修改 液压与气压传动1.ppt

School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,Chapter 1,流体力学基础,本章主要内容：,1.1,工作介质,1.2,流体静力学,1.3,流体运动学,和,流体动力学,1.4,气体状态方程,1.5,充,、,放气参数计算,1.6,管道流动,1.7,孔口流动,1.8,缝隙流动,1.9,瞬变流动,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,了解与液压及气动技术有关的流体力学基本内容,流体经过薄壁小孔、短孔、细长孔等小孔的流动情况，相应的流量公式,流体经过各种缝隙的流动特性及其流量公式,液压冲击和气穴现象及其减小措施,目的任务,:,重点难点,:,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,Part 1.1,工作介质,工作介质：,在传动及控制中起传递,能量,和,信号,的作用。,流体传动及控制（包括液压与气动），在工作、性能特点上和机械、电气传动之间的差异主要取决于,载体,的不同，前者采用工作介质。因此，掌握液压与气动技术之前，必须先对其工作介质有一清晰的了解。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,Part 1.1.1,液压传动介质,1.,基本要求,与,种类,液压传动及控制所用的工作介质为,液压油液,或其他,合成液体,，其应具备的,功能,如下：,1,）,传动,把由,液压泵,所赋予的能量传递给,执行元件,；,2,）,润滑,润滑,液压泵,、,液压阀,、,液压执行元件,等运动件；,3,）,冷却,吸收并带出,液压装置,所产生的热量；,4,）,去污,带走工作中产生的,磨粒,和来自外界的,污染物,；,5,）,防锈,防止液压元件所用各种,金属的锈蚀,。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,为,使液压系统长期保持正常的工作性能,，对其工作介质提出的要求是：,1,）,可压缩性,可压缩性尽可能小，响应性好；,2,）,粘性,温度及压力对粘度影响小，具有适当的粘度，粘温特性好；,3,）,润滑性,通用性对液压元件滑动部位充分润滑；,4,）,安定性,不因热、氧化或水解而变质，剪切稳定性好，使用寿命长；,5,）,防锈和抗腐蚀性,对铁及非铁金属的锈蚀性小；,6,）,抗泡沫性,介质中的气泡容易逸出并消除；,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,为,使液压系统长期保持正常的工作性能,，对其工作介质提出的要求还有：,7,）,抗乳化性,除含水液压液外的油液，油水分离要容易；,8,）,洁净性,质地要纯净，尽可能不含污染物，当污染物从外部侵入时能迅速分离；,9,）,相容性,对金属、密封件、橡胶软管、涂料等有良好的相容性；,10,）,阻燃性,燃点高，挥发性小，最好具有阻燃性；,11,）,其他,对工作介质的其他要求还有；,无毒性,和,臭味,；,比热容,和,热导率要大,；,体胀系数要小,等。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,能够同时满足上述各项要求的理想的工作介质是不存在的。液压系统中使用的工作介质按,国际标准组织,（,ISO,）的分类（我国国家标准,GB/T7631.21987,与此等效）如,表,1-1,所示。,工,作,介,质,类 别,组成与特性,代 号,石油基液压液,无添加剂的石油基液压液,HH+,抗氧化剂、防锈剂,HL+,抗磨剂,HL+,增粘剂,HM+,增粘剂,HM+,防爬剂,无特定难燃性的合成液（特殊性能）,L,HH,L,HL,L,HM,L,HR,L,HV,L,HG,L,HS,难燃液压液,含水液压液,高含水液压液,水包油乳化液,水的化学溶液,含水大于,80%,（休积分数）,L,HFA,L,HFAE,L,HFAS,油包水乳化液,含水小于,80%,（体积分数）,L,HFB,含聚合物水溶液,/,水乙二醇液,L,HFC,合成液压液,磷酸酯无水合成液,L,HFD,L,HFDR,氯化烃无水合成液,L,HFDS,HFDR,和,HFDS,液混合的无水合成液,L,HFDT,其他成分的无水合成液,L,HFDU,表,1-1,液压传动工作介质的种类,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,目前,90%,以上的液压设备采用,石油基液压油液,。基油为精制的石油润滑油馏分。为了改善液压油液的性能，以满足液压设备的不同要求，往往在基油中加入各种添加剂。,添加剂,有两类：一类是,改善油液化学性能,的，如,抗氧化剂,、,防腐剂,、防锈剂,等；另一类是,改善油液物理性能,的，如,增粘剂,、,抗磨剂,、,防爬剂,等。,为了,军事目的,，近年来在某些舰船液压系统中，也有以,海水,或,淡水,为工作介质的。而且正在逐渐向,水下作业,、,河道工程,、,海洋开发,等领域延伸。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,2.,物理性质,密度,单位体积液体所具有的质量称为该液体的密度。即：,（,1-1,）,式中,液体的密度；,V,液体的体积；,m,液体的质量。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,常用液压传动工作介质的密度值见,表,1-2,工作介质,密度,/,（,kgm,3,）,工作介质,密度,/,（,kg,m,3,）,抗磨液压液,L,HM32,抗磨液压液,L,HM46,油包水乳化液,L,HFB,水包油乳化液,L,HFAE,0.810,3,0.887510,3,0.93210,3,0.997710,3,水乙二醇液压液,L,HFC,通用磷酸脂液压液,L,HFDR,飞机用磷酸酯液压液,L,HFDR,10,号航空液压油,1.0610,3,1.1510,3,1.0510,3,0.8510,3,表,1-2,常用液压传动工作介质的密度（,20,）,液体的密度随着压力或温度的变化而发生变化，但其变化量一般很小，在工程计算中可以,忽略不计,。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,可压缩性,液体因所受,压力增高,而发生,体积缩小,的性质称为,可压缩性,。若,压力为,p,0,时液体的,体积为,V,0,，当压力增加,p,，液体的体积减小,V,，则液体在单位压力变化下的体积相对变化量为：,（,1-2,）,式中，,k,称为液体的,压缩率,。由于压力增加时液体的体积减小，两者变化方向相反，为使,k,成为正值，在上式右边须加一负号。,液体压缩率,k,的倒数,，称为液体,体积模量,，即,（,1-3,）,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,表,1-3,所示为各种工作介质的,体积模量,。由表中,石油基液压油体积模量,的数量可知，它的可压缩性是钢的,100170,倍,（钢的弹性模量为,2.110,5,MPa,）。,工作介质,体积模量,K,/,MPa,工作介质,体积模量,K,/MPa,石油基液压油,水包油乳化液,油包水乳化液,（,1.42,）,10,3,1.9510,3,2.310,3,水乙二醇液压液,磷酸酯液压液,3.4510,3,2.6510,3,表,1-3,各种工作介质的体积模量（,20,，大气压）,一般情况下,，工作介质的,可压缩性对液压系统性能影响不大,，但,在高压下,或,研究系统动态性能及计算远距离操纵的液压机构时,，则,必须予以考虑,。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,石油基液压油的,体积模量,与,温度,、,压力,有关：,温度升高时,，,K,值减小，在液压油正常工作温度范围内，,K,值会有,5%25%,的变化；,压力增加时,，,K,值增大，但这种变化不呈线性关系，当,p,3MPa,时，,K,值基本上不再,增加。,由于空气的可压缩性很大,，因此当工作介质中有游离气泡时，,K,值将大大减小，且起始压力的影响明显增大。但是在液体内游离气泡不可能完全避免，因此，一般建议,石油基液压油,K,的取值为,（,0.71.4,）,10,3,MPa,，且应采取措施尽量减少液压系统工作介质中的游离空气的含量。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,粘性,1,）粘性的表现,液体在外力作用下流动时,，分子间,内聚力,的存在使其流动受到牵制从而沿其界面产生,内摩擦力,，这一特性称为液体的,粘性,。,图,1-1,液体粘性示意图,现以,图,1-1,为例说明液体的粘性。若,距离为,h,的两平行平板间充满液体，下平板固定，而,上平板以速度,u,0,向右平动由于液体和固体壁面间的附着力及液体的粘性，会使流动液体内部各液层的速度大小不等：,紧靠着下平板的液层速度为零,，,紧靠着上平板的液层速度为,u,0,，,而中间各层液体的速度当层间距离,h,较小,时，从上到下近似呈,线性递减,规律分布。其中速度快的液层带动速度慢的；而速度慢的液层对速度快的起阻滞作用。,h,y,d,y,u,0,y,x,O,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,实验测定表明，流动液体相邻液层间的,内摩擦力,F,f,与液层,接触面积,A,、液层间的,速度梯度,d,u,/d,y,成正比，即：,（,1-4,）,式中，,比例系数,称为,粘性系数,或,动力粘度,。,若以,表示,液层间的切应力,，即,单位面上的内摩擦力,，则上式可表示为：,（,1-5,）,这就是,牛顿液体内摩擦定律,。,由此可知，在静止液体中，,速度梯度,d,u,/d,y,=0,，故其内摩擦力,为零，因此静止液体不呈现粘性，,液体只在流动时才显示其粘性。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,2,）粘性的度量,度量粘性大小的物理量称为,粘度,。常用的粘度,有三种，即,动力粘度,、,运动粘度,、,相对粘度,。,动力粘度,由,式（,1-5,）,可知，动力粘度,是表征流动液体,内摩擦力,大小的粘性系数。其,量值,等于,液体在以单位速度梯度流,动时,，,单位面积上的内摩擦力,，,（,1-6,）,在我国,法定计量单位制,及,SI,制,中，,动力粘度,的单位是,Pas,（,帕,秒,）或用,Ns/m,2,（,牛,秒,/,米,2,）表示。,如果,动力粘度,只与,液体种类,有关,而与,速度梯度,无关,，这种液体称为,牛顿液体,，否则为非牛顿液体。石油基液压油一般为牛顿液体。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,运动粘度,v,液体,动力粘度,与,其密度,之比,称为该液体的,运动粘,度,v,，即,（,1-7,）,在我国,法定计量单位制,及,SI,制,中，运动粘度,v,的单位是,m,2,/s,（米,2,/,秒）。因其中只有长度和时间的量纲，故得名为运动粘度。,国际标准,ISO,按,运动粘度值,对,油液的粘度等级,（,VG,）进行划分，见,表,1-4,。,粘度等级,40,时粘度,平均值,40,时粘度,范围,粘度等级,40,时粘度,平均值,40,时粘度,范围,VG10,VG15,VG22,VG32,10,15,22,32,9.0011.0,13.516.5,19.824.2,28.835.2,VG46,VG68,VG100,46,68,100,41.450.6,61.274.8,90.0110,表,1-4,常用液压油运动粘度等级,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,相对粘度,相对粘度是根据,特定测量条件,制定的，故又称,条件,粘度,。测量条件不同，采用的相对粘度单位也不同。如,恩氏粘度,E,（欧洲一些国家）、通用,塞氏秒,SUS,（美国、英国）、商用,雷,氏秒,R,1,S,（英、美等国）和,巴氏度,B,（法国）等。,国际标准化组织,ISO,已规定统一采用,运动粘度,来表示油的粘度。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,3,）,温度对粘度的影响,温度变化使液体内聚力发生变化，因此液体的,粘度,对,温度,的变化,十分敏感,：,温度升高,，,粘度下降,（见,图,1-2,（见教材,P12,）,）。这一特性称为液体的,粘温特性,。粘温特性常用,粘度指数,VI,来度量。,VI,表示该液体的,粘度随温度变化的程度,与,标准液的粘度变化程度之比,。通常在各种工作介质的质量指标中都给出粘度指数。,粘度指数高,，说明,粘度随温度变化小,，其,粘温特性好,。,一般要求工作介质的粘度指数应在,90,以上，优异在,100,以上。,当液压系统的工作温度范围较大时,，应选用,粘度指数高的介质,。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,4,）压力对粘度的影响,压力增大时,，,液体分子间距离缩小,，,内聚力增加,，,粘度也会有所变大,。但是这种影响在低压时并不明显，可以忽略不计；,当压力大于,50MPa,时,，其,影响才趋于显著,。压力对粘度的影响可用下式计算：,v,p,=v,a,e,cp,v,a,(1,+cp,),（,1-8,）,式中,p,液体的压力，单位为,MPa,；,v,p,压力为,p,时液体的运动粘度，单位为,m,2,/s,；,v,a,大气压力下液体的运动粘度，单位为,m,2,/s,；,e,自然对数的底；,c,系数，对于石油基液压油，,c,=0.0150.035MPa,-1,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,5,）气泡对粘度的影响,液体中混入直径为,0.250.5mm,悬浮状态气泡时,，对液体的粘度有一定影响，其值可按下式计算：,v,b,=v,0,(1+0.015,b,),（,1-9,）,式中,b,混入空气的体积分数；,v,b,混入,b,空气时液体的运动粘度，单位为,m,2,/s,；,v,0,不含空气时液体的运动粘度，单位为,m,2,/sSchool of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,Part 1.1.3,选用,和,维护,正确而合理地,选用,和,维护,工作介质对于液压系统达到,设计要求,、,保障工作能力,、,满足环境条件,、,延长使用寿命,、,提高运行可靠性,、,防止事故发生,等方面都有重要影响。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,1.,工作介质的选择,工作介质的选择包含两个方面：,品种,和,粘度,。选择工作介质时要考虑的因素如,表,1-6,所示。,考虑方面,内 容,系统工作环境,是否阻燃（闪点、燃点）抑制嗓声的能力（空气溶解度、消泡性）,废液再生处理及环保要求,系统工作条件,压力范围（润滑性、承载能力）,温度范围（粘度、粘温特性、剪切损失、热稳定性、挥发度、低温流动性）,转速（气蚀、对支承面浸润能力）,工作介质的品质,物理化学指标 对金属和密封件等的相容性,过滤性能、吸气情况、去垢能力,锈蚀性 抗氧化稳定性 剪切稳定性,经济性,价格及使用寿命 货源情况 维护、更换的难易程度,表,1-6,选择工作介质时考虑的因素,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,工作介质的选择通常要经历下述,四个基本步骤,：,1,）列出液压系统对工作介质以下性能变化范围的要求：,粘度,、,密度,、,体积模量,、,饱和蒸气压,、,空气溶解度,、,温度界限,、,压力界限,、,阻燃性,、,润滑性,、,相容性,、,污染性,等；,2,）,查阅产品说明书,，选出符合或基本符合上述各项要求的工作介质品种 ；,3,）,进行综合权衡,，调整各方面的要求和参数；,4,）,与供货厂商联系,，最终决定所采用的合适工作介质。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,在液压系统所有元件中，,液压泵,的工作条件最为严峻，不但,压力高,、,转速高,和,温度高,，而且,工作介质在被液压泵吸入和由液压泵压出时,要,受到剪切作用,，所以一般根据,液压泵的要求,来确定介质的粘度。给出了各种液压泵用油的粘度范围及推荐牌号。,此外，选择工作介质的粘度时，还应考虑,环境温度,、,系统工作压力,、,执行元件运动类型,和,速度,以及,泄漏,等因素：当,环境温度高,、,压力高,，,往复运动速度低,或,旋转运动时,，或,泄漏量大,，而,运动速度不高,时宜有用,粘度较高的工作介质,，以减少系统泄漏；当,环境温度低,、,压力低,，,往复运动,或,旋转运动速度高,时，宜采用,粘度低的工作介质,，以减少液流功率损失。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,Part 1.2,流体静力学,空气的密度极小，因此静止空气重力的作用甚微。所以，本节主要介绍,液体静力学,。液体静力学是研究,静止液体,的力学规律以及这些规律的应用。这里所说的,静止液体,是指,液体内部质点间没有相对运动,而言，至于盛装液体的容器，不论它是静止的或是运动的，都没有关系。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,Part 1.2.1,静压力,及其,特性,静止液体,在,单位面积上,所受的,法向力,称为,静压力,。静压力在液压传动中简称,压力,，在物理学中则称为,压强,。,静止液体中某点处,微小面积,A,上作用有,法向力,F,，则该点的压力定义为：,（,1-19,）,若法向作用力,F,均匀地作用在面积,A,上,，则压力可表示,为：,（,1-20,）,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,我国采用法定计量单位,Pa,来计量压力，,1Pa=1N/m,2,。液压技术中习惯用,MPa,，,1MPa=10,6,Pa,。,液体静压力有,两个重要特性,：,1,）液体静压力垂直于承压面,，其方向和该面的内法线方向一致。这是由于液体质量点间的内聚力很小，不能受拉只能受压之故；,2,）静止液体内任一点所受到的压力在各个方向上都相等,。如果某点受到的压力在某个方向上不相等，那么液体就会流动，这就违背了液体静止的条件。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,Part 1.2.2,静压力基本方程,1.,静压力基本方程,图,1-3,重力作用下的静止液体,在重力作用下的静止液体，其,受力情况,如,图,1-3a,所示，除了,液体重力,，还有,液面上的压力,和,容器壁面作用在液体上的压力,。如,要求出液体内,离液面深度为,h,的某一点压力,，可以从液体内取出一个底面通过该点的垂直小液柱作为控制体。设,小液柱的底面积为,A,，,高为,h,，如,图,1-3b,所示。,这个小液柱在重力及周围液体的压力 作用下处于平衡状态，其在垂直方向上的力平衡方程式为：,式中，,g,h,A,为小液柱的重力。,上式化简后得：,（,1-21,）,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,式（,1-21,）,即为,静压力基本方程,。它说明液体静压力分布有如下,特征,：,1,）静止液体内任一点的压力由,两部分组成,：一部分是,液面上的压力,p,0,，另一部分是,该点以上液体重力所形成的压力,g,h,当,液面上只受大气压力,p,a,作用时,，则该点的压力为：,（,1-22,）,2,）静止液体内的压力随液体深度呈,线性规律,递增。,3,）,同一液体中,，,离液面深度相等的各点压力相等,。由压力相等的点组成的面称为,等压面,。在重力作用下静止液体中的等压面是一个水平面。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,2.,静压力基本方程的物理意义,将,图,1-3,所示盛有液体的蜜闭容器放在基准水平面（,O-,x,）上加以考察，如,图,1-4,所示，则静压力基本方程可改写成：,图,14,静压力基本方程的物理意义,式中,z,0,液面与基准水平面之间的距,离；,z,深度为,h,的点与基准水平面之间,的距离。,上式整理后可得：,（,1-23,）,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,式（,1-23,）,是静压力基本方程的另一形式。,式中,p,/(,g,),表示了单位重力液体的压力能，故又常称作,压力水头,；,z,表示了单位重力液体的位能，也常称作,位置水头,。,因此，静压力基本方程的物理意义是：静止液体内任何一点具有,压力能,和,位能,两种能量形式，且其,总和保持不变,，即,能量守恒,。但是,两种能量形式之间可以相互转换,。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,3.,压力的表示方法,根据度量基准的不同，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,绝对压力,；以当地大气压力为基准所表示的压力，称为,相对压力,。绝对压力与相当对压力之间的关系如,图,1-5,所示。绝大多数测压仪表因其外部均受大气压力作用，所以仪表指示的压力是相对压力。今后，,如不特别指明,，,液压传动中所提到的压力均为相对压力,。,图,1-5,绝对压力与相对压力间的关系,p,a,p,p,a,p,p,a,p,0,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,如果,液体中某点处的绝对压力小于大气压力,，这时该点的绝对压力比大气压力小的那部分压力值，称为,真空度,。,真空度,=,大气压力绝对压力,（,1-24,）,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,例,1-2,图,1-6,所示为一充满油液的容器，如作用在活塞上的力为,F,=1000N,，活塞面积,A,=110,3,m,2,，忽略活塞的质量。试问活塞下方深度为,h,=0.5m,处的压力等于多少？油液的密度,=900kg/m,3,。,解：,依据,式（,1-21,）,，,p,=,p,0,+,g,h,，活塞和液面接触处的压力,p,0,=,F,/,A,=1000/,（,110,3,）,N/m,2,=10,6,N/m,2,，因此，深度为,h,=0.5m,处的液体压力为：,p=p,0,+,g,h,=,（,10,6,+9009.80.5,）,N/m,2,=1.004410,6,N/m,2,10,6,Pa=1MPa,由这个例子可以看到，,液体在受压情况下,，其,液柱高度所引起的那部分压力,g,h,相当小,，,可以忽略不计,，并认为,整个静止液体内部的压力是近乎相等的,。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,Part 1.2.3,帕斯卡原理,按,式（,1-21,）,，盛放在密闭容器内的液体，其,外加压力,p,0,发生变化时,，,只要液体仍保持其原来的静止状态不变,，,液体中任一点的压力均将发生同样大小的变化,。也就是说，,在密闭容器内,，,施加于静止液体上的压力将以等值传递到液体中所有各点,。这就是,帕斯卡原理,，或称,静压传递原理,。帕斯卡原理是液压传动的一个基本原理。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,Part 1.3,流体运动学,和,流体动力学,流体运动学,研究,流体的运动规律,，,流体动力学,研究,作用于流体上的力与流体运动之间的关系,。流体的,连续方程,、,能量方程,和,动量方程,是流体运动学和流体动力学的三个基本方程。,当气体流速比较低,（,v,5m/s,）时，,气体和液体的这三个基本方程完全相同,。因此为方便起见，本节在叙述这些基本方程时仍以液体为主要对象。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,Part 1.3.1,基本概念,1.,理想液体、恒定流动和一维流动,实际液体具有粘性,，研究液体流动时必须考虑粘性的影响。但由于这个问题非常复杂，所以开始分析时可以,假设液体没有粘性,，然后再考虑粘性的作用并通过实验验证等办法对理想化的结论进行补充或修正。这种方法同样可以用来处理液体的可压缩性问题。一般把,既无粘性又不可压缩的假想液体,称为,理想液体,。,液体流动时,，如液体中,任何一点的压力,、,速度,和,密度,都不随时间而变化，便称液体是在作,恒定流动,；反之，只要压力、速度或密度中有一个参数随时间变化，则液体的流动被称为非恒定流动。,研究液压系统静态性能时,，可以认为流体作,恒定流动,；但在,研究其动态性能时,，则必须按,非恒定流动,来考虑,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,当液体整个作线形流动时,，称为,一维流动,；,当作平面,或,空间流动时,，称为,二维,或,三维流动,。一维流动最简单，但是严格意义上的一维流动要求液流截面上各点处的速度矢量完全相同，这种情况在现实中极为少见。,通常把封闭容器内液体的流动按一维流动处理,，再用实验数据来修正其结果，液压传动中对工作介质流动的分析讨论就是这样进行的。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,2.,流线、流管和流束,流线,是,流场中的一条条曲线它表示在同一瞬时流场中各质点的运动状态。流线上每一质点的速度向量与这条曲线相切，因此，流线代表了某一瞬时一群流体质点的流速方向，如,图,1-9a,所示。,在非恒定流动时,，由于液流通过空间点的速度随时间变化，因而流线形状也随时间变化；,在恒定流动时,，流线形状不随时间变化。由于流场中每一质点在每一瞬时只能有一个速度，所以流线之间,不可能相交,，流线也,不可能突然转折,，它,只能是一条光滑的曲线,。,图,1-9,流线、流管、,流束和通流截面,a,）,流线,b,）,流管,c,）,流束和通流截面,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,图,1-9,流线、流管、,流束和通流截面,a,）,流线,b,）,流管,c,）,流束和通流截面,在流场中画一不属于流线的任意封闭曲线，沿该封闭曲线上的每一点作流线，由这些流线组成的表面称为,流管,（见,图,1-9b,）。,流管内的流线群,称为,流束,。根据流线不会相交的性质，流管内外的流线均不会穿越流管，故,流管与真实管道相似,。将流管截面无限缩小趋近于零，便获得,微小流管,或,微小流,束。,微小流束截面上各点处的流速可以认为是相等的,。,流线彼此平行的流动,称为,平行流动,；流线间夹角很小，或流线曲率半径很大的流动称为缓变流动。平行流动和缓变流动都可以算是一维流动。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,3.,通流截面、流量和平均流速,流束中,与所有流线正交的截面,称为,通流截面,，如,图,1-9c,中的,A,面,和,B,面,，通流截面上每点处的流动速度都,垂直,于这个面。,图,1-9,流线、流管、,流束和通流截面,a,）,流线,b,）,流管,c,）,流束和通流截面,单位时间内流过某通流截面的液体体积,称为,流量,，常用,q,表示，即：,（,1-27,）,式中,q,流量，在液压传动中流量,常用单位,L/min,；,V,液体的体积；,t,流过液体体积,V,所需的时间。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,由于,实际液体具有粘性,，因此液体在管道内流动时，通流截面上各点的流速是不相等的。,管壁处的流速为零,，,管道中心处流速最大,，流速分布如,图,1-10b,所示。若欲求得流经整个通流截面,A,的流量，可在通流截面,A,上取一微小流束的截面,d,A,（,图,1-10a,），则通过,d,A,的微小,流量为：,图,1-10,流量和平均流速,对上式进行积分，便可得到流经整个通流截面,A,的流 量：,（,1-28,）,School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,可见，要求得,q,的值，必须先知道,流速,u,在整个,通流截面,A,上,的分布规律。实际上这是比较困难的，因为粘性液体流速,u,在管道中的分布规律是很复杂的。所以，为方便起见，在液压传动中常采用一种假想的,平均流速,v,（,图,1-10b,）来求流量，并认为流体以平均流速,v,流经通流截面的流量等于以实际流速流过的流量，即：,由此得出通流截面上的平均流速为：,（,1-29,）,图,1-10,流量和平均流速,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,Part 1.3.2,连续方程,连续方程,是,流量连续性方程,的简称，它是,流体运动学方程,，其实质是,质量守恒定律,的另一种表示形式，即将,质量守恒转化为理想液体作恒定流动时的体积守恒,。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,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,A,1,、,A,2,，如,图,1-11,所示。在流管中取一微小流束，并设微小流束两端的截面积为,d,A,1,、,d,A,2,，液体流经这两个微小截面的流速和密度分别为,u,1,、,1,和,u,2,、,2,，根据质量守恒定律，单位时间内经,截面,d,A,1,流入微小流束的液体质量应与从,截面,d,A,2,流出微小流束的流体质量相等，即：,图,1-11,连续方程推导筒图,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,如忽略液体的,可压缩性,，即,1,=,2,，则：,对上式进行积分，便得经过截面,A,1,、,A,2,流入,、流出整个流管的,流量,根据,式（,1-28,）,和,式（,1-29,）,，上式可写成：,或,式中,q,1,、,q,2,分别为流经通流截面,A,1,、,A,2,的流量；,v,1,、,v,2,分别为流体在通流截面,A,1,、,A,2,上的平均流速。,（,1-30,）,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,由于两通流截面是任意取的,，故有：,（,1-31,）,这就是液流的,流量连续性方程,，它说明,在恒定流动中,，,通过流管各截面的不可压缩流体的流量是相等的,。换句话说，,液体是以同一个流量在流管中连续地流动着,；而,液体的流速则,与,流通截面面积,成反比,。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,Part 1.3.3,能量方程,能量方程,又常称,伯努利方程,，它实际上是流动液体的能量守恒定律。,由于流动液体的能量问题比较复杂，所以在讨论时先从,理想液体,的流动情况着手，然后再展开到实际液体的流动上去。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,1.,理想液体的运动微分方程,在液流的微小流束上取出一段通流截面积为,d,A,、长度为,d,s,的微元体，如,图,1-12,所示。在,一维流动,情况下，对,理想,液体,来说，作用在微元体上的外力有以下两种：,图,1-12,理想液体的一维流动,1,）压力在,两端截面,上所产生的作用力,式中,沿流线方向的压力梯度School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,2,）作用在,微元体,上的重力,在恒定流动下这一微元体的,惯性力,为：,式中,u,微元体沿流线的运动速度，,u,=,d,s,/d,t,。,图,1-12,理想液体的一维流动,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,根据牛顿第二定律,F,=,ma,有,由于,，代入上式，整理后可得：,这就是,理想液体,沿流线作,恒定流动,时的,运动微分方程,。它表示了,单位质量流体的力平衡方程,。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,2.,理想流体的能量方程,将,式（,1-32,）,沿,流线,s,从,截面,1,积分到,截面,2,（见,图,1-12,），便可得到微元体流动时的能量关系式，即：,上式两边同除以,g,，移项后整理 得,图,1-12,理想液体的一维流动,（,1-33,）,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,由于,截面,1,、,2,是任意,取的，故上式也可写成：,式（,1-33,）,或,式（,1-34,）,就是,理想液体微小流束作恒定流动时的能量方程,或,伯努利方程,。它与液体静压基本方程,式（,1-23,）,相比多了一项单位重力液体的动能,u,2,/2,g,（常称,速度水头,）。,（,1-34,）,因此，理想液体能量方程的,物理意义,是：理想液体作,恒定流动,时具有,压力能,、,位能,和,动能,三种能量形成，在任一截面上这三种能量形式之间可以相互转换，但,三者之和为一定值,，即,能量守恒,。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,3.,实际液体的能量方程,实际液体,流动时还需克服由于粘性所产生的摩擦阻力，故存