）达因.秒/厘米2dyn.S/cm2换算关系：1Pa.S=10P=103CP第二章流体力学基础•运动粘度•运动粘度单位•国际单位SI制：m2/S•国际通用单位制式CGS制：St（斯）（cm2/S）cSt（厘斯）（mm2/S）•换算关系：1m2/s=104St(cm2/s)斯=106cSt(mm2/s)厘斯•机械油的牌号我国液压油的牌号就是用它在温度为40℃时的运动粘度平均值来表示的。第二章流体力学基础200mlφ=2.8mm恩氏粘度计•相对粘度又称条件粘度，按一定的测量条件制定•可分为:恩氏度0E(中国、德国、前苏联等用);赛氏秒SSU(美国用);雷氏秒R(英国用);巴氏度0B(法国用)21ttEt式中：t1–油流出的时间t2－20OC蒸馏水流出时间以20、50、100OC为标准测定温度,记为：1005020,,EEE•恩氏粘度与运动粘度的换算关系：610)31.631.7(ttEE第二章流体力学基础•影响粘度的因素•液体的粘度随液体的压力和温度而变•温度升高粘度下降,称为液体的粘－－温特性．粘度随温度变化特性，可以用粘度－温度曲线表示。•其它性质•物理性质：比热容、导热系数、流动点、凝固点、闪点、燃点、润滑性•化学性质：热稳定性、氧化稳定性、水解稳定性、相容性、毒性第二章流体力学基础选择液压油时，首先考虑其粘度是否满足要求，同时兼顾其它,选择时应考虑如下因素：（1）液压泵的类型（2）液压系统的工作压力（3）运动速度（4）环境温度（5）防污染的要求（6）综合经济性液压油使用，考虑：（1）控制油温（2）防止污染（3）定期抽检、定期更换（4）油箱储油充分（5）确保密封第二章流体力学基础液压油是否清洁，会直接关系到液压系统是否能正常工作和液压元件的使用寿命。液压系统的许多故障都是由液压油受到污染导致的。因此，要严格控制液压油的污染。液压油污染的原因：原始残留物的污染外界侵入物的污染系统产生污染物的污染。液压油的污染控制：尽量减少外来污染选用合适的过滤器定期检查、过滤或更换液压油•2.1.2液压油的污染与控制第二章流体力学基础空气密度:单位体积空气的质量及重量，分别称为空气的密度（kg/m3）及重度（N/m3）.•2.1.3气动系统工作介质与基本性质•热力学温度为T=273.16K，•绝对压力为p=1.013×105Pa•空气的密度为1.293kg/m3左右•空气密度与温度压力关系：•ρ0：在热力学温度T=273.16K，绝对压力为p=1.013×105Pa时空气的密度；•t:摄氏温度(oC)；p:绝对压力（MPa）。0016.27316.273ppt第二章流体力学基础•气体受压力的作用而使体积发生变化的性质称为气体的可压缩性。•气体受温度的影响而使体积发生变化的性质称为气体的膨胀性。•空气的可压缩性及膨胀性大，造成了气压传动的软特性，即气缸活塞的运动速度受负载变化影响很大，因此，很难得到稳定的速度和精确的位移。这些都是气压传动的缺点。但同时又可利用这种软特性来适应某些生产要求。第二章流体力学基础•空气的粘性是由于分子间的内聚力，在分子间相对运动时产生的内摩擦力而表现出的性质，并随温度升高而约有增加。•由于气体分子间距离大，内聚力小，因此与液体相比，气体的粘度要小得多，可以忽略不计。•空气的湿度：在一定的温度和压力下，空气中水蒸气的含量达到最大值即饱和状态，称为饱和湿空气。•当空气中所含的水蒸气未达到饱和状态时，称此时的水蒸气是过热状态，这种湿空气称为未饱和湿空气。•湿空气中所含水蒸气的程度用湿度和含湿量来表示：:绝对湿度、相对湿度、含湿量、露点•第二章流体力学基础返回第二章流体力学基础•2.2流体静力学•2.2.1液体静压力及其特性AFpA0lim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。•作用在液体上的力有质量力和表面力。•质量力：单位质量的液体受到的质量力称为单位质量力，在数值上等于加速度。•表面力：与液体相接触的其它物体作用在液体上的力，这是外力；也可以是一部分液体作用在另一部分液体上的力。第二章流体力学基础•有一垂直小液柱，如图所示：•2.2.1液体静压力基本方程第二章流体力学基础在平衡状态下:FG：液柱重力(g为重力加速度)上式即为液体静压力的基本方程，可知:•静止液体内任一点处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ρg与该点离液面深度h的乘积。•同一容器中同一液体内的静压力随液体深度h的增加而线性地增加。•连通器内同一液体中深度h相同的各点压力都相等。在重力作用下静止液体中的等压面是一个水平面。。AghApAp0AghFGghpp0第二章流体力学基础•压力表示法：•绝对压力：是以绝对真空为基准所表示的压力；•相对压力：是以大气压力为基准所表示的压力。绝对压力＝相对压力＋大气压力•大多数测压仪表都受大气压的作用，所以，仪表指示的压力（表压）都是相对压力。•液压系统中所测压力均为相对压力即表压第二章流体力学基础•压力的单位：帕斯卡paPaMPa61012/11mNPa•1mH2O(米水柱)=9.8×103pa1mmHg(毫米汞柱)=1.33×102Pa1bar(巴)=105Pa≈1.02kgf/cm2=0.1MPaPaat42108.91kgf/cm(1工程大气压）液体自重所产生的压力在液压传动系统中可以忽略不计，可以近似地认为在整个液体内部的压力是相等的。第二章流体力学基础•静压力对固体壁面的作用力•若承压面为一平面，作用力F为压力ｐ与该面面积A的乘积，其作用方向垂直指向该面；•若承压面为一曲面，因压力处处相等且垂直于承压面，故作用于曲面上各点的压力不平行，此时只需求出此曲面上作用力在某指定方向上的分力，其大小等于该曲面在指定方向上投影面积与流体压力的乘积。ApFxxApFyyApF第二章流体力学基础返回第二章流体力学基础气体的平衡规律与液体相同，静力学基本方程适用于气体。由于气体的密度很小，因此式中项很小，忽略不计。但是当高度差比较大（例如大于几百米）或气压较大（如在大于几十兆帕时）就不能忽略。0pghpgh•2.3气体状态方程•2.3.1理想气体状态方程•没有粘性的假想气体称为理想气体，其状态方程：p：气体绝对压力V：气体体积T：气体热力学温度ρ:气体密度g:重力加速度R:气体常数。常数TpVgRTp第二章流体力学基础热力学第一定律就是能量守恒定律在热力学中的表现形式。在气体的状态发生变化时，热能作为一种能量形式可以与其它形式的能量相互转化。热力学第一定律指出：在任一过程中，系统所吸收的热量，在数值上等于该过程中系统内能的增量与对外界作功的总和。•2.3.2热力学第一定律第二章流体力学基础1.等容状态过程某一质量的气体，在容积保持不变时，从某一状态变化到另一状态的过程，称为等容状态过程。理想气体等容过程遵循下述方程：p1、p2：起始状态和终止状态下气体绝对压力；T1、T2：起始状态和终止状态下气体热力学温度。常数2211TpTpTp•2.3.2气体状态变化过程第二章流体力学基础2.等压状态过程在气体的压力保持不变的情况下，气体的状态变化过程。理想气体等压过程遵循下述方程：V1、V2：分别为起始状态和终止状态下的单位质量体积。在等压过程中，气体的热力学能发生变化，气体温度升高，体积膨胀，对外作功常数2211TVTVTV第二章流体力学基础3.等温状态过程等温状态过程是指在气体的温度保持不变的情况下，气体的状态变化过程。理想气体等温过程遵循下述方程：在等温过程中，气体的热力学能不发生变化，加入气体的热量全部变作膨胀功。例如气缸中气体状态变化过程可视为等温过程。常数2211VpVppV第二章流体力学基础4.绝热状态过程•绝热状态过程是气体在状态变化时不与外界发生热交换，理想气体绝热过程遵循下述方程：•K:绝热指数，对空气K=1.4，对饱和蒸气K=1.3;•在绝热过程中气体靠消耗自身热能对外作功，其压力、温度和体积这三个参数均为变量。•空气压缩机气缸活塞压缩速度极快，气缸内被压缩的气体来不及与外界交换热量，因此可看作是绝热过程。常数kkkVpVppV2211第二章流体力学基础5.多变状态过程在没有任何制约条件下，一定质量气体所进行的状态变化过程称为多变过程。严格讲，气体状态变化过程大多属于多变过程，等容、等压、等温和绝热都是多变过程的特例。理想气体的多变状态过程遵循下述方程：n:多变指数，对于空气1n1.4。需要