第二章 液压与气压传动流体力学基础

2．1 液体静力学

一、 液体的压力

作用在液体上的力：质量力、表面力。

质量力：与液体质量有关并且作用在质量中心上的力称为质量力；

表面力：与液体表面面积有关并且作用在液体表面上的力称为表面力；

应力：法向应力、切向应力。

在液压技术工程上，单位面积上所受的内法向力简称为压力。

二、 静止液体中的压力分布

在重力作用下的静止液体，其压力分布特点：

静止液体内任一点处的压力都由两部分组成：液面上的压力p；该点以上液体自重所形成的压力。静止液体内的压力p随液体深度h呈直线规律分布。

距液面深度h相同的各点组成了等压面，这个等压面为一水平面

三、压力的表示方法和单位

1、压力的表示

有两种表示方法：绝对压力、相对压力。

绝对压力：以绝对真空为基准

相对压力：以大气压为基准

真 空 度：比大气压小的那部分数值

绝对压力＝大气压力 + 表压力

表 压 力＝绝对压力 - 大气压力

真 空 度＝大气压力 - 绝对压力

2、压力的单位：

单位面积液体上，作用的垂直负载

四、静止液体中的压力传递

帕斯卡(Pascal)定理： 在密闭容器内，施加于静止液体上的压力将以相等的数值，传到液体的各点。

缸筒中的压力是由外界负载决定的，这是液压传动中的一个基本概念。

一处泄漏，系统失压

五、液体静压力作用在固体壁面上的力

2．2 液体动力学

一、基本概念

1、理想液体、定常流动和一维流动

2、流线、流管和流束

流线：流线是流场中一条一条的曲线，它表示同一瞬时流场中各质点的运动状态

流管：在流场中给出一条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

流束：流管内的流线群

3、通流截面、流量和平均流速

通流截面（过流断面）：在流束中与所有流线正交的截面；

流量：在单位时间内流过某一通流截面的液体体积，以q来表示，单位为M3/S 或L/min；

二、液体的流动状态

液体在管道中流动时有两种流动状态：层流和紊流（湍流）。

三、流体连续性方程

不可压缩液体的流动过程也遵守质量守恒定律。

v1A1=v2A2

由于通流截面是任意取的，则有：

q =v1A1=v2A2=……=vnAn=常数

四、伯努利方程

物理意义：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式，在任一截面上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。

五、流体动量方程

2．3 液体流动时的压力损失

一、液体的流动状态

液体在管道中流动时有两种流动状态：层流和紊流（湍流）。

二、沿程压力损失

在管道内液体的层流压力损失分析：

1）取微圆柱体

2）液体压力与液体摩擦力受力平衡

3) 求得速度表达式

4）求得流量表达式

三、局部压力损失

依靠实验来确定。局部压力损失Δpξ的计算公式有如下形式：

四、管路系统总压力损失

整个管路系统的总压力损失应为所有沿程压力损失和所有局部压力损失之和

2．4 液流流经孔口和缝隙的流量

孔口根据它们的长径比可分为三种：

当孔口的长径比l/d＜0.5时，称为薄壁孔；

当孔口的长径比0.5＜l/d＜4时，称为短孔；

当孔口的长径比l/d＞4时，称为细长孔。

二、缝隙流量

1、平行平板缝隙流量

液体在平行平板缝隙中的流量为：

2、圆环缝隙流量

2．5 气体静力学

一、理想气体状态方程

没有粘性的假想气体称为理想气体，理想气体状态方程如下

二、热力学第一定律

所谓热力学第一定律就是能量守恒定律在热力学中的表现形式。在气体的状态发生变化时，热能作为一种能量形式可以与其它形式的能量相互转化。

热力学第一定律指出：在任一过程中，系统所吸收的热量，在数值上等于该过程中系统内能的增量与对外界作功的总和。

三、静止气体状态变化

1、等容状态过程

2、等压状态过程

3、等温状态过程

4、绝热状态过程

5、多变状态过程

2.6 气体动力学

一、气体流动的基本概念

自由空气是指处于自由状态（1标准大气压）下的空气

二、气体流动的基本方程

根据质量守恒定律，气体在管道内作恒定流动时，单位时间内流过管道任一通流截面的气体质量都相等

三、音速和气体在管道中的流动特性

1、音速

声音是由于物体的振动引起周围介质（如空气、液体）的密度和压力的微小变化而产生的。

2、马赫数

马赫数：气流速度 v与当地声速 c之比称为马赫数，用符号 M表示

3、气体在变截面管道中的亚音速和超音速流动

四、气体管道的阻力计算

空气管道中由于流速不大，流动过程中来得及与外界进行热交换，因此温度比较均匀，一般作为等温过程处理。

五、气体的通流能力

1、有效截面积

气体流经节流口A0时，气体流束收缩至最小断面处的流束面积S叫做有效截面积。有效截面积S与流道面积A0之比称为收缩系数

2、流量

六、充放气参数的计算

2．7 空穴现象和液压冲击

一、空穴现象

在流动的液体中，如果某处的压力低于空气分离压时，原先溶解在液体中的空气就会分离出来，从而导致液体中出现大量的气泡，这种现象称为空穴现象

二、液压冲击

在液压传动系统中，常常由于一些原因而使液体压力突然急剧上升，形成很高的压力峰值，这种现象称为液压冲击。

第二章 液压与气压传动流体力学基础 5课时