燕山大学工程流体力学三级项目

生产中的流体力学知识介绍

班级：2015级机械电子工程(3)班

组员：王清昊、谢同雨

指导教师：权凌霄

2017年10月8日

目录

一、项目内容 (1)

二、研究目的及意义 (1)

三、设计要求及完成过程 (2)

四、主要成果及内容 (2)

4.1 流体力学在液压中的应用——液压滑阀卡紧力 (2)

4.2水下通道——侧壁受力计算 (9)

4.3消防验收——射流高度及射程计算 (15)

4.4流体力学在水泵站中的应用 (19)

五、心得体会 (20)

六、组内互评 (21)

七、参考文献 (21)

一、项目内容

流体力学是力学的一个重要分支,它主要研究流体本身的静止状态和运动状态,以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律。在生活环保、科学技术及工程中具有重要的应用价值。流体力学中研究得最多的流体是水和空气。它的主要基础是牛顿运动定律和质量守恒定律,此外还要用到热力学知识,有时还会用到宏观电动力学的基本定律、本构方程和高等数学、物理学、化学等基础知识。流体力学广泛应用于航空航天、城市给排水、航海、冶金采矿、天文气象、环境保护、水利水电、消防、食品、化工、大气、海洋、生物、土木建筑、军工核能等,都有许多流体力学的应用问题。本文介绍了流体力学在液压，水下通道，消防验收和水泵站中的应用。

二、研究目的及意义

流体力学分布广泛，与人民生活息息相关。目前流体力学各方面发展也日趋成熟，在生产中应用越来越广泛，学习和研究流体力学知识，积极发展与流体力学有关的科学，充分利用身边的资源，不仅让人民生活水品得到提高，而且更好的保护我们生活的自然环境，实现人与自然和谐相处的美好的局面，使人类社会更加美好。

三、设计要求及完成过程

在小组二人齐心协力，不舍昼夜的积极利用图书资源努力下，克服重重困难，终于完成项目报告

四、主要成果及内容

4.1 流体力学在液压中的应用——液压滑阀卡紧力4.1.1 液压滑阀装置图

图液压滑阀装置图

4.1.2 原理及推导过程

4.1.2.1 液压滑阀中的力的类型

1）液压力

液压元件中，由于液体重力引起的液体压力相差对于液压力而言

是极小，可以忽略不计。因此，在计算时认为同一容腔中液体的压力相同。根据液体对壁面作用力的规律,作用在容腔周围固体壁上的液压力p F 的大小为

p A

F P dA

=⋅⎰⎰

2）液动力

液体经过阀口时，由于流动方向和流速的变化造成液体动量的改变，使阀芯受到附加的作用力，这就是液动力。在阀口开度一定的稳定流动情况下，流动力为稳态液动力；当阀口开度发生变化时，还有瞬态液动力的作用。 ① 稳态液动力

如下图，取进出口之间的阀芯与阀体孔所构成的环形通道为控制体积。对于某一固定的阀口开度x ，根据动量定理，控制体积对阀芯轴线方向的稳态液动力s F 的计算公式为

1-2

式中：——油液密度

——流经阀口的流量 ——阀口的射流角

——阀口的流量系数

——阀口的流速系数

——阀口梯度

图液压滑阀中各参数示意图

②瞬态液动力

所谓瞬态作用力，是指由于阀口开度变化引起流经法力的液流速度变化，导致流道中液体动量变化而产生的液动力。瞬态液动力的作用方向始终与阀腔内液体加速度方向相反。

3）液压侧向力与摩擦力

如果杂质径向间隙处处相等，则配合间隙中压力沿圆周是均布的，阀芯上没有不平衡的径向液压力。但由于制造误差及阀口在实际工作中不可能精确的保持同心位置，因此，阀芯将由于径向力分布不均匀而被推向一侧，形成数值相当可观的液压侧向力与摩擦力。液压侧向力的近似表达式为

1-3式中——系数，当按最大估算时，可取=0.27；

——滑阀阀芯配合长度；

——阀芯直径

——阀芯与阀套配合间隙两端的压差。

液压侧向力使阀芯紧贴阀孔内壁，使阀芯运动时受到摩擦力的作用。摩擦力的计算公式为：

1-4 4）弹簧力

在液压阀中，弹簧的应用极为普遍。与弹簧相接处的阀芯及其他构件所受的弹簧力为

1-5

式中—弹簧刚度；—弹簧顶压缩量；—弹簧变形量。

4.1.2.2 液压滑阀中液压卡紧力的分析计算

1）液压滑阀中液压卡紧力的产生原因

液压滑阀中液压卡紧力的产生有两方面的原因:液压卡紧和机械卡紧两大类。

①液压卡紧

液压卡紧的来源主要有以下几点:阀芯因加工误差而产生偏心,阀芯受到径向不平衡力的作用,使偏心距越来越大,直到阀芯与阀孔卡紧；由于装配误差，或者颗粒状污染物质凝聚楔入阀孔与阀芯的间隙，使阀芯在阀孔中歪斜放置，产生很大径向不平衡力和转矩；在加工或工序间转移过程中，将阀芯碰伤，有局部凸起及残留毛刺，这时凸起部分背后的液流造成较大的压降，产生一个凸起部分向阀孔的力矩;加工环形槽中有时环形槽与阀芯不同心,或者由于淬火变形，造成磨损后环形槽深浅不一，这样亦会产生径向不平衡力导致液压卡紧。

②机械卡紧

机械卡紧的原因主要包括：阀芯、阀孔加工误差；油液中积极分子吸附作用；油液中杂质楔入配合间隙；滑阀移动时的附加阻力等。

2）液压滑阀中液压卡紧力的计算

图液压滑阀卡紧力各参数示意图

在图2-2所示阀孔和具有锥度长为L的阀芯间隙中任意任意圆周角处间隙高度有如下关系：

任意h处压力计算公式为

在圆周单位宽度上作用力为

为求阀芯所受作用力，在圆周方向取微元长如图所示，则压向偏心侧的微元压力为

注意到关系式

式中，——阀孔与阀芯同心时进出口间隙高度；

——偏心距；

——自间隙最大处算起的角度。

阀芯所受压向偏心侧总作用力为