液压流体力学基础.pptx

液压流体力学基础液压流体力学基础机电教研室本章主要内容 液压油的主要性质及选用液压油的主要性质及选用 流体静力学基础流体静力学基础 流体动力学基础流体动力学基础 管路中液流的压力损失管路中液流的压力损失 液压冲击及气穴现象液压冲击及气穴现象第一节第一节液压油的主要性质及选用液压油的主要性质及选用一、液压油的主要性质一、液压油的主要性质液压传动以液体作为工作介质来传递能量和运动。液压传动以液体作为工作介质来传递能量和运动。因此，了解液体的主要物理性质，掌握液体平衡因此，了解液体的主要物理性质，掌握液体平衡和运动的规律等主要力学特性，对于正确理解液和运动的规律等主要力学特性，对于正确理解液压传动原理、液压元件的工作原理，以及合理设压传动原理、液压元件的工作原理，以及合理设计、调整、使用和维护液压系统都是十分重要的。计、调整、使用和维护液压系统都是十分重要的。液体是液压传动的工作介质，同时它还液体是液压传动的工作介质，同时它还起到润起到润滑、冷却和防锈作用滑、冷却和防锈作用。液压系统能否可靠、有效。液压系统能否可靠、有效地进行工作，在很大程度上取决于系统中所用的地进行工作，在很大程度上取决于系统中所用的液压油液的物理性质。液压油液的物理性质。1、密度密度单位体积液体内所含有的质量，以单位体积液体内所含有的质量，以表示表示说明说明：密度是液压油的一个重要物理参数，随：密度是液压油的一个重要物理参数，随着液压油温度和压力的变化，其密度也会发生着液压油温度和压力的变化，其密度也会发生变化，但这种变化量通常很小，可以忽略不加，变化，但这种变化量通常很小，可以忽略不加，故实际应用中可认为液压油密度不受温度和压故实际应用中可认为液压油密度不受温度和压力变化的影响。力变化的影响。一般液压油的密度为一般液压油的密度为900kg/m32、液体的可压缩性液体的可压缩性（1）定义）定义 液体受压后体积缩小的性质液体受压后体积缩小的性质液体受压后体积缩小的性质液体受压后体积缩小的性质（2）表示方法）表示方法受压液体在变化单位压力时引起的液体体积的相对变化量受压液体在变化单位压力时引起的液体体积的相对变化量 压缩性系数压缩性系数压缩性系数压缩性系数 容积弹性模量容积弹性模量容积弹性模量容积弹性模量液体的压缩性系数的倒数液体的压缩性系数的倒数液压油液体积液压油液体积、压力增加、压力增加、体积增量、体积增量，定义体积，定义体积压缩系数为：压缩系数为：影响因素：影响因素：容易被压缩容易被压缩不易被压缩不易被压缩说明说明：压力增大时，：压力增大时，K值增大，但这种变化值增大，但这种变化不呈线性关系当不呈线性关系当p3MPa时，时，K值基本上值基本上不再增大。液压油液中如混有气泡时，不再增大。液压油液中如混有气泡时，K值值将大大减小。将大大减小。3、液体的黏性液体的黏性1）黏性的意义）黏性的意义 定定义义：液液体体在在外外力力作作用用下下流流动动时时，液液体体分分子子间间的的内内聚聚力力阻阻碍碍其其分分子子间间的的相相对对运运动动而而产产生生一一种种内内摩摩擦擦力力的的现象称为液体的黏性。现象称为液体的黏性。式式中中：是是衡衡量量液液体体黏黏性性的的比比例系数，称为绝对黏度。例系数，称为绝对黏度。实实验验表表明明，液液体体流流动动时时相相邻邻液液层层间间的的内内摩摩擦擦力力Ff与与液液层层接接触触面面积积A和和液液层层间间的的速速度度梯梯度度du/dy成正比，即：成正比，即：剪切应力剪切应力：牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律提问：液体静止时，力提问：液体静止时，力和黏度是多少？和黏度是多少？2）液体的黏度）液体的黏度 液液体体黏黏性性的的大大小小用用黏黏度度来来表表示示。常常用用的的黏黏度度有有三三种种，即：即：动力黏度动力黏度、运动黏度运动黏度和和相对黏度相对黏度。（1 1）动力黏度（绝对黏度）动力黏度（绝对黏度）动力黏度（绝对黏度）动力黏度（绝对黏度）（缪）（缪）（缪）（缪）物物理理意意义义：液液体体在在单单位位速速度度梯梯度度下下流流动动时时，接接触触液液体体层层间单位面积上的内摩擦力。间单位面积上的内摩擦力。单位单位：(Pas)（帕（帕秒），或者秒），或者N.s/m2。（2 2）运动黏度）运动黏度）运动黏度）运动黏度（纽）（纽）（纽）（纽）定定义义：液液体体的的动动力力黏黏度度与与其其密密度度 的的比比值值被被称称为为液液体体的的运动黏度。运动黏度。单位：单位：m2/s，（米，（米2/秒）或秒）或 mm2/s。1 m2/s=106 mm2/s 液液体体的的运运动动黏黏度度没没有有明明确确的的物物理理意意义义，但但它它在在工工程程实际中经常用到。实际中经常用到。我我国国液液压压油油的的牌牌号号就就是是用用它它在在温温度度为为40时时的的运运动动黏黏度度平平均均值值来来表表示示的的。例例如如N32号号液液压压油油，就就是是指指这这种种油油在在40时的运动黏度平均值为时的运动黏度平均值为32 mm2/s。1.L-HL22是什么意思？是什么意思？2.两种流体的黏度比较用哪一两种流体的黏度比较用哪一种黏度？种黏度？（3 3）相对黏度（条件黏度）相对黏度（条件黏度）相对黏度（条件黏度）相对黏度（条件黏度）动动力力黏黏度度和和运运动动黏黏度度难难以以直直接接测测量量，因因此此在在工工程程上常常使用相对黏度。上常常使用相对黏度。相相对对黏黏度度又又称称为为条条件件黏黏度度，它它是是采采用用特特定定的的黏黏度度计计在规定的条件下测量出来的黏度。在规定的条件下测量出来的黏度。我国采用的相对黏度为恩氏黏度我国采用的相对黏度为恩氏黏度 E。恩氏黏度由恩氏黏度计测出。恩氏黏度由恩氏黏度计测出。用木塞堵住锥形用木塞堵住锥形短管短管将将220cm220cm2 2的被测液的被测液体注入贮液罐体注入贮液罐将水箱中的水加热将水箱中的水加热(一般，水等液体要求一般，水等液体要求保持在保持在2020，润滑油，润滑油5050，燃料油，燃料油80)80)迅速拔起塞杆，使迅速拔起塞杆，使被测液体从锥形短被测液体从锥形短管流入长颈瓶管流入长颈瓶再用同样的步骤记下再用同样的步骤记下200cm200cm2 2蒸馏水在同样温度下流经锥形蒸馏水在同样温度下流经锥形短管所需的时间短管所需的时间t t0 0 (约约5151秒秒)求得了恩求得了恩氏氏粘度粘度oEt后，可由下面的半经验公式求后，可由下面的半经验公式求出被测液体的运动粘度：出被测液体的运动粘度：被测液体在规定温度下的恩氏粘度为：被测液体在规定温度下的恩氏粘度为：l液压油对温度的变化很敏感，当温度升高时，黏度显著降低，这一特性液压油对温度的变化很敏感，当温度升高时，黏度显著降低，这一特性称为液体的黏称为液体的黏温特性。黏温特性。黏温特性常用黏温特性常用黏温特性曲线和粘度指数温特性曲线和粘度指数来表示来表示.3）黏温特性黏温特性工作介质的黏度变化直接影响液压系统的工作性能，工作介质的黏度变化直接影响液压系统的工作性能，因此黏度随温度的变化越小越好。因此黏度随温度的变化越小越好。黏度指数高，黏度指数高，黏度随温度黏度随温度变化小黏温变化小黏温特性好特性好 4.抗燃性抗燃性闪闪点点指指在在此此温温度度下下，液液体体能能产产生生足足够够的的蒸蒸汽汽，在在特特定定条条件件下下以以一一个个微微小小的的火火焰焰接接近近它它们们时时，在在油油液液表表面面上上的任何一点都会出现火焰闪光的现象。的任何一点都会出现火焰闪光的现象。着着火火点点油油液液所所达达到到的的某某一一温温度度，在在该该温温度度下下油油液液能能连续燃烧连续燃烧5S。自燃着火点自燃着火点油液在该温度下会自动着火。油液在该温度下会自动着火。5.油液的机械稳定性油液的机械稳定性 指指液液体体在在长长时时间间的的高高压压作作用用（主主要要是是挤挤压压作作用用）下下，保持其原有的物理性质的能力。保持其原有的物理性质的能力。液压油应具有良好的机械稳定性。液压油应具有良好的机械稳定性。6.油液的化学安定性油液的化学安定性 指液体抗氧化的能力。指液体抗氧化的能力。液压油应具有良好的化学稳定性，并且不含杂质。液压油应具有良好的化学稳定性，并且不含杂质。二、液压油的分类二、液压油的分类三、液压油的选择三、液压油的选择1、液压油的使用要求、液压油的使用要求 粘温特性好粘温特性好 有良好的润滑性有良好的润滑性 成分要纯净成分要纯净 对热、氧化水解都有良好的化学稳定性，使用寿命长对热、氧化水解都有良好的化学稳定性，使用寿命长 比热和传热系数大，体积膨胀系数小，闪点和燃点高，流比热和传热系数大，体积膨胀系数小，闪点和燃点高，流 动点和凝固点低。动点和凝固点低。（凝点（凝点油液完全失去其流动性的最高温度）油液完全失去其流动性的最高温度）抗泡沫性和抗乳化性好，防锈性好抗泡沫性和抗乳化性好，防锈性好 材料相容性好，腐蚀性小材料相容性好，腐蚀性小 对人体无害，对环境污染小，价格便宜无毒对人体无害，对环境污染小，价格便宜无毒 2、选用、选用1.1.工作机械的特点（伺服系统、精密机械选低粘度）工作机械的特点（伺服系统、精密机械选低粘度）2.2.液压泵的类型（低压系统可以选用液压泵的类型（低压系统可以选用HLHL油，中高压系统油，中高压系统用用HMHM油）油）3.3.系统工作压力（系统工作压力（5Mpa-40Mpa,5Mpa-40Mpa,控制泄漏）控制泄漏）4.4.环境温度（温度高，选高粘度）环境温度（温度高，选高粘度）5.5.运动速度（速度高，选低粘度）运动速度（速度高，选低粘度）6.6.选择液压油品种（机械油、普通液压油、低温液压油、选择液压油品种（机械油、普通液压油、低温液压油、抗燃液压油、抗磨液压油）抗燃液压油、抗磨液压油）v 液压工作介质的污染液压工作介质的污染 液液压压工工作作介介质质被被污污染染指指的的是是介介质质中中混混入入了了微微小小固固体体颗颗粒粒及胶状生成物、空气、氯和水分等杂质的情况。及胶状生成物、空气、氯和水分等杂质的情况。v 油液污染的原因及其控制措施油液污染的原因及其控制措施 原因：原因：残留物的污染残留物的污染 周围环境中污染物的侵入周围环境中污染物的侵入 生成物污染生成物污染 控制：控制：减少外来的污染减少外来的污染 滤除系统产生的杂质滤除系统产生的杂质 定期检查更换液压油液定期检查更换液压油液练习题练习题1.我国油液牌号与我国油液牌号与40时的平均粘度有关系，时的平均粘度有关系，如油的密度如油的密度900kgm3，试回答以下几个，试回答以下几个问题：问题：1)30号机油的平均运动粘度为号机油的平均运动粘度为()m2s；2）30号机油的平均动力粘度为号机油的平均动力粘度为()Pas；)在液体静止时，在液体静止时，40号机油与号机油与30号机油所呈号机油所呈现的粘性哪个大？现的粘性哪个大？练习题练习题2.20时水的运动黏度为时水的运动黏度为l10-6m2s，密度，密度1000kgm3；20时空气的运动黏度为时空气的运动黏度为1510-6m2s，密度，密度1.2kgm3；试比较；试比较水和空气的黏度水和空气的黏度()(A)水的黏性比空气大；水的黏性比空气大；(B)空气的黏性比水大。空气的黏性比水大。3.黏度指数高的油，表示该油黏度指数高的油，表示该油()(A)黏度较大；黏度较大；(B)黏度因压力变化而改变较大；黏度因压力变化而改变较大；(C)黏度因温度变化而改变较小；黏度因温度变化而改变较小；(D)黏度因温度变化而改变较大。黏度因温度变化而改变较大。4.现现有有一一桶桶机机械械用用油油，但但不不知知油油的的牌牌号号。若若从从桶桶中中取取出出200mL，并并在在40时时，令令其其从从恩恩氏氏黏黏度度计计的的小小孔孔中中流流出出，测测出出其其所所用用的的时时间间为为230s.计计算算该该油油动动力力粘粘度度和和运运动动黏黏度度的的数数值值，并判断油的牌号。并判断油的牌号。练习题：练习题：第二节第二节流体静力学基础流体静力学基础 流体静力学的流体静力学的任务任务是研究液体处于相对平衡状态是研究液体处于相对平衡状态下的力学规律，以及这些规律的实际应用。下的力学规律，以及这些规律的实际应用。所谓所谓相对平衡相对平衡是指流体质点之间无相对运动。是指流体质点之间无相对运动。流体静力学在工程实践中有着广泛的用途，许多流体静力学在工程实践中有着广泛的用途，许多机器和仪器就是根据流体静力学原理制造出来的。机器和仪器就是根据流体静力学原理制造出来的。注意：注意：对于处于静止平衡状态的流体，黏性将对于处于静止平衡状态的流体，黏性将不起作用。所以流体静力学理论无论对理想流体还不起作用。所以流体静力学理论无论对理想流体还是对实际流体都是适用的。是对实际流体都是适用的。一、液体的压力及其性质一、液体的压力及其性质1 1、质量力、质量力与流体质量成正比且作用在流体质量中心上的力称为质与流体质量成正比且作用在流体质量中心上的力称为质量力。量力。举例：举例：重力、惯性力重力、惯性力单位质量流体所受的质量力称为单位质量力。单位质量流体所受的质量力称为单位质量力。2 2、表面力、表面力 走路、游泳走路、游泳 作用在所研究流体体积表面上的力就称为表面力作用在所研究流体体积表面上的力就称为表面力。是由与流。是由与流体相接触的其他物体（可以是流体，也可以是固体）的作用而体相接触的其他物体（可以是流体，也可以是固体）的作用而产生的。产生的。单位面积上作用的表面力称为应力。单位面积上作用的表面力称为应力。法向应力：法向应力：与流体表面垂直与流体表面垂直切向应力：切向应力：与流体表面相切与流体表面相切法线两层流体作用力P面积f单位面积法向力p单位面积切向力面积面积面积面积压力压力压力压力作用力作用力作用力作用力 单位：单位：单位：单位：PaPa或或或或MPaMPa或或 作用力作用力作用力作用力=压力压力压力压力 xx面积面积面积面积静压力及其性质静压力及其性质静止液体单位面积上所受的法向力称为静压力静止液体单位面积上所受的法向力称为静压力，液体静压力液体静压力有两个基本特性有两个基本特性(1)(1)液体静压力沿法线方向，垂直于承压面。液体静压力沿法线方向，垂直于承压面。(2)(2)静止液体内，任一点的压力，在各个方向上都相等。静止液体内，任一点的压力，在各个方向上都相等。由上述性质可知：静止液体总是处于受压状态，并且其内部由上述性质可知：静止液体总是处于受压状态，并且其内部的任何质点都是受平衡压力作用的。的任何质点都是受平衡压力作用的。如图所示：容器中静止液如图所示：容器中静止液体所受的力有：液体重力体所受的力有：液体重力（F FG G）、液面上压力（）、液面上压力（p p0 0）及容器壁面作用在液体上及容器壁面作用在液体上的反压力。的反压力。该液体中任意一点的静压力可从液体中取微元体进行研究，该液体中任意一点的静压力可从液体中取微元体进行研究，微元体在垂直方向上的力的平衡方程为：微元体在垂直方向上的力的平衡方程为：静压力的基本方程静压力的基本方程1.静静压压力力基基本本方方程程二、液体静力学基本方程及其物理意义二、液体静力学基本方程及其物理意义2.结结论论液体内任意一点的压力由两部分组成液体内任意一点的压力由两部分组成表面压力：表面压力：p0质量压力：质量压力：gh静止液体中压力随液体深度呈线性分布；静止液体中压力随液体深度呈线性分布；压力相等的所有点组成的面积称为等压面。在重力作压力相等的所有点组成的面积称为等压面。在重力作用下，对均质连续介质，等压面是一个水平面；用下，对均质连续介质，等压面是一个水平面；连通器中，同一水平线上的连通器中，同一水平线上的压力值相等；不互溶液体的压力值相等；不互溶液体的分界面的压力相等，即：分界面的压力相等，即：三、压力的传递三、压力的传递帕斯卡原理帕斯卡原理帕斯卡原理帕斯卡原理：若处于密封容器中静止液体的部分若处于密封容器中静止液体的部分边界面上施加外力使其压力发生变化，只要液体仍边界面上施加外力使其压力发生变化，只要液体仍保持其原来的静止状态不变，则液体中任一点的压保持其原来的静止状态不变，则液体中任一点的压力均将发生同样大小的变化力均将发生同样大小的变化。两缸互相连通，构成一个两缸互相连通，构成一个密闭容器，则按帕斯卡原密闭容器，则按帕斯卡原理，缸内压力到处相等，理，缸内压力到处相等，p1=p2，于是，于是如果垂直液缸活塞上没负如果垂直液缸活塞上没负载，则在略去活塞重量及载，则在略去活塞重量及其它阻力时，不论怎样推其它阻力时，不论怎样推动水平液压缸活塞，不能动水平液压缸活塞，不能在液体中形成压力。在液体中形成压力。四、绝对压力、相对压力和真空度四、绝对压力、相对压力和真空度 以当地大气压力为基准所表示的压力，称为以当地大气压力为基准所表示的压力，称为相对压力相对压力。相对压。相对压力也称表压力。力也称表压力。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，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，称为称为绝对压力绝对压力。相对压力为负数时，工程上称为相对压力为负数时，工程上称为真空度真空度。真空度的大小以此负。真空度的大小以此负数的绝对值表示。数的绝对值表示。显然显然 绝对压力大气压力相对压力（表压力）绝对压力大气压力相对压力（表压力）相对压力（表压力）绝对压力大气压力相对压力（表压力）绝对压力大气压力 真空度大气压力绝对压力真空度大气压力绝对压力压压力力单单位位法定计量单位法定计量单位标准大气压标准大气压0.101325MPa工程大气压工程大气压0.0981MPa讨论题：讨论题：如图是两个水平放置的液压缸，若如图是两个水平放置的液压缸，若mm,mm,mm,mm,N N试分析以下几种情况可否出现？活塞怎样运动？为什么试分析以下几种情况可否出现？活塞怎样运动？为什么？并计算相应情况下密封容积中液体的压力。？并计算相应情况下密封容积中液体的压力。1当活塞当活塞1上作用力上作用力F逐渐加到逐渐加到314N时；时；2当当F为为157N时；时；3当当F逐渐加到逐渐加到628N时；时；五、液体作用在固体壁面上的力五、液体作用在固体壁面上的力当承受压力的表面为平面时，当承受压力的表面为平面时，当承受压力的表面为曲面时，曲面上液当承受压力的表面为曲面时，曲面上液压作用力在某一方向上的分力等于静压压作用力在某一方向上的分力等于静压力和曲面在该方向的垂直面内投影面积力和曲面在该方向的垂直面内投影面积的乘积。的乘积。例例1 1 如图中，液压缸直径如图中，液压缸直径D D=150 mm=150 mm，柱塞直径柱塞直径d d=100 mm=100 mm，负载，负载F F=510=5104 4N N。若不计液压油自重及活塞或缸体重量，。若不计液压油自重及活塞或缸体重量，试求图示两种情况下液压缸内的液体压试求图示两种情况下液压缸内的液体压力是多少力是多少？例例2 2 如图所示的连通器内装两种液体，如图所示的连通器内装两种液体，其中已知水的密度其中已知水的密度 1000kg/m 1000kg/m，h h=60 cm60 cm，h h=75 cm=75 cm，试求另一种液体的密，试求另一种液体的密度度 是多少？是多少？例例3 3 如题如题3.73.7图中所示的压力阀，当图中所示的压力阀，当p p1 1 =6 MPa=6 MPa时，液压阀动作。若时，液压阀动作。若d1d1=10 mm=10 mm，d d 2 2=15 mm=15 mm，p p2 2=0.5 MPa=0.5 MPa，试求：，试求：（1 1）弹簧的预压力）弹簧的预压力F Fs s；（；（2 2）当弹簧刚）当弹簧刚度度k k=10N/mm=10N/mm时的弹簧预压缩量时的弹簧预压缩量x x0 0。例例4 4 如图所示，如图所示，U U型管测压机内装有汞，型管测压机内装有汞，其左端与装有油液的容器相连，右端开其左端与装有油液的容器相连，右端开口与大气相通，已知：口与大气相通，已知：h1=0.1m,h2=0.2m,h1=0.1m,h2=0.2m,汞的密度为汞的密度为油液的密度为油液的密度为。试计算。试计算A点的绝对压力和真空度。点的绝对压力和真空度。MMMM例例5 5 如图所示，如图所示如图所示，如图所示U形管测压计，已知汞形管测压计，已知汞的密度是的密度是，油的密度是，油的密度是。若若U形管内为汞，不计油液的自重，当管内相对压力形管内为汞，不计油液的自重，当管内相对压力为一个标准大气压（为一个标准大气压（0.101325MPa)时，汞柱的高度时，汞柱的高度hg为多少？若为多少？若U形管内为油，当管内的压力为一个工形管内为油，当管内的压力为一个工程大气压（程大气压（0.0981MPa)时，油柱的高度时，油柱的高度hy为多少？为多少？例例6 6 如图所示，密闭容器中充满密度如图所示，密闭容器中充满密度为为的液体，柱塞直径为的液体，柱塞直径为d、重量为、重量为FG，在力在力F作用下处于平衡状态。柱塞浸入作用下处于平衡状态。柱塞浸入液体深度液体深度h，试确定液体在测压管内上，试确定液体在测压管内上升的高度升的高度x。第三节第三节流体动力学基础流体动力学基础一、基本概念一、基本概念l理想液体理想液体:既不可压缩又无黏性的液体既不可压缩又无黏性的液体l实际液体实际液体:既可压缩又有黏性的液体既可压缩又有黏性的液体l恒定流动恒定流动：液体中任何一点的压力、速度和密度都：液体中任何一点的压力、速度和密度都不随时间而变化不随时间而变化l非恒定流动非恒定流动:如果液体流动时在压力、速度和密度如果液体流动时在压力、速度和密度中有一个量随时间变化。中有一个量随时间变化。非恒定流动非恒定流动恒定流动恒定流动l迹线迹线：液体质点在空间的运动轨迹：液体质点在空间的运动轨迹l流线流线：某一瞬时，在流动液体流场内作的一条空：某一瞬时，在流动液体流场内作的一条空间曲线，曲线的切线方向代表了质点在该点的速间曲线，曲线的切线方向代表了质点在该点的速度方向。度方向。l流管和流束流管和流束：在流场中作一封闭曲线，通过这样：在流场中作一封闭曲线，通过这样的封闭曲线上各点的流线所构成的管状表面称为的封闭曲线上各点的流线所构成的管状表面称为流管，流管内的流线群称为流束。流管，流管内的流线群称为流束。l过流断面过流断面:在流场中作一面。若该面与通过面上在流场中作一面。若该面与通过面上的每一条流线都垂直，则称该面为通流截面的每一条流线都垂直，则称该面为通流截面 l流量流量:单位时间内流过某通流截面的流体体积单位时间内流过某通流截面的流体体积 法定单位法定单位:米米3 3/秒秒(m(m3 3/s)/s)工程中常用升工程中常用升/分（分（L/minL/min）l通流截面上的平均流速通流截面上的平均流速:平均流速平均流速通流截面上各点均匀分布假想流速通流截面上各点均匀分布假想流速 v v=q q/A A q q=0 =0 v v=0=0 q q v v q q v v 结论：液压缸的运动速度取决于进入液压结论：液压缸的运动速度取决于进入液压缸的流量，并且随着流量的变化而变化。缸的流量，并且随着流量的变化而变化。q q A A v v流管l在稳定流动的流体中任选截面在稳定流动的流体中任选截面s，并且通过它的，并且通过它的周边各点作流线，由这些流线所组成的管状体就周边各点作流线，由这些流线所组成的管状体就叫做流管。叫做流管。1.层流：层流：流体分层流动，相邻两层流体间只作相对滑流体分层流动，相邻两层流体间只作相对滑动，流层间没有横向混杂。动，流层间没有横向混杂。2.紊流紊流：当流体流速超过某一数值时，流体不再保当流体流速超过某一数值时，流体不再保持分层流动，而可能向各个方向运动，有持分层流动，而可能向各个方向运动，有垂直于管轴方向的分速度，各流层将混淆垂直于管轴方向的分速度，各流层将混淆起来，并有可能出现涡旋，这种流动状态起来，并有可能出现涡旋，这种流动状态叫叫紊紊流。流。$流体作流体作紊紊流时所消耗的能量比层流多，液体流动流时所消耗的能量比层流多，液体流动时究竟是层流还是时究竟是层流还是紊紊流须用雷诺数来判别。流须用雷诺数来判别。液体的流动状态液体的流动状态雷诺试验雷诺试验（1 1）雷诺试验装置）雷诺试验装置（2 2）实验观察到的现象）实验观察到的现象 A A 试验时微微打开阀门，管内水的流试验时微微打开阀门，管内水的流速较小，色水成一鲜明的细流，非常平速较小，色水成一鲜明的细流，非常平稳，并与管的中心线平行（图稳，并与管的中心线平行（图a a）称为）称为层流。层流。B B 逐渐打开阀门到一定程度，色水细逐渐打开阀门到一定程度，色水细流出现波动（图流出现波动（图b b）称为过渡流。）称为过渡流。C C 继续打开阀门，色水细流波动剧烈，继续打开阀门，色水细流波动剧烈，开始出现断裂，最后形成与周围清水混开始出现断裂，最后形成与周围清水混杂、穿插的紊乱流动（图杂、穿插的紊乱流动（图c c）。）。(a)(b)(c)雷诺数雷诺数 雷诺数雷诺数ReRe：雷诺根据大量试验归纳出的一个用于判别流态的：雷诺根据大量试验归纳出的一个用于判别流态的无因次的综合量。无因次的综合量。Re Re较大，液体的惯性力起主导作用，液体处于紊流状态较大，液体的惯性力起主导作用，液体处于紊流状态 ReRe较小，黏性力起主导作用，液体处于层流状态较小，黏性力起主导作用，液体处于层流状态 雷诺数的物理意义：雷诺数的物理意义：ReRReRReR临临（或（或23002300）为紊流）为紊流 二、液流连续性方程二、液流连续性方程 在一般工作状态下在一般工作状态下(定常流动定常流动)，液体基本上是不可压缩的；液体又是连续，液体基本上是不可压缩的；液体又是连续的，不可能有间隙存在，根据物质不变定律，液体在管内既不可能增多，也不可的，不可能有间隙存在，根据物质不变定律，液体在管内既不可能增多，也不可能减少，所以它在单位时间内流过管道每一截面的液体质量一定是相等的。能减少，所以它在单位时间内流过管道每一截面的液体质量一定是相等的。连续性方程式从流动液体连续性方程式从流动液体质量守恒定律质量守恒定律中演化而来。中演化而来。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 A1A1，A2A2。如图所示。如图所示若若则则可压缩性流体恒定流动时的连续方程可压缩性流体恒定流动时的连续方程（质量流量），适用于气体、液体。（质量流量），适用于气体、液体。不可压缩性流体恒定流动不可压缩性流体恒定流动时的连续方程（体积流量）时的连续方程（体积流量）适用于液体。适用于液体。由于两流通截面是任意选取的，故有由于两流通截面是任意选取的，故有 q=VA=q=VA=常数常数 这就是液流的流量连续性方程，它说明在这就是液流的流量连续性方程，它说明在恒定流恒定流动动中，通过流管各截面的中，通过流管各截面的不可压缩液体不可压缩液体的流量是的流量是相等的。相等的。三、伯努利方程三、伯努利方程 伯努利方程是流体动力学的基本定律，它说明伯努利方程是流体动力学的基本定律，它说明了理想流体在管道中作稳定流动时，流体中某点的了理想流体在管道中作稳定流动时，流体中某点的压力压力p、流速、流速v和高度和高度h三个量之间的关系三个量之间的关系.下面用功能原理导出伯努利方程。下面用功能原理导出伯努利方程。如图所示，我们研如图所示，我们研究管道中一段流体的运究管道中一段流体的运动。设在某一时刻，这动。设在某一时刻，这段流体在段流体在a1a2位置，经位置，经过极短时间过极短时间 t后，这段后，这段流体达到流体达到b1b2位置位置v1v2p2 S2p2 S2h1h2a1b1a2b2 因为时间因为时间 t极短，所极短，所以以a1b1 1和和a2b2 2是两段极短的是两段极短的位移，在每段极短的位移位移，在每段极短的位移中，压中，压力力p p、截面积、截面积A A和流和流速速v v都可看作不变。设都可看作不变。设p1 1、A1 1、v1 1和和p2 2、A2 2、v2 2分别是分别是a1 1b1 1与与a2 2b2 2处流体的压处流体的压力力、截面积和流速截面积和流速v1v2p2 S2p2 S2h1h2a1b1a2b2动能：动能：势能：势能：压力能：压力能：v1v2p2 S2p2 S2z1z2a1b1a2b2根据能量守恒定律根据能量守恒定律动能动能势能势能压力能压力能若等式两边同除以若等式两边同除以m和和g，得，得理想液体的伯努利方程理想液体的伯努利方程伯努利方程的伯努利方程的物理意义物理意义为：在密封管道内作定为：在密封管道内作定常流动的理想液体在任意一个通流断面上具有常流动的理想液体在任意一个通流断面上具有三种形成的能量，即压力能、势能和动能。三三种形成的能量，即压力能、势能和动能。三种能量的总和是一个恒定的常量，而且三种能种能量的总和是一个恒定的常量，而且三种能量之间是可以相互转换的，即在不同的通流断量之间是可以相互转换的，即在不同的通流断面上，同一种能量的值会是不同的，但各断面面上，同一种能量的值会是不同的，但各断面上的总能量值都是相同的。上的总能量值都是相同的。叫做压力头、速度头、水头。叫做压力头、速度头、水头。例例1 1 如图所示，水箱液面保持恒定，如图所示，水箱液面保持恒定，虹虹吸管吸管的直径的直径d1=150mm，喷嘴出口直径，喷嘴出口直径d2=50mm，不，不计损失，试求虹吸管的输水流量及计损失，试求虹吸管的输水流量及A A点的真空度。点的真空度。A A2 2mm4 4mm0 00 01 11 1 例例2 2 如图所示，一直径如图所示，一直径D=30m的储油罐的储油罐，其近底部，其近底部的出油管直径的出油管直径d=20mm，出油管中心与储油罐液面相距，出油管中心与储油罐液面相距H=20m，设油液密度为，设油液密度为 ，假设出油过，假设出油过程中油罐液面高度不变，出油管处压力表读数为程中油罐液面高度不变，出油管处压力表读数为0.045MPa0.045MPa，不计损失，试求装满体积为，不计损失，试求装满体积为10000L10000L的油车需的油车需要的时间。要的时间。1 11 1HHD Dd d2 22 2实际液体的伯努利方程实际液体的伯努利方程实际液体在管道内流动时，由于液体存在黏性，实际液体在管道内流动时，由于液体存在黏性，会产生黏性力消耗能量会产生黏性力消耗能量,设为设为 h hw w由于实际液体在管道通流截面上的流速分布是不均匀的，在用由于实际液体在管道通流截面上的流速分布是不均匀的，在用平均流速代替实际流速计算动能时，必产生误差。为修正这个平均流速代替实际流速计算动能时，必产生误差。为修正这个误差，引入动能修正系数误差，引入动能修正系数.实际液体的伯努利方程为：实际液体的伯努利方程为：式中，式中，1 1，2 2 的值，当紊流时取的值，当紊流时取=1=1，层流时层流时=2=2。应用伯努利方程必须应用伯努利方程必须注意注意：1 1）断面）断面1 1、2 2需顺流向选取（否则需顺流向选取（否则hw hw 为负值）为负值）且应选在缓变的通流截面上，不考虑两截面且应选在缓变的通流截面上，不考虑两截面之间的流动状态。之间的流动状态。2 2）断面中心在基准面以上时，）断面中心在基准面以上时，h h取正值，反之取正值，反之取负。通常选取特殊位置的水平面作为基准取负。通常选取特殊位置的水平面作为基准面。面。解题方法：解题方法：1 在流管的适当位置选取截面；并按液流流动的在流管的适当位置选取截面；并按液流流动的方向进行编号截面方向进行编号截面1、截面、截面22 假定各个截面的假定各个截面的p、v、h分别为分别为p1、v1、h1，p2、v2、h2.3 列出伯努利方程：列出伯努利方程：4 带入参数结合连续方程进行求解带入参数结合连续方程进行求解例例3液压泵装置如图所示，吸油管直径液压泵装置如图所示，吸油管直径d=60mm,流流量量q=150L/min,泵吸油口允许的最低压力泵吸油口允许的最低压力0.036MPa,油液的运动粘度油液的运动粘度，密度，密度管内压力损失为管内压力损失为0.046MPa,试求吸油高度？试求吸油高度？第四节第四节管路中液流的压力损失管路中液流的压力损失 液体在管道中流液体在管道中流动时克服由粘性而克服由粘性而产生的摩生的摩擦阻力及液体擦阻力及液体质点碰撞所消耗的能量，称点碰撞所消耗的能量，称为能能量量损失。失。这种能量种能量损失表失表现为压力力损失。失。压力力损失失产生的内因是液体的粘性，外因是生的内因是液体的粘性，外因是管道形状管道形状和液体的和液体的流流态。压力力损失分失分为沿程沿程压力力损失失和和局部局部压力力损失失两两类。液体的流液体的流态层流、紊流、紊流流 层流：液体流流：液体流动时没有没有横向脉横向脉动，不引起液体，不引起液体质点混点混杂，而是，而是层次分次分明、能明、能够维持安定的流持安定的流动状状态。紊流：如果液体紊流：如果液体质点流点流动时质点具有脉点具有脉动速度，速度，引起流引起流层间质点的相互点的相互错杂交交换，这种流种流动状状态称称为紊流。紊流。流态的判据流态的判据雷诺数雷诺数 雷诺数：液体的流动状态与液流速度雷诺数：液体的流动状态与液流速度v v、管径、管径d d和液体和液体的运动粘度的运动粘度有关。以上三个参数组成的一个无量纲数有关。以上三个参数组成的一个无量纲数就称为雷诺数。就称为雷诺数。流态的判断流态的判断 Re ReReRe临临 时，层流时，层流 Re ReReRe临临 时，紊流时，紊流光滑金属管的光滑金属管的临界雷偌数临界雷偌数Re临临=2300u 层流时的沿程压力损失层流时的沿程压力损失液体在等截面只管种流动时因黏性摩擦二产生的压力液体在等截面只管种流动时因黏性摩擦二产生的压力损失称为损失称为沿程压力损失沿程压力损失。一、管道流动的沿程压力损失一、管道流动的沿程压力损失沿程阻力系数，沿程阻力系数，实际计算时。对实际计算时。对于于金属管取金属管取油管长度油管长度与油管内与油管内径之比径之比密度密度平均平均流速流速u 紊流时的沿程压力损失紊流时的沿程压力损失紊流时，计算沿程压力损失的公式在形式上与层流时紊流时，计算沿程压力损失的公式在形式上与层流时的计算公式相同，但阻力系数不仅与雷偌数油管还与的计算公式相同，但阻力系数不仅与雷偌数油管还与管壁的粗糙度油管。管壁的粗糙度油管。实际使用时，对于光滑管实际使用时，对于光滑管 二、局部二、局部压力力损失失 液体流液体流经管道的弯管道的弯头、接、接头、突、突变截面以及截面以及阀口、口、滤网网等局部装置等局部装置时，液流会，液流会产生旋生旋涡，并，并发生生强烈的紊烈的紊动现象，象，由此而造成的由此而造成的压力力损失称失称为局部局部压力力损失。失。计算公式计算公式局部阻力系数局部阻力系数三、管路系三、管路系统总的的压力力损失及失及压力效率力效率 总压力力损失：整个管路系失：整个管路系统的的总压力力损失是系失是系统中所有中所有直管的沿程直管的沿程压力力损失和所有局部失和所有局部压力力损失之和失之和1 11 12 22 2例例1如图所示，液压泵的流量如图所示，液压泵的流量q=25L/min，吸油管直径吸油管直径d=25mm，泵口比油箱液面高，泵口比油箱液面高出出400mm。如果只考虑吸油管中的沿程压。如果只考虑吸油管中的沿程压力损失力损失，当用，当用32号液压油，并且油温为号液压油，并且油温为40时，液压油的密度时，液压油的密度=900kg/m。试求油泵。试求油泵吸油口处的真空度是多少？吸油口处的真空度是多少？1 11 12 22 2例例2如图所示，液压泵从一个大容积的油池中抽吸如图所示，液压泵从一个大容积的油池中抽吸润滑油，流量为润滑油，流量为q=1.2L/s，油液的粘度，油液的粘度E=40，密度密度=900kg/m，假设液压油的空气分离压为，假设液压油的空气分离压为2.8m水柱，吸油管长度水柱，吸油管长度=10m，直径，直径d=40mm，如果只考虑管中的摩擦损失，求液压泵在油箱液面如果只考虑管中的摩擦损失，求液压泵在油箱液面以上的最大允许安装高度是多少？以上的最大允许安装高度是多少？例例3例例2中若将泵的流量