液压传动第2章液压流体力学

第二章液压流体力学§2.1油液的主要物理性质石油型机械油汽轮机油液压油{难燃型水-乙二醇液磷酸酯液水包油油包水乳化液合成型{{{一、种类二、液压油主要物理性质1.密度ρ均质液体中单位体积所具有的质量:其中：m-液体的质量；V-液体的体积液体的密度随温度和压力的变化而变化，但影响很小，可以忽略。液压油计算时取ρ=900kg/m3Vm2.可压缩性在温度不变条件下，液压油的体积将随压力的增高而减小的性质。（1）体积压缩系数:即单位压力变化下的体积相对变化量01VVp体积变化初始体积压力变化油的可压缩性很小，可以忽略，认为液体是不可压缩的。（2）体积弹性模量K(体积压缩系数的倒数)V0一定，在同样Δp下，K越大,ΔV越小说明K越大，液体的抗压能力越强矿物油K=(1.4~2.0)×109N/m2钢K=2.06×1011N/m2油=100~150钢VpVK013.粘性(1)粘性的定义液体在外力作用下流动（或有流动趋势）时，分子间的内聚力要阻止分子相对运动而产生的一种内摩檫力，它使液体各层间的运动速度不等，这种现象叫做液体的粘性。静止液体不呈现粘性粘性示意图下板固定上板以u0运动A点：u=0B点：u=u0两板之间液流速度逐渐减小（2）牛顿内摩擦定律AB动画演示式中：Ff—液体流动时，相邻液体层间的内摩擦力μ—粘性系数，与液体的种类和温度有关A—液层接触面积du/dy—速度梯度dyduAFf——两液层的速度差——两液层间的距离静止液体du＝0不呈现粘性—牛顿内摩擦定律dyduAFf切应力:(3)粘度三种表示方法：2)运动粘度单位：Pa.S（帕秒）单位：m2/sdyduAFf1)动力粘度3)条件粘度1）动力粘度dyduAFf单位：帕斯卡.秒（Pa.s）泊（P）1P=1dyn.s.cm-21Pa.s=10P=103cP动力粘度物理意义：液体在单位速度梯度下流动时单位面积上产生的内摩擦力dydudyduAFf/2）运动粘度机械油的牌号：表示这种油在40℃时以mm2/s为单位的运动粘度的平均值。例如YA－N32中YA是普通液压油，N32表示40℃时油的平均运动粘度为32mm2/s。运动粘度单位：1m2/s=104St=106cSt(=106mm2/s)拖(cm2/s)厘拖(mm2/s)3)相对粘度(恩氏粘度)21ttEt式中：t1–油流出的时间t2－20OC蒸馏水流出时间1005020,,EEE恩氏粘度与运动粘度的换算关系610)31.631.7(ttEE通常以20、50、100OC作为标准测定温度，记为：200mlφ=2.8mm恩氏粘度计(4)粘度与压力的关系压力对粘度的影响不大，一般情况下，特别是压力较低时，可不考虑。(5)粘度与温度的关系影响：μ大，阻力大，能耗↑μ小，油变稀，泄漏↑限制油温：T↑↑，加冷却器T↓↓，加热器T↑μ↓p↑μ↑粘温图4.其他性质稳定性(热、氧化、水解、剪切）抗泡沫性防锈性相容性（金属、密封、涂料）通过添加剂控制三、对液压油的要求1.合适的粘度，粘温性好2.润滑性能好3.杂质少4.相容性好5.稳定性好6.抗泡性好、防锈性好7.凝点低,闪点、燃点高8.无公害、成本低四、液压油液的选择和使用1.液压油液的选择（1）优先考虑粘性ν=11.5~41.3cSt即20、30、40号机械油（2）按工作压力p高，选μ大；p低，选μ小（3）按环境温度T高，选μ大；T低，选μ小（4）按运动速度v高，选μ小；v低，选μ大（5）其他环境（污染、抗燃）经济（价格、使用寿命）特殊要求（精密机床、野外工作的工程机械）2.的使用液压油（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）确保密封五、液压介质的污染与控制1.液压系统中多数故障与液压介质受污染有关2.污染源：1、液压管道及液压元件的污物2、环境（空气中杂质）3、元件磨损和元件老化4、液压油本身污染作业1.20℃时。水的动力粘度μ＝1.008×10－3Pa.s，密度ρ＝1000kg/m3，求在该温度下水的运动粘度γ。2.已知图中小活塞的面积A1＝10cm2，大活塞的面积A2=100cm2，管道的截面积A3＝2cm2。试计算；(1)若使W＝10×104N的重物抬起，应在小活塞上施加的力F＝?(2)当小活塞以v1＝1m/min的速度向下移动时，求大活塞上升的速度v2，管道中液体的流速v3。作业§2.2流体的静力学静止液体：液体内质点间无相对运动、不呈现黏性的液体流体静力学是研究平衡流体（包括：流体对地球无相对运动和流体对运动容器无相对运动）的力学规律及其应用。由于平衡流体之间无相对运动，流体的粘性不起作用。所以，流体静力学中所得出的结论，对于理想流体和粘性流体都适用。理论不需要实验修正。一、静压力及其性质按作用方式，平衡流体上的作用力有：质量力：与流体质量大小有关并且集中在液体质点上的力称为质量力。表面力：与表面面积有关而且分布作用在流体表面上的力称为表面力。1.静压力的定义表面力是由与分离体相接触的其它物体的作用产生的针对流体的作用。表面力按其作用方向可分为两种：沿表面内法线方向的压力、沿表面切向的摩擦力。对于处于平衡状态的流体，切向摩擦力为零，只有沿受压面内法线方向的流体静压力。)(lim0PadAdFAFpA静压力（简称压力）：指液体处于相对静止时，单位面积上所受的法向作用力。如果法向力均匀地作用在面积上，压力表示为：2.流体静压力的特性：（1）静压力的方向总是沿着作用面的内法线方向。（2）静止液体内任意点所受到各个方向的静压力都相等由流体的特性知，流体在平衡状态时只要有切应力作用，流体就会变形，引起流体质点间的相对运动，破坏流体的平衡。流体还不能承受拉力。所以，流体在平衡状态下只能承受垂直并指向作用面的压力二、液体静力学基本方程重力场中连续、均质、不可压缩流体的静压强基本方程式：ghpzzgpp000)(流体静压强基本方程式表明：（1）静止液体内任一点处的压力为液面压力和液柱重力所产生的压力之和。（2）静止液体内的压力随着深度h呈直线规律分布。（3）深度相同处各点的压力都相等。等压面：压力相同点组成的面叫作等压面在重力作用下静止液体中的等压面是水平面。真空度:当压力比当地大气压低时，流体压力与当地大气压的差值称为真空度。三、压力的表示方法及单位以当地大气压为计算标准表示的压力。也称为计示压强、表压强相对压力：ghp绝对压力：ghppa以绝对真空为起点表示的压力。1.压力的表示方法p绝对真空p=0绝对压强当地大气压pa表压强真空度ppappa绝对压强=表压强+当地大气压表压强=绝对压力-当地大气压当ppa时：绝对压强=当地大气压-真空度真空度=当地大气压-绝对压力当ppa时：2、静压强的计量单位（1）压力单位：Pa（N/m2）、bar、MPa1bar=105Pa＝0.1MPa（2）液柱高单位：测压计常以水或水银作为工作介质，压力常以水柱高度（mH2O），或毫米汞柱（mmHg）表示。（3）大气压单位：以1标准大气压（1atm）为单位表示。1atm=1.013*105Pa=10.33mH2O=760mmHg≈1bar≈0.1MPa四、帕斯卡原理在密闭容器内，施加于静止液体上的压力将以相等的数值传递到液体各点，这就是静压传递原理，即帕斯卡原理。五、静压力对固体壁面的总作用力1.固体壁面为平面时：作用在平面上压力的方向互相平行，总作用力F等于静压力p与承压面积A的乘积。即：F＝pA2.固体壁面为曲面时积分后得：总作用力F为：当承压面积为曲面时，作用在曲面上的压力的方向均垂直于曲面。这时可将曲面分成若干微小面积dA，作用在微小面积上的力为：dF＝pdA将dF分解为x、y两个方向的力，即：dFx＝pdAsinθ＝pdAxdFy＝pdAcosθ＝pdAy结论：静压力作用在曲面上的力在某一方向上的分力等于压力与曲面在该方向投影面积的乘积。一、基本概念1.理想液体和实际液体理想液体：既无粘性，又无压缩性的假想液体。实际液体：既有粘性，又有压缩性的真实液体。2.定常流动和非定常流动定常流动：液体的运动参数只随位置变化，与时间无关。也称恒定流动。非定常流动：液体的运动参数不仅随位置变化，而且与时间有关。也称非恒定流动。3.一维流动一维流动：液体整个地作线形流动。§2.3流体动力学动画演示举例：动画演示动画演示4.流线、流束、过流截面流线：某一瞬时液流中标志其各处质点运动状态的曲线，在流线上各点的瞬时速度方向与该点的切线方向重合。流线的性质：稳定流动时，流线形状不随时间变化。流线不能相交，也不能转折。流线是连续光滑的曲线。通流截面：流束中与所有流线正交的截面。●流线彼此平行的流动称为平行流动；●流线间的夹角很小，或流线的曲率半径很大的流动称为缓变流动（相反情况便是急变流动）。●前两者的通流截面均认为是平面，急变流动的过流截面是曲面。流束：面积A上所有各点的流线的集合。●流束内外流线均不能穿越流束表面。●面积A无限小时的流束，称为微小流束。5.流量和平均流速流量：单位时间内通过流束过流截面的液体体积。平均流速：流量与通流截面之比。vAqAudAqAqAudAvA单位时间内流入控制体积的质量：单位时间内流出控制体积的质量：二、液体流动的连续性方程连续性方程是质量守恒规律在流体力学中的表现。设：不可压缩流体在非断面管中作定常流动。对于稳定流动，不可压缩液体，ρ为常数：过流断面1和2的面积分别为A1和A2，平均流速分别为V1和V2，11111AvQQm122222AvQQm2constAvAvQ2211在定常流动中，流过各截面的不可压缩液体的流量是相等的，而且液体的平均流速与管道的过流截面积成反比。constAvAvQ2211说明：流量连续性的动画演示在一维流动的情况下，根据牛顿第二定律，有：三、液体流动的伯努利方程1.理想液体一元定常流动的运动微分方程伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的表示tlfu,ldAdlagdAdldAdpppdAcos)(dldzcosdttudlludutuluudtdual0＝tu定常流动整理得理想液体一元定常流动的运动微分方程，也叫欧拉方程。01ududpgdz将欧拉方程两边同乘以ds，并从截面1积分到截面2两边同除以g，移项整理得2.理想液体的伯努利方程对于稳定流动，故上式变为理想液体微小流束的伯努利方程。Z:单位重量液体所具有的位能，称为比位能(位置水头)。P/g:单位重量液体所具有的压力能，称为比压能（压力水头）。u2/2g:单位重量液体所具有的动能，称为比动能（速度水头）。Z+P/g+u2/2g:单位重量液体所具有的总能量，称为总比能（总水头）。方程的物理（能量）意义：能量意义：管内作定常流动的理想液体，在任意截面上，液体的总比能保持不变，但比位能、比压能、比动能可以相互转换。---单位重量实际液体在微小流束中从截面1流到截面2，因粘性而损耗的能量。3.实际液体流速的伯努利方程若所选截面为缓变流截面，以平均流速v代替实际流速u，动能修正系数α＝实际动能/平均动能，即用平均能量损失代替实际能量损失，即令实际液体总流的伯努利方程方程的适用条件：定常流动，不可压缩液体；质量力只有重力；所取截面为缓变流截面；流量沿流程保持不变；层流时α＝2，紊流时α＝1；没有机械能加入。(1)选水平基准面管子轴心、已知数多、未知数少(2)选缓变流断面直管段、大容器自由表面、较小截面出口的管嘴、已知数多、未知数少(3)在缓变流断面上选点(4)按照液体流动方向列写伯努利方程方程两边压力基准要统一未知数多于方程个数时，应列其他辅助方程求解解题步骤：泵从油箱吸油，泵的输出流量Q＝25L/min，吸油管直径d＝30mm，设滤网及管道内总的压降为0.03MPa，油液的密度ρ＝88