液體流體力學(xué)ppt課件

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第二章液壓傳動(dòng)的流體力學(xué)基礎(chǔ) 第一節(jié)流體靜力學(xué)基礎(chǔ)第二節(jié)流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第三節(jié)液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失第四節(jié)液體流經(jīng)小孔和縫隙的流量第五節(jié)液壓沖擊和空穴現(xiàn)象 39 1 第一節(jié)流體靜力學(xué)基礎(chǔ) 流體靜力學(xué)主要討論的是液體在靜止時(shí)的平衡規(guī)律以及這些規(guī)律在工程上的應(yīng)用 這里所說(shuō)的靜止 是指液體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng) 至于盛裝液體的容器 不論它是靜止的或是運(yùn)動(dòng)的 都沒(méi)有關(guān)系 1 液體的壓力2 重力作用下靜止液體中的壓力分布3 壓力的表示方法和計(jì)量單位4 靜止液體內(nèi)壓力的傳遞5 液體靜壓力作用在固體壁面上的力 39 2 1 液體的壓力 液體單位面積上所受的法向力稱為靜壓力 這一定義在物理學(xué)中稱為壓強(qiáng) 但在液壓傳動(dòng)中習(xí)慣稱為壓力 即靜止液體的壓力有如下特性 1 液體的壓力沿著內(nèi)法線方向作用于承壓面 2 靜止液體內(nèi)任一點(diǎn)的壓力在各個(gè)方向上都相等 39 3 2 重力作用下靜止液體中的壓力分布 靜止液體內(nèi)任一點(diǎn)處的壓力都由兩部分組成 一部分是液面上的壓力 另一部分是該點(diǎn)以上液體自重所形成的壓力 39 4 3 壓力的表示方法和計(jì)量單位 1 絕對(duì)壓力 2 表壓力 3 相對(duì)壓力 4 真空度 39 5 4 靜止液體內(nèi)壓力的傳遞 在密閉容器內(nèi) 施加于靜止液體上的壓力將以等值傳遞到液體內(nèi)各點(diǎn) 這就是靜壓力傳遞原理 或稱帕斯卡原理 39 6 5 液體靜壓力作用在固體壁面上的力 液體和固體壁面相接觸時(shí) 固體壁面將受到總液壓力的作用 39 7 第二節(jié)流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) 本節(jié)主要討論液體的流動(dòng)狀態(tài) 運(yùn)動(dòng)規(guī)律及能量轉(zhuǎn)換等問(wèn)題 具體地說(shuō)主要有連續(xù)性方程 伯努利方程和動(dòng)量方程三個(gè)基本方程 這些都是流體動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)及液壓傳動(dòng)中分析問(wèn)題和設(shè)計(jì)計(jì)算的理論依據(jù) 一 基本概念二 連續(xù)性方程三 伯努利方程四 動(dòng)量方程 39 8 1 理想液體 恒定流動(dòng)和一維流動(dòng) 39 9 2 流線 流管和流束 39 10 3 通流截面 流量和平均流速 v 39 11 二 連續(xù)性方程 在管中作穩(wěn)定流動(dòng)的理想液體 既不能增多也不能減少 即符合物質(zhì)不滅定律 因此 在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)任意截面的液體質(zhì)量一定是相等的 此即液體的連續(xù)性原理 39 12 理想液體能量方程的物理意義是 理想液體作恒定流動(dòng)時(shí)具有壓力能 位能和動(dòng)能三種能量形式 在任一截面上這三種能量形式之間可以相互轉(zhuǎn)換 但三者之和為一定值 即能量守恒 1 理想液體的能量方程 39 13 2 實(shí)際液體的能量方程 實(shí)際液體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí) 由于液體存在粘性 會(huì)產(chǎn)生摩擦力而消耗能量 同時(shí) 管道局部形狀和尺寸的變化 會(huì)使液流產(chǎn)生擾動(dòng) 也消耗一部分能量 同時(shí) 引入速度分布不均勻修正系數(shù) 實(shí)際液體流動(dòng)的伯努利方程為 39 14 四 動(dòng)量方程 動(dòng)量方程是動(dòng)量定理在流體力學(xué)中的具體應(yīng)用 用動(dòng)量方程來(lái)計(jì)算液流作用在固體壁面上的力比較方便 動(dòng)量定理指出 作用在物體上的合外力的大小等于物體在力作用方向上的動(dòng)量的變化率 即 39 15 第三節(jié)液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失 實(shí)際液體具有粘性 流動(dòng)時(shí)會(huì)有阻力產(chǎn)生 為了克服阻力 流動(dòng)液體需要損耗一部分能量 通常稱為壓力損失 壓力損失可分為兩類(lèi) 沿程壓力損失和局部壓力損失 一 兩種流態(tài)和雷諾數(shù)二 沿程壓力損失三 局部壓力損失四 管路中的總壓力損失 39 16 一 兩種流態(tài)和雷諾數(shù) 液體的流動(dòng)有兩種狀態(tài) 即層流和紊流 又稱湍流 這兩種流動(dòng)狀態(tài)的物理現(xiàn)象可以通過(guò)一個(gè)試驗(yàn)觀察出來(lái) 這就是雷諾試驗(yàn) 1 出口2 入口3 小水箱4 開(kāi)關(guān)5 細(xì)導(dǎo)管6 水箱7 水平玻璃管8 閥門(mén) 39 17 雷諾數(shù)的物理意義雷諾數(shù)是液流的慣性力對(duì)粘性力的無(wú)量綱比值 當(dāng)雷諾數(shù)較大時(shí) 液體的慣性力起主導(dǎo)作用 液體處于紊流狀態(tài) 當(dāng)雷諾數(shù)較小時(shí) 粘性力起主導(dǎo)作用 液體處于層流狀態(tài) 非圓截面管道的雷諾數(shù)為水力直徑為 39 18 二 沿程壓力損失 液體在等徑直管中流動(dòng)時(shí)因粘性摩擦而產(chǎn)生的壓力損失 稱為沿程壓力損失 液體的流動(dòng)狀態(tài)不同 所產(chǎn)生的沿程壓力損失也有所不同 層流和紊流的沿程阻力損失計(jì)算公式 層流和紊流的沿程阻力系數(shù)的計(jì)算不相同 39 19 三 局部壓力損失 液體流經(jīng)管道的彎頭 管接頭 突變截面以及閥口 濾網(wǎng)等局部裝置時(shí) 液流會(huì)產(chǎn)生旋渦 并產(chǎn)生強(qiáng)烈的紊動(dòng)現(xiàn)象 由此而造成的壓力損失稱為局部壓力損失 即局部阻力系數(shù)可查有關(guān)手冊(cè) 39 20 四 管路中的總壓力損失 整個(gè)管路系統(tǒng)的總壓力損失應(yīng)為所有沿程壓力損失和所有局部壓力損失之和 即具體系統(tǒng)中 應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)上式進(jìn)行調(diào)整 39 21 第四節(jié)液體流經(jīng)小孔和縫隙的流量 在液壓系統(tǒng)中 常常利用液體流經(jīng)閥的小孔或縫隙來(lái)控制流量和壓力 從而達(dá)到調(diào)速和調(diào)壓的目的 液壓元件的泄漏也屬于縫隙流動(dòng) 因此 研究小孔或縫隙的流量計(jì)算 了解其影響因素 對(duì)正確分析液壓元件和系統(tǒng)的工作性能 合理設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)是很有必要的 一 液體流過(guò)小孔的流量二 液體流過(guò)縫隙的流量 39 22 1 薄壁孔的流量計(jì)算 當(dāng)小孔的長(zhǎng)徑比l d 0 5時(shí) 稱為薄壁孔 其流量為 39 23 2 流經(jīng)短孔和細(xì)長(zhǎng)孔的流量計(jì)算 當(dāng)l d 4時(shí) 稱為細(xì)長(zhǎng)孔 當(dāng)0 5 l d 4時(shí) 稱為短孔 它們的流量為 qV KAT pm 39 24 二 液體流過(guò)縫隙的流量 在液壓裝置的各零件之間 特別是有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的各零件之間 一般都存在縫隙 或稱間隙 油液流過(guò)縫隙就會(huì)產(chǎn)生泄漏 這就是縫隙流量 由于縫隙通道狹窄 液流受壁面的影響較大 故縫隙液流的流態(tài)均為層流 縫隙流動(dòng)有兩種狀況 一種是由縫隙兩端的壓力差造成的流動(dòng) 稱為壓差流動(dòng) 另一種是形成縫隙的兩壁面作相對(duì)運(yùn)動(dòng)所造成的流動(dòng) 稱剪切流動(dòng) 這兩種流動(dòng)經(jīng)常會(huì)同時(shí)存在 39 25 1 液體流過(guò)平行平板縫隙的流量 液體流經(jīng)平板縫隙流速計(jì)算的通式為 39 26 1 液體流過(guò)固定平行平板縫隙的流量由壓差引起的流動(dòng)p1 p2 p p1 p2 將邊界條件y 0 u 0 y h u 0分別代入通式 求出常數(shù)C1 C2 得流量和壓力損失的計(jì)算公式 39 27 2 液體流過(guò)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的平行平板縫隙的流量1 剪切流動(dòng) 2 既有壓差流動(dòng) 又有剪切流動(dòng) 39 28 2 液體流過(guò)圓環(huán)縫隙的流量 在液壓元件中 如液壓缸的活塞和缸孔之間 液壓閥的閥心和閥孔之間 都存在圓環(huán)縫隙 圓環(huán)縫隙有同心和偏心兩種情況 它們的流量公式不同 39 29 1 流過(guò)同心圓環(huán)縫隙的流量 39 30 2 流過(guò)偏心圓環(huán)縫隙的流量當(dāng)e 0時(shí) 它就是同心圓環(huán)縫隙的流量公式 當(dāng)e 1時(shí) 即在最大偏心情況下 其壓差流量為同心圓環(huán)縫隙壓差流量的2 5倍 39 31 3 圓環(huán)平面縫隙的流量 39 32 第五節(jié)液壓沖擊和空穴現(xiàn)象 在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中 液壓沖擊和空穴現(xiàn)象會(huì)給系統(tǒng)的正常工作帶來(lái)不利影響 因此需要了解這些現(xiàn)象產(chǎn)生的原因 并采取措施加以防治 一 液壓沖擊二 空穴現(xiàn)象 39 33 一 液壓沖擊 在液壓系統(tǒng)中 由于某種原因 系統(tǒng)的壓力在某一瞬間會(huì)突然急劇上升 形成很高的壓力峰值 這種現(xiàn)象稱為液壓沖擊 39 34 1 危害 當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生液壓沖擊時(shí) 瞬時(shí)壓力峰值有時(shí)要比正常工作壓力大很多倍 這往往會(huì)引起機(jī)械振動(dòng) 產(chǎn)生噪聲 使管接頭松動(dòng) 有時(shí)還會(huì)引起某些液壓元件的誤動(dòng)作 降低系統(tǒng)的工作性能 嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成油管 密封裝置及液壓元件的損壞 產(chǎn)生空穴 氣蝕現(xiàn)象 39 35 2 減小液壓沖擊的措施 主要措施有 1 延長(zhǎng)換向閥換向時(shí)間 實(shí)踐證明 運(yùn)動(dòng)部件制動(dòng)換向時(shí)間若能大于0 2s 沖擊就會(huì)大為減輕 2 在液壓元件結(jié)構(gòu)上采取一些措施 如在液壓缸中設(shè)置節(jié)流緩沖裝置 以減小流速的突然變化 3 在易產(chǎn)生液壓沖擊的地方 設(shè)置溢流閥或蓄能器 4 盡量縮短管路長(zhǎng)度 減少管路彎曲 采用橡膠軟管 39 36 二 空穴現(xiàn)象 在液壓系統(tǒng)中 如果某處的壓力低于空氣分離壓時(shí) 原先溶解在液體中的空氣就會(huì)分離出來(lái) 導(dǎo)致液體中出現(xiàn)大量氣泡的現(xiàn)象 稱為空穴現(xiàn)象 空穴多發(fā)生在閥口和液壓泵的進(jìn)口處 由于閥口的通道狹窄 液流的速度增大 壓力則大幅度下降 以致產(chǎn)生空穴 當(dāng)泵的安裝高度過(guò)大 吸油管直徑太小 吸油阻力太大 或泵的轉(zhuǎn)速過(guò)高 造成進(jìn)口處真空度過(guò)大時(shí) 亦會(huì)產(chǎn)生空穴 39 37 1 危害 1 形成無(wú)數(shù)微小范圍內(nèi)的液壓沖擊 這將引起噪聲 振動(dòng)等有害現(xiàn)象 2 由于析出空氣中有游離氧 對(duì)零件具有很強(qiáng)的氧化作用 引起零件的腐蝕 這些稱之為氣蝕作用 3 空穴現(xiàn)象使液體中帶有一定量的氣泡 從而引起流量的不連續(xù)及壓力的波動(dòng) 嚴(yán)重時(shí)甚至斷流 使液壓系統(tǒng)不能正常工作 39 38 2 預(yù)防空穴發(fā)生的措施 1 減小孔口或縫隙前后的壓力降 一般希望孔口或縫隙前后的壓力比值p1 p2 3 5 2 降低泵的吸油高度 適當(dāng)加大吸油管直徑 限制吸油管的流速 盡量減小吸油管路中的壓力損失 如及時(shí)清洗過(guò)濾器或更換濾芯等 對(duì)于自吸能力差的泵要安裝輔助泵供油 3 管路要有良好的密封 防止空氣進(jìn)入 4 提高液壓零件的抗氣蝕能力 采用抗腐蝕能力強(qiáng)的金屬材料 減小零件表面粗糙度值 39 39