工学液压流体力学基础.pptx
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1、会计学1工学液压流体力学基础工学液压流体力学基础3.1 3.1 液体静液体静液体静液体静力学力学力学力学 液体静力学研究液体静力学研究静止液体的力学规律静止液体的力学规律静止液体的力学规律静止液体的力学规律和这些规律的和这些规律的实际应用。这里所说的静止液体是指液体实际应用。这里所说的静止液体是指液体内部质点间没内部质点间没内部质点间没内部质点间没有相对运动有相对运动有相对运动有相对运动,因此液体,因此液体不显示粘性不显示粘性不显示粘性不显示粘性。一、压力及其性质一、压力及其性质一、压力及其性质一、压力及其性质l l 质量力(重力、惯性力)质量力(重力、惯性力)质量力(重力、惯性力)质量力(重
2、力、惯性力)l l 表面力(法向力、切向力)表面力(法向力、切向力)表面力(法向力、切向力)表面力(法向力、切向力)单位质量液体所受的质量力称为单位质量力,数值单位质量液体所受的质量力称为单位质量力,数值上等于加速度。质量力上等于加速度。质量力作用于液体的所有质点。作用于液体的所有质点。静止静止液体内部无切向应力(即粘性力),只有法向应液体内部无切向应力(即粘性力),只有法向应力(即压力)。力(即压力)。第1页/共100页液体静压力的定义:液体静压力的定义:液体静压力的定义:液体静压力的定义:静止液体在静止液体在单位面积上所受的法向应力单位面积上所受的法向应力单位面积上所受的法向应力单位面积上
3、所受的法向应力在液在液压传动中称为压传动中称为压力压力压力压力,在物理学中则称为压强。,在物理学中则称为压强。若法向力若法向力F F 均匀地作用在面积均匀地作用在面积A A上,则压力可上,则压力可表示为:表示为:3.1 3.1 液体静力学液体静力学液体静力学液体静力学第2页/共100页3.1 3.1 液体静力学液体静力学液体静力学液体静力学液体静压力的特性:液体静压力的特性:液体静压力的特性:液体静压力的特性:l 液体静压力液体静压力垂直于承压面垂直于承压面垂直于承压面垂直于承压面,其方向和该面的内法其方向和该面的内法线方向一致。线方向一致。l 静止液体中任何一点所受到静止液体中任何一点所受到
4、各个方向的压力都各个方向的压力都各个方向的压力都各个方向的压力都相等相等相等相等。如果液体中某一点所受到的各个方向的压力如果液体中某一点所受到的各个方向的压力不相等,那么在不平衡力作用下,液体就要流动,不相等,那么在不平衡力作用下,液体就要流动,这样就破坏了液体静止的条件这样就破坏了液体静止的条件 第3页/共100页二、重力作用下静止液体压力分布二、重力作用下静止液体压力分布二、重力作用下静止液体压力分布二、重力作用下静止液体压力分布液体静压力基本方程液体静压力基本方程液体静压力基本方程液体静压力基本方程式中:式中:ghA为小液柱的重力为小液柱的重力 液体的密度液体的密度上式化简后得:上式化简
5、后得:p=pp=p00+gh gh pA=p0 A+gh A3.1 3.1 液体静力学液体静力学液体静力学液体静力学第4页/共100页l 静止液体中任意点的静压力是静止液体中任意点的静压力是液体表面上的压力液体表面上的压力液体表面上的压力液体表面上的压力和和液柱重力液柱重力液柱重力液柱重力所产生的压力之和。所产生的压力之和。l 同一容器同一液体中的静压力随着深度同一容器同一液体中的静压力随着深度h的增加的增加线性线性线性线性地地增加。增加。3.1 3.1 液体静力学液体静力学液体静力学液体静力学液体静压力基本方程液体静压力基本方程 p=pp=p0 0+ghgh反映了在重力作用下静止液体中的压力
6、分布规律。反映了在重力作用下静止液体中的压力分布规律。l 离液面深度相同处各点的离液面深度相同处各点的压力均相等,压力相等的点压力均相等,压力相等的点组成的面叫组成的面叫等压面等压面等压面等压面。第5页/共100页液体静压力基本方程的另一形式液体静压力基本方程的另一形式p=p0+gh=p0+g(z0-z)3.1 3.1 液体静力学液体静力学液体静力学液体静力学即即物理意义:物理意义:物理意义:物理意义:静止液体内任何一点具有压力能和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,即能位能两种能量形式,且其总和保持不变,即能量守恒。量守恒。压力能压力能压力能压力能 位能位能位能
7、位能zz0p第6页/共100页液体静压力基本方程应用液体静压力基本方程应用液体静压力基本方程应用液体静压力基本方程应用例例1:如图所示容器内盛油液。已知油的密度:如图所示容器内盛油液。已知油的密度=900kg/m3,活塞上的作用力活塞上的作用力F=1000N,活塞的面积,活塞的面积A=110-3m2,假设,假设活塞的重量忽略不计。问活塞下方深度为活塞的重量忽略不计。问活塞下方深度为h=0.5m处的压力处的压力等于多少?等于多少?解解解解:活塞与液体接触面上的压力均匀活塞与液体接触面上的压力均匀分布,有分布,有3.1 3.1 液体静力学液体静力学液体静力学液体静力学第7页/共100页 从上例可以
8、看出,液体在受外界压力作用的情况下,从上例可以看出,液体在受外界压力作用的情况下,液体自重所形成的那部分压力液体自重所形成的那部分压力液体自重所形成的那部分压力液体自重所形成的那部分压力 ghgh相对甚小,相对甚小,相对甚小,相对甚小,在液压系统中常可忽略不计在液压系统中常可忽略不计在液压系统中常可忽略不计在液压系统中常可忽略不计,因而可近似认为整个液体内部的压力是相等的。以后我们在分析液压系统的压力时,一般都采用这种结论。,因而可近似认为整个液体内部的压力是相等的。以后我们在分析液压系统的压力时,一般都采用这种结论。3.1 3.1 液体静力学液体静力学液体静力学液体静力学第8页/共100页
9、三、压力的表示方法三、压力的表示方法三、压力的表示方法三、压力的表示方法3.1 3.1 液体静力学液体静力学液体静力学液体静力学=高于大气压的部分高于大气压的部分pu=gh等等于于大大气气压压力力+相相对对压压力力=大气压力大气压力-绝对压力绝对压力第9页/共100页l法定单位法定单位 :牛顿牛顿/米米2 2(N/m(N/m2 2)即帕(即帕(PaPa)1 MPa=101 MPa=106 6 PaPal单位换算单位换算:1Bar=101Bar=105 5Pa=0.1MPaPa=0.1MPa 1 1工程大气压(工程大气压(atat)=1=1公斤力公斤力/厘米厘米2 2(kgf/mkgf/m2 2
10、)10105 5帕帕=0.1 MPa=0.1 MPa 1 1米水柱(米水柱(mHmH2 20 0)=9.810=9.8103 3PaPa 1 1毫米汞柱(毫米汞柱(mmHgmmHg)=1.3310=1.33102 2Pa Pa 压力的计量单位压力的计量单位压力的计量单位压力的计量单位3.1 3.1 液体静力学液体静力学液体静力学液体静力学第10页/共100页四、帕斯卡原理(静压传递原理)四、帕斯卡原理(静压传递原理)四、帕斯卡原理(静压传递原理)四、帕斯卡原理(静压传递原理)密密密密封封封封容容容容器器器器内内的的液液体体,其其外外加加压压力力p p0 0发发生生变变化化时时,只只要要液液体体
11、仍仍保保持持其其原原来来的的静静静静止止止止状状状状态态态态不不变变,液液体体中中任任一一点点的的压压力力均均将将发发生生同同样样大大小小的的变变化化。也也就就是是说说,在在在在密密密密封封封封容容容容器器器器内内内内,施施施施加加加加于于于于静静静静止止止止液液液液体体体体上上上上的的的的压压压压力力力力将将将将以以以以等等等等值值值值传传传传递递递递到到到到液液液液体体体体中中中中所所所所有有有有各各各各点点点点,这这就就是是帕帕斯卡原理或静压传递原理。斯卡原理或静压传递原理。3.1 3.1 液体静力学液体静力学液体静力学液体静力学1717世纪世纪世纪世纪第11页/共100页帕斯卡原理(静
12、压传递原理)帕斯卡原理(静压传递原理)帕斯卡原理(静压传递原理)帕斯卡原理(静压传递原理)3.1 3.1 液体静力学液体静力学液体静力学液体静力学 根根据据帕帕斯斯卡卡原原理理和和静静压压力力的的特特性性,液液压压传传动动不不仅仅可可以以进进行行力力力力的的的的传传传传递递递递,而而且且还还能能将将力力力力放放放放大大大大和改变力的方向和改变力的方向和改变力的方向和改变力的方向。实例实例实例实例第12页/共100页 如如果果垂垂直直液液压压缸缸的的活活塞塞上上没没没没有有有有负负负负载载载载,即即F F1 1=0=0,则则当当略略去去活活塞塞重重量量及及其其他他阻阻力力时时,不不论论怎怎样样推
13、推动动水水平平液液压压缸的活塞也缸的活塞也不能在液体中形成压力不能在液体中形成压力不能在液体中形成压力不能在液体中形成压力。这这说说明明液液压压系系统统中中的的压压压压力力力力是是是是由由由由外外外外界界界界负负负负载载载载决决决决定定定定的的的的,这是液压传动的一个基本概念。这是液压传动的一个基本概念。3.1 3.1 液体静力学液体静力学液体静力学液体静力学第13页/共100页五、液体静压力对固体壁面的作用力五、液体静压力对固体壁面的作用力五、液体静压力对固体壁面的作用力五、液体静压力对固体壁面的作用力l 当承受压力的固体壁面为当承受压力的固体壁面为平面平面平面平面F=p.Al 当承受压力的
14、固体壁面为当承受压力的固体壁面为曲面曲面曲面曲面Fx=p.Ax3.1 3.1 液体静力学液体静力学液体静力学液体静力学pAAxpx x第14页/共100页例:某安全阀阀心为圆锥形,阀座孔例:某安全阀阀心为圆锥形,阀座孔d=10mm,阀心最大直径,阀心最大直径D=15mm。当油液压力。当油液压力p1=8MPa时,压力油克服弹簧力顶开阀时,压力油克服弹簧力顶开阀心而溢流,出油腔有背压心而溢流,出油腔有背压p2=0.4MPa。试求阀内弹簧的预紧力。试求阀内弹簧的预紧力。解解解解:阀心受阀心受p p1 1作用向上的力为:作用向上的力为:阀心受阀心受p p2 2作用向下的力为:作用向下的力为:阀心受力平
15、衡方程式:阀心受力平衡方程式:3.1 3.1 液体静力学液体静力学液体静力学液体静力学第15页/共100页小结小结小结小结n n液体静压力及其特性液体静压力及其特性n n静压力基本方程及其应用静压力基本方程及其应用n n压力的表示方法压力的表示方法 相对压力、绝对压力、相对压力、绝对压力、真空度真空度n n帕斯卡原理帕斯卡原理第16页/共100页ll研究内容研究内容研究内容研究内容:研究液体运动和引起运动的原因,即研究液体流动时研究液体运动和引起运动的原因,即研究液体流动时流量流量流量流量(流速流速流速流速)和和压力压力压力压力之间的关系(或液压传动两个基本参数的变化规律)之间的关系(或液压传
16、动两个基本参数的变化规律)主要讨论主要讨论:动力学三个基本方程动力学三个基本方程连续方程、能量方程、动量方程连续方程、能量方程、动量方程连续方程、能量方程、动量方程连续方程、能量方程、动量方程3.2 3.2 液体动力学液体动力学液体动力学液体动力学第17页/共100页l 理想液体理想液体理想液体理想液体:是一种假想的没有粘性、不可压缩的液体。:是一种假想的没有粘性、不可压缩的液体。实际液体实际液体实际液体实际液体:则既有:则既有粘性粘性粘性粘性又又可压缩可压缩可压缩可压缩。l 恒定流动恒定流动恒定流动恒定流动(稳定流动、定常流动)(稳定流动、定常流动)指液体运动参数仅是空间坐标的函数,不随时间
17、的变指液体运动参数仅是空间坐标的函数,不随时间的变化,即在任何时间内,通过空间化,即在任何时间内,通过空间某一固定点的各液体质点某一固定点的各液体质点某一固定点的各液体质点某一固定点的各液体质点的速度、压力和密度等参数都保持某一常数的速度、压力和密度等参数都保持某一常数的速度、压力和密度等参数都保持某一常数的速度、压力和密度等参数都保持某一常数。l 一维流动一维流动一维流动一维流动 液体整体作线形流动,即运动参数(流速、压力、密液体整体作线形流动,即运动参数(流速、压力、密度等)只是一个坐标的函数,则称为一维流动。度等)只是一个坐标的函数,则称为一维流动。3.2 3.2 液体动力学液体动力学液
18、体动力学液体动力学基本概念一基本概念一基本概念一基本概念一第18页/共100页3.2 3.2 液体动力学液体动力学液体动力学液体动力学连续性方程连续性方程连续性方程连续性方程流动情况可分恒定流动和非恒定流动流动情况可分恒定流动和非恒定流动流动情况可分恒定流动和非恒定流动流动情况可分恒定流动和非恒定流动第19页/共100页l 流线流线流线流线:是同一瞬时流场中一条条标志各质点运动状态:是同一瞬时流场中一条条标志各质点运动状态的曲线,流线上每个质点的的曲线,流线上每个质点的速度向量速度向量速度向量速度向量与这条曲线相切。与这条曲线相切。3.2 3.2 液体动力学液体动力学液体动力学液体动力学基本概
19、念二基本概念二基本概念二基本概念二 对于对于恒定流动恒定流动恒定流动恒定流动,流线形状,流线形状不随时间变化。流线不随时间变化。流线不能相交,不能相交,不能相交,不能相交,也不能转折也不能转折也不能转折也不能转折,它是一条条光滑,它是一条条光滑的曲线。的曲线。l 流管流管流管流管:是沿任意封闭曲线(不属于流线)上的每一点:是沿任意封闭曲线(不属于流线)上的每一点作曲线,由这些流线组成的表面。作曲线,由这些流线组成的表面。第20页/共100页l 流束流束流束流束:流管内的流线群。:流管内的流线群。3.2 3.2 液体动力学液体动力学液体动力学液体动力学基本概念二基本概念二基本概念二基本概念二 恒
20、定流动时,流束的形状不随时间改变;恒定流动时,流束的形状不随时间改变;流体质点不能穿过流束表面流入或流出;流体质点不能穿过流束表面流入或流出;流束是一个流束是一个物理概念物理概念物理概念物理概念,具有一定的质量和能量;,具有一定的质量和能量;由于微小流束的横断面很小,所以在此截面上各点的运由于微小流束的横断面很小,所以在此截面上各点的运动参数可视为相同。动参数可视为相同。流束的特性:流束的特性:第21页/共100页l l 通流截面通流截面通流截面通流截面:流束中与所有流线正交的截面(垂直于液:流束中与所有流线正交的截面(垂直于液体流动方向的截面)体流动方向的截面)l l 流量流量流量流量:单位
21、时间内流过某通流截面的液体体积。:单位时间内流过某通流截面的液体体积。3.2 3.2 液体动力学液体动力学液体动力学液体动力学基本概念三基本概念三基本概念三基本概念三l l 平均流速平均流速平均流速平均流速:是假想的液体运动速度,认为通流截面上所:是假想的液体运动速度,认为通流截面上所有各点的流速均等于该速度,以此流速通过通流截面的流有各点的流速均等于该速度,以此流速通过通流截面的流量恰好等于以量恰好等于以实际不均匀的流速实际不均匀的流速实际不均匀的流速实际不均匀的流速所通过的流量。所通过的流量。第22页/共100页l l 流动液体的压力流动液体的压力流动液体的压力流动液体的压力:静止液体静止
22、液体静止液体静止液体内任意点处的压力各个方向上都是内任意点处的压力各个方向上都是相等相等相等相等的。的。流动液体流动液体流动液体流动液体内,由于惯性力和粘性力的影响,任意点处在内,由于惯性力和粘性力的影响,任意点处在各个方向上的各个方向上的压力不相等压力不相等压力不相等压力不相等。3.2 3.2 液体动力学液体动力学液体动力学液体动力学基本概念四基本概念四基本概念四基本概念四第23页/共100页3.2 3.2 液体动力学液体动力学液体动力学液体动力学1 1连续方程连续方程连续方程连续方程 上式为液流的上式为液流的流量连续性方程流量连续性方程流量连续性方程流量连续性方程,说明通过流,说明通过流管
23、各截面的流量是相等的,流速则与流通截面面管各截面的流量是相等的,流速则与流通截面面积成反比。积成反比。理想液体在管道中恒定流动时理想液体在管道中恒定流动时根据根据质量守恒定律质量守恒定律质量守恒定律质量守恒定律 ,液体在管,液体在管道内既不能增多,也不能减少。道内既不能增多,也不能减少。第26页/共100页例例8:如如图图所所示示为为相相互互连连通通的的两两个个液液压压缸缸,已已知知大大缸缸内内径径D=100mm,小小缸缸内内径径d=20mm,大大活活塞塞上上放放上上质质量量m=5000kg的的物物体体。问问:1.在在小小活活塞塞上上所所加加的的力力F有有多多大大才才能能使使大大活活塞塞顶顶起
24、起重重物物?2.若小活塞下压速度为若小活塞下压速度为0.2m/s,试求大活塞上升速度?,试求大活塞上升速度?解:解:解:解:1.根据帕斯卡原理,由外力产生根据帕斯卡原理,由外力产生的压力在两缸中相等,即:的压力在两缸中相等,即:故为了顶起重物应在小活塞上加力故为了顶起重物应在小活塞上加力为:为:第27页/共100页2.由连续定理:由连续定理:q=Av v=常数得出:常数得出:故大活塞上升速度:故大活塞上升速度:例例8:如如图图所所示示为为相相互互连连通通的的两两个个液液压压缸缸,已已知知大大缸缸内内径径D=100mm,小小缸缸内内径径d=20mm,大大活活塞塞上上放放上上质质量量m=5000k
25、g的的物物体体。问问:1.在在小小活活塞塞上上所所加加的的力力F有有多多大大才才能能使使大大活活塞塞顶顶起起重重物物?2.若小活塞下压速度为若小活塞下压速度为0.2m/s,试求大活塞上升速度?,试求大活塞上升速度?第28页/共100页例例:如如图图所所示示,液液压压泵泵以以Q25L/min的的流流量量向向液液压压缸缸内内径径D50mm,活活塞塞杆杆直直径径d30mm,油油管管直直径径d1d215mm,试试求求活塞的运动速度活塞的运动速度v及油液在进、回油管中的流速及油液在进、回油管中的流速v1和和v2。由由进进入入液液压压缸缸的的流流量量可可求求得得活活塞塞运动速度:运动速度:进油管流速:进油
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