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液压传动教程1-液压基础知识(4)

2021-12-08    作者:未知    来源:

4.流动液体的压力
  静止液体内任意点处的压力在各个方向上都是相等的,可是在流动液体内,由于惯性力和粘性力的影响,任意点处在各个方向上的压力并不相等,但数值相差甚微。当惯性力很小,且把液体当作理想液体时,流动液体内任意点处的"力在各个方向上的数值可以看作是相等的。
二、连续性方程
液压传动教程1-液压基础知识 图1
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,如果液体作定常流动,且不可压缩,那么任取一流管(图1-11),两端通流截面面积为液压传动教程1-液压基础知识 图2液压传动教程1-液压基础知识 图3,在流管中取一微小墒,流束两端的截面积分别为液压传动教程1-液压基础知识 图4液压传动教程1-液压基础知识 图5,在微小截面上各点的速度可以认为是相等的汕曳直鹞液压传动教程1-液压基础知识 图6液压传动教程1-液压基础知识 图7。根据质量守恒定律,在dt时间内流人此微小流束的质量应等于从晌⑿×魇流出的质量,故有
液压传动教程1-液压基础知识 图8

液压传动教程1-液压基础知识 图9
  对整个流管,显然是微小流束的集合,由上式积分得
液压传动教程1-液压基础知识 图10

液压传动教程1-液压基础知识 图11
如用平均速度表示,得
液压传动教程1-液压基础知识 图12
由于两通流截面是任意取的,故有
液压传动教程1-液压基础知识 图13
  上式称为不可压缩液体作定常流动时的连续性方程。它说明通过流管任一通流截面的流量相等。此外还说明当流量一定时,流速和通流截面面积成反比。
三、伯努利方程
   伯努利方程就是能量守恒定律在流动液体中的表现形式。要说明流动液体的能量问题,必须先讲述液流的受力平衡方程,亦即它的运动微分方程。
l.理想液体的运动微分方程
液压传动教程1-液压基础知识 图14
  这就是重力场中,理想液体沿流线作定常流动时的运动方程,即欧拉运动方程。它表示了单位质量液体的力平衡方程。
2.理想液体的伯努利方程
  将上式沿流线积分,便可得到理想液体微小流束的伯努利方程
液压传动教程1-液压基础知识 图15
或对流线上任意两点且两边同除以g可得
液压传动教程1-液压基础知识 图16
  上式即为理想液体作定常流动的伯努利方程。上述两式表明理想液体作定常流动时,沿同一流线对运动微分方程的积分为常数,沿不同的流线积分则为另一常数。这就是能量守恒规律在流体力学中的体现;理想液体作定常流动时,液流中任意截面处液体的总比能(即单位重量液体的总能量)由比压能(液压传动教程1-液压基础知识 图17)、比位能(z),与比动能(液压传动教程1-液压基础知识 图18)组成(均为长度量纲,因此从几何意义上讲可分别称为压力水头、位置水头和速度水头),三者之间可互相转化,但总和1一定值。

  如果流动是在同一水平面内,或者流场中坐标z的变化与其它流动参数相比可以忽略不计,则上式可写成
液压传动教程1-液压基础知识 图19
  该式表明,沿流线压力越低,速度越高。
3.实际液体流束的伯努利方程
  实际液体具有粘性,因此液体在流动时还需克服由于粘性所引起的摩擦阻力,这必然要消耗能量,设因粘性而消耗的能量为,则实际液体微小流束的伯努利方程为
液压传动教程1-液压基础知识 图20
4.实际液体总流的伯努利方程
  用平均流速v代替管流截面积A1或A2上各点处不等的流速u,且令单位时间内截面A处液流的实际动能和按平均流速计算出的动能之比为动能修正系数液压传动教程1-液压基础知识 图21,即
液压传动教程1-液压基础知识 图22
  由上式可知液压传动教程1-液压基础知识 图23>1,与液体流动状态即截面上流速分布有关,流速分布越不均匀,液压传动教程1-液压基础知识 图24值越大,流速分布较均匀时液压传动教程1-液压基础知识 图25值接近于1(层流时液压传动教程1-液压基础知识 图26,紊流时液压传动教程1-液压基础知识 图27)。
  此外,对液体在管流中流动时因粘性摩擦而产生的能量损耗,也用平均能量损耗的概念来处理,即令
液压传动教程1-液压基础知识 图28
则伯努利方程可以写成
液压传动教程1-液压基础知识 图29
  上式就是仅受重力作用的实际液体在管流中作平行(或缓变)流动截面上的伯努利方程。它的物理意义是单位质量液体的能量守恒。其中液压传动教程1-液压基础知识 图30为单位质量液体从截面A1流到截面A2过程中的能量损耗。
  应用伯努利方程时,应注意下述各点。这是因为在推导伯努利方程过程中逐次加入了限制条件。
(1)z和p是指截面的同=点上的两个参数,至于A1、A2上的点倒不一定都要取在同一条流线上,但一般对管流而言,计算点都取在轴心线上。把这两个点都取在两截面的轴心处,不过是为了方便。
(2)液流是恒定流。如不是恒定流,要加入惯性项。
(3)两个计算通流截面应取在平行流动或缓=流动动处,但两截面之间的流动不受此限制。至于两截面间是什么流,是没有关系的,这最多影响能量损失的大小。
(4)液流仅受重力作用,亦即盛液的容器没有牵连加速度的情况。
(5)液体不可压缩,密度在运动中保持不变。
(6)流量沿程不变,即没有分流。
(7)适当地选取基准面,一般取液平面,这时p一般等于pa ,v=0。
(8)截面上的压力应取同一种表示法,都取相对压力,或都取绝对压力。压力小于大气压时,则表压力为负值,但用真空度表示时要写正值。如绝对压力为0.03MPa,则表压力为-0.07MPa,真空度为0.07MPa。
(9)不要忘记动能修正系数,层流时液压传动教程1-液压基础知识 图31,紊流时液压传动教程1-液压基础知识 图32
四、动量方程
  液体作用在固体壁面上的力,用动量定理来求解比较方便。动量定理指出:作用在物体上的力的大小等于物体在力作用方向上的动量的变化率,即
液压传动教程1-液压基础知识 图33
根据上式进行推导可得流动液体的动量方程。
液压传动教程1-液压基础知识 图34
  方程左边为作用于控制体积内液体上的所有外力的总和,而等式右边第一项表示液体流量变化所引"的力,称为瞬态力;第二、三项表示流出控制表面柑流人控制表面时的动量变化率,称为稳态力。如果控制体中的液体在所研究的方向上不受其它外力,只有液体与固体壁面的相互作用力,则该二力的作用力与反作用力大小相等,方向相反。液体作用在固体壁面的作用力分别称为瞬态液动"和稳态液动力。
  定常流动时,液压传动教程1-液压基础知识 图35,故上式中只有稳态液动力,即
液压传动教程1-液压基础知识 图36
  上述公式均为矢量表达式,在应用时可根据问题的具体要求向指定方向投影,列出该指定方向的动量方程,从而可求出作用力在该方向上的分量,然后加以合成。

  动量修正系数,为液体流过某截面A的实际动量与以平均流速流过截h的动量之比,当液流流速较大且分布较均(紊流)时,液压传动教程1-液压基础知识 图37,液流流速较低且分布不均匀(层流)时,液压传动教程1-液压基础知识 图38

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