第二章 流体力学

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面,在重力作用下静止液体中的等压面为一水平面。
3、压力的表示方法和计量单位
【表示方法】 ★绝对压力:以绝对真空为基准来度量的压力,
称为绝对压力。 ★相对压力(表压力):以大气压力为基准来
度量的压力,称为相对压力。 ★真空度:绝对压力小于大气压时,比大气压
力小的那部分数值,称为真空度。
【单位】压力的法定计量单位为:Pa(帕,N/m2) 在液压传动中,因Pa 的单位太小,故一般用MPa( N/mm2) 1MPa = 1×106 Pa
【注意】上式为矢量方程,使用时应根据具体情况将式中的各个矢 量分解为指定方向的投影值。如:ΣFx =ρqv(β2v2x—β1v1x)。 液流对通道固体壁面的作用力F′= - ΣF ,称为稳态液动力。
第三节 液体流动时的压力损失
压力损失分为两类:沿程压力损失和局部压力损失。
压力损失与液体的流动状态有关 。 一、两种流态和雷诺数
【公式】 p1+ρgh1+1/2ρv12 = p2+ρgh2+1/2ρv22 或写成: p+ρgh+1/2ρv2 = 常数 若将方程两边均除以ρg,则变为:p/(ρg) + h + v2/(2g) = 常数 其中各项分别称为:比压能p/(ρg)、比位能h、比动能v2/(2g)。
2、实际液体的伯努利方程
[ 过去使用的单位有bar(巴)、工程大气压at(kgf/cm2)、标准大气压 atm、水柱高(mH2O)、汞柱高(mmHg)等。
1bar = 1×105 N/m2 = 1×105Pa = 1.02 kgf/cm2 = 1.02at = 0.987atm]
4、静止液体内压力的传递 【举例】例2-1
b) 取M-M为等压面,则在同一液体的相同水平面M-M上其压力应相等,
则U形管内汞柱的受力情况为
U形管右边:pM = pa(用绝对压力表示) U形管左边:pM = pA +ρoilgh2+ρHg gh1
所以,pa = pA +ρoilgh2+ρHg gh1 A处的绝对压力:pA = pa -(ρoilgh2+ρHg gh1)
【特征】 ⑴ 静止液体内任一点处的压力都有两部分组成:一部分是液面上的
压力p0,另一部分是该点以上液体自重所形成的压力,即ρg与该 点离液面深度h的乘积。当液面上只受大气压力pa作用时,液体内 任一点处的压力为
p = pa+ρgh ⑵ 静止液体内的压力随液体深度变化呈直线规律分布。 ⑶ 离液面深度相同处各点压力都相等。压力相等的各点组成了等压
四、动量方程 动量方程是刚体力学中的动量定律在流体力学中的具体应用。
动量方程是用来分析流动液体与限制其流动的固体壁面间的相互作 用力的大小及其方向的。
【公式】 ΣF =ρqv(β2v2—β1v1)
式中:ΣF —— 作用在液体上所有外力的矢量和; v1、v2 —— 液流在前后两个过流断面上的平均流速矢量。 β1、β2 —— 动量修正系数,紊流时β= 1,层流时β= 1.33,为简化计算,通常均取β= 1; ρ、qv —— 分别为液体的密度和流量。
第二章 液压传动的流体力学基础
第一节 流体静力学基础 第二节 流体动力学基础 第三节 液体流动时的压力损失 第四节 液体流经小孔和缝隙的流量 第五节 液压冲击和空穴现象
第二章 液压传动的流体力学基础
【教学目的】 通过学习液体静力学、液体动力学和压力损失的计算,掌握液体压
力、压力的表示方法及力的计算方法,熟悉掌握流量、流速、压力损失 的计算,为元件的结构及油路的分析提供依据。
【结论】在密闭容器内,施加于静止液体的压力 将以等值传递到液体内各点。 —— 静压传递原理(帕斯卡原理)
根据帕斯卡原理,容器内液体各点的压力:p = p0 = F/A 即压力p与负载F 成正比关系。 当F = 0时(若略去活塞重量和其它阻力时),p = F/A = 0 【重要概念】液体内的压力是由外负载形成的,即压力决定于负载。
= 0.101325×106-860×9.81×0.2-13.6×103×9.81×0.1 =0.086296×106 Pa
A处的真空度:pa -pA = 0.101325×106-0.086296×106 = 0.015029×106 Pa
第二节 流体动力学基础
流体动力学主要讨论液体的流动状态、运动规律、能量转换 以及流动液体与固体壁面的相互作用力等问题。本节主要论述三个 基本方程——连续性方程、伯努利方程、动量方程。这三个方程是 描述流动液体力学规律的三个基本方程式。前两个方程式是用来解 决压力、流速、流量之间的关系,后一个方程式用来解决流动液体 与固体壁面间的作用力问题。故这三个方程式是液压传动中分析问 题和设计计算的基础。
当液流的实际雷诺数Re小于临界雷诺数Re′时,为层流;反之, 为紊流。
雷诺数的物理意义:雷诺数是液流的惯性力与粘性力的无量纲 比值。当雷诺数较大时,说明惯性力起主导作用,这时液体处于紊 流状态;当雷诺数较小时,说明粘性力起主导作用,这时液体处于 层流状态。
对于非圆截面的管道,Re可用下式计算: Re = dHv/υ (或Re = 4vR/υ)
U 形管内汞柱的受力情况为 U形管左边:pM = pA (用相对压力表示) U形管右边:pM =ρHg gh
即:pA =ρHg gh 水银柱高:h = pA /(ρHg g)
= 0.101325×106/(13.6×103×9.81) = 0.7595m = 760mm 一个工程大气压,1at = 0.0981×106Pa , 水柱高:h = pA /(ρW g) = 0.0981×106/(1000×9.81) = 10m
一、基本概念 ★理想液体——一般把既无粘性又不可压缩的假想液体称为理想液体。 ★实际液体——把事实上的既有粘性又具有可压缩性的液体称为实际 液体。 ★恒定流动——液体流动时,若液体中任一点处的压力、速度和密度 都不随时间而变化,则这种流动称为恒定流动(亦称 稳定流动或定常流动)。 ★非恒定流动——液体流动时,若液体中任一点处,只要压力、速度 或密度中有一个随时间变化,就称非恒定流动。
【教学重点】 液压作用力、流量、流速的计算;连续性方程、伯努利方程。
【教学难点】 压力损失的计算。
第一节 流体静力学基础
流体力学是研究液体平衡和运动规律的一门学科。 流体静力学主要讨论液体在静止时的平衡规律以及这些规律在工 程上的应用。 所谓“液体是静止的”,指的是液体内部质点之间没有相对运动, 至于液体整体是静止的或是运动的,都没有关系。
Re = vd/υ
v ——管路中液体的平均流速,m/s d ——圆管内径,m υ——液体的运动粘度,m2/s
这就是说,液流的雷诺数Re如果相同,它的流动状态也就相同。
实验证明,液流由层流转变为紊流时的雷诺数大于由紊流转 变为层流时的雷诺数,一般将紊流转变为层流时的雷诺数(小者) 作为判别液流状态的依据,称为临界雷诺数,记作Re′。
dH —— 通流截面的水力直径。(R为水力半径) dH = 4A/x (R = A/x)
A —— 通流截面的面积 x —— 湿周长度,为有效截面上与液体相接触的管壁周长。
二、沿程压力损失 【定义】液体在等径直管中流动时因粘性摩擦而产生的压力损失, 称为沿程压力损失。 【公式】
Δpλ = λ(l/d)(ρv2/2)
【公式】 p1+ρgh1+1/2ρα1v12 = p2+ρgh2+1/2ρα2v22+ΔPW
式中:动能修正系数α1 、α2的值,当紊流时α=1,层流时α=2。
【注意】应用伯努利方程时必须注意: ⑴ 断面1,2需顺流向选取(否则ΔPW为负值),且应选在缓变的 过流断面上。 ⑵ 断面中心在基准面以上时,h 取正值,反之取负值。通常选取 特殊位置的水平面作为基准面。
层流和紊流是两种不同性质的流态。层流时,液体流速较低, 质点受粘性制约,不能随意运动,粘性力起主导作用;但在紊流时, 因液体流速较高,粘性的制约作用减弱,因而惯性力起主导作用。 液体流动时究竟是层流还是紊流,须用雷诺数来判别。
实验证明,液体在圆管中的流动状态不仅与管内的平均流速v 有关,还与管径d、液体的运动粘度υ有关。但是真正决定液流状 态的,却是这三个参数所组成的一个称为雷诺数Re的无量纲纯数, 即
若U形管内为水,当压力为一个工程大气压(1at = 0.0981×106Pa) 时,水柱高h为多少?
b、图b中,U形管内为汞,容器内为油液,已知h1=0.1m , h2= 0.2m, U形管右边和标准大气压相通,试计算A处的绝对压力和真空度。
解: a)由等压面的概念可知,在同一液体的M-M平面上其压力应相等,则
【举例】例2-2
由该例可知,液压装置具有力的放大作用。 液压千斤顶即利用此原理。
5、液体静压力对固体壁面的作用力
★当固体壁面为一平面时,液体压力在该平面上的总作用力F等于液体 压力p 与该平面面积A的乘积,其作用方向与该平面垂直。即
F = pA。
★当固体壁面为一曲面时,液体压力在该曲面某x方向上的总作用力Fx 等于液体压力p与曲面在该方向投影面积Ax的乘积,即 Fx = pAx
液体流动时,有两种不同的流动状态——层流和紊流(湍流)。 英国学者雷诺采用实验的形式观察了液体在圆管中的流动状态。 (雷诺实验)
实验结果表明,层流时, 液体质点互不干扰,液体的 流动呈线性或层状,且平行 于管道轴线;而紊流时,液 体质点的运动杂乱无章,除 了平行于管道轴线的运动外, 还存在着剧烈的横向运动。
通流截面(或称过流断面)(图中的A、B)
★体积流量——单位时间内流过某一通流截面的液体体积称为体积 流量(简称流量)。用qv表示。即 qv = V/ t 单位为m3/s 或L/min
★质量流量——单位时间内流过某一通流截面的液体质量称为质量 流量。用qm表示。即 qm = ρqv
★平均流速——流过某通流截面的流量qv与该通流截面的面积A之 比,称为该通流截面上的平均流速。用v表示,即
【举例】
如图所示为U形管测压计。已知汞的密度为:ρHg = 13.6×103kg/m3; 油的密度为ρoil= 860 kg/m3;水的密度为ρw= 1×103kg/m3
a、图a中U形管内为汞,不计管道内油液自身的重量,当管内相对压力 为一个标准大气压(1atm = 0.101325×106Pa)时,汞柱高h为 多少?
v = qv/A
二、连续性方程
连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的一种表达形式。 【分析】qm1 = qm2 (流入=流出)
【公式】
v1A1 =v2A2
或写成 qv = v A = 常数
——液流的连续性方程
【结论】理想液体在管道内作恒定流动时,流过各个断面的流量是相等 的(即流量是连续的);流速和过流断面面积成反比。
λ——沿程阻力系数。 层流时,理论值为λ=64/Re,在实际使用中要稍大些,对于金 属管道λ=75/Re,橡胶软管λ=80/Re。
★一维流动——当液体整个地作线形流动时,称为一维流动。 ★二维流动——当液体作平面流动时,称为二维流动。 ★三维流动——当液体作空间流动时,称为三维流动。
★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。
★流束——流线群(即流线的集合) ★通流截面——液体在管道中流动时,其垂直于流动方向的截面称为
【注意】液体分流、集流时,流入节点的流量等于流出节点的流量。 Σqv入=Σqv出
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三、伯努利方程
伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的一种表达形式。 1、理想液体的伯努利方程(能量方程) 【物理意义】在密闭管道内作恒定流动的
理想液体具有三种形式的能量,即 压力能、位能、动能。在流动过程 中,三种能量可以相互转化,但各个 过流断面上三种能量之和恒为定值。
1、液体的压力及其性质 【定义】液体在单位面积上所受的法向力称为压力。 用 “p”表示。
p = F/A
F——法向力 A——承压面积
【性质】静止液体的压力有如下特性: ⑴ 液体的压力沿着内法线方向作用于承压面。 ⑵静止液体内任一点的压力在各个方向上都相等。
2、重力作用下静止液体中的压力分布
【分析】如图所示 根据平衡原理得: p·ΔA = p0·ΔA + G p·ΔA = p0·ΔA +ρghΔA ∴ p = p0 +ρgh ——液体静力学基本方程式
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