流体力学基础讲解.ppt

1、Institute of Mechatronics&Logistics Equipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动流体传动第一章第一章 流体力学基础流体力学基础第一章第一章 流体力学基础流体力学基础流体的力学概念流体的力学概念工作介质的物理性质工作介质的物理性质流体静力学流体静力学流体动力学流体动力学气体状态方程气体状态方程充、放气参数的计算充、放气参数的计算管道中的流动特性管道中的流动特性孔口及缝隙流动特性孔口及缝隙流动特性Institute of Mechatronics&Logistics Equipment上海交通大学机电控制与物

2、流装备研究所上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动流体传动第一章第一章 流体力学基础流体力学基础q 流体的力学概念流体的力学概念 问题：问题：1 1）流体上作用有哪些力？）流体上作用有哪些力？2 2）什么是质量力和单位质量力？）什么是质量力和单位质量力？3 3）什么是表面力和应力？）什么是表面力和应力？4 4）流体的切应力与什么因素有关？）流体的切应力与什么因素有关？5 5）流体的法向力与什么因素有关？）流体的法向力与什么因素有关？6 6）什么是理想流体？它的性质如何？）什么是理想流体？它的性质如何？Institute of Mechatronics&Logistics Equipmen

3、t上海交通大学机电控制与物流装备研究所上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动流体传动第一章第一章 流体力学基础流体力学基础 流体上的作用力流体上的作用力假设假设:流体是一种连续的、易于流动的流体是一种连续的、易于流动的介质。介质。Institute of Mechatronics&Logistics Equipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动流体传动第一章第一章 流体力学基础流体力学基础对应上图，可见流体上作用有两种力：对应上图，可见流体上作用有两种力：质量力质量力和和表面力表面力！1 1）质量力：）质量力：其他物体对所研究流体的作

4、其他物体对所研究流体的作用力。它作用于所研究流体的所有质点上。用力。它作用于所研究流体的所有质点上。2 2）质量力的性质：）质量力的性质：质量力是质量力是向量向量，它仅与，它仅与所研究流体的质量成正比。所研究流体的质量成正比。注意：注意：重力、离心力及一切由于加速度存在重力、离心力及一切由于加速度存在而产生的惯性力均为质量力。而产生的惯性力均为质量力。Institute of Mechatronics&Logistics Equipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动流体传动第一章第一章 流体力学基础流体力学基础3 3）单位质量力：）单位质量

5、力：单位质量的质量力单位质量的质量力。事实上，单位质量力事实上，单位质量力数值上数值上就等于就等于加速度加速度。4 4）表面力：）表面力：由于流体之间表面的相互接触由于流体之间表面的相互接触所产生的作用力。所产生的作用力。5 5）表面力的性质：）表面力的性质：只与接触表面积有关，只与接触表面积有关，而与流体的质量或体积无关，也为而与流体的质量或体积无关，也为向量向量。6 6）单位表面力：）单位表面力：单位表面积上的表面力被单位表面积上的表面力被称为应力。称为应力。注意：注意：按表面力作用在表面上的方向不同，按表面力作用在表面上的方向不同，又分为法向力和切向力。又分为法向力和切向力。Instit

6、ute of Mechatronics&Logistics Equipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动流体传动第一章第一章 流体力学基础流体力学基础如前图所示，如前图所示，的表面上作用着的表面上作用着 的的法向力和法向力和 的切向力，则的切向力，则 上的平均上的平均法向应力法向应力 和切向应力和切向应力 为：为：当微小面积当微小面积 趋于零，并对上述关系式趋于零，并对上述关系式取极限时，则得到流体内某定点处的应力取极限时，则得到流体内某定点处的应力为：为：Institute of Mechatronics&Logistics Equipm

7、ent上海交通大学机电控制与物流装备研究所上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动流体传动第一章第一章 流体力学基础流体力学基础问题：问题：1 1）流体在什么情况下才产生切应力？流体在什么情况下才产生切应力？2 2）对于流体而言，法向力的方向如何？对于流体而言，法向力的方向如何？Institute of Mechatronics&Logistics Equipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动流体传动第一章第一章 流体力学基础流体力学基础7 7）理想流体：）理想流体：忽略了流体粘性的流体。忽略了流体粘性的流体。结论：结论：理想流体内不存

8、在切应力。理想流体内不存在切应力。q 工作介质的物理性质工作介质的物理性质 液体的密度：液体的密度：单位体积液体所具有的质单位体积液体所具有的质量，即量，即Institute of Mechatronics&Logistics Equipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动流体传动第一章第一章 流体力学基础流体力学基础上式中上式中 液体的密度；液体的密度；液体的体积；液体的体积；液体的质量。液体的质量。性质：性质：液体的密度随着压力或温度的变液体的密度随着压力或温度的变化而发生变化，但一般变化量很小。化而发生变化，但一般变化量很小。液体的可压

9、缩性：液体的可压缩性：液体因所受压力增大液体因所受压力增大而造成的体积缩小的性质。而造成的体积缩小的性质。问题：问题：如何表示液体的可压缩性大小？如何表示液体的可压缩性大小？Institute of Mechatronics&Logistics Equipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动流体传动第一章第一章 流体力学基础流体力学基础表示的方法：表示的方法：一般用压缩率一般用压缩率 来衡量压来衡量压缩性的大小。其具体定义如下：当液体缩性的大小。其具体定义如下：当液体所受的压力增大所受的压力增大 时，液体体积时，液体体积 的的相对变化率，即相

10、对变化率，即问题：问题：1)为什么上式右边要增加一负号？为什么上式右边要增加一负号？2)压缩率压缩率 的量纲是什么？的量纲是什么？Institute of Mechatronics&Logistics Equipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动流体传动第一章第一章 流体力学基础流体力学基础重要的概念：重要的概念：液体体积弹性模量！液体体积弹性模量！液体体积弹性模量：液体体积弹性模量：液体压缩率液体压缩率 的倒数的倒数，用字母，用字母 来表示，即有来表示，即有 的单位为的单位为MPa。对于石油基液压油，其对于石油基液压油，其 体积弹性模量为

11、体积弹性模量为（1.42）103 MPa。Institute of Mechatronics&Logistics Equipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动流体传动第一章第一章 流体力学基础流体力学基础注意：注意：对于实际石油基液压油，其体积弹对于实际石油基液压油，其体积弹性模量与温度、压力和混入的空气量有关性模量与温度、压力和混入的空气量有关。一般规律：温度升高，一般规律：温度升高，值减小；压力值减小；压力增大，增大，值增大；混入的空气量越大，值增大；混入的空气量越大，值将大为减小。值将大为减小。建议：建议：实际使用时，对于实际石油基液

12、压实际使用时，对于实际石油基液压油，体积弹性模量取为：油，体积弹性模量取为：（0.71.4）103 MPaInstitute of Mechatronics&Logistics Equipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动流体传动第一章第一章 流体力学基础流体力学基础 液体的粘性：液体的粘性：液体液体体微团间因相对运体微团间因相对运动而产生内摩擦力的性质。动而产生内摩擦力的性质。注意：注意：液体流动时才会出现粘性；静止液体液体流动时才会出现粘性；静止液体不呈现粘性。不呈现粘性。重要的概念：重要的概念：粘度！是对液体粘性大小的粘度！是对液体粘

13、性大小的度量；是选择液压油的主要指标。度量；是选择液压油的主要指标。Institute of Mechatronics&Logistics Equipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动流体传动第一章第一章 流体力学基础流体力学基础 牛顿内摩擦力定律牛顿内摩擦力定律液体粘性示意图液体粘性示意图Institute of Mechatronics&Logistics Equipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动流体传动第一章第一章 流体力学基础流体力学基础结论：结论：实验测定表明，当液体流动时

14、，相实验测定表明，当液体流动时，相邻液层间的摩擦力邻液层间的摩擦力 与液层接触面积与液层接触面积 、液层间的速度梯度液层间的速度梯度 成正比，即成正比，即式中，式中，被称为被称为粘性系数粘性系数或或动力粘度动力粘度。若以若以 表示液层间的切应力，则上式变为表示液层间的切应力，则上式变为牛顿液体内摩擦力定律牛顿液体内摩擦力定律Institute of Mechatronics&Logistics Equipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动流体传动第一章第一章 流体力学基础流体力学基础注意：注意：对应上式，对应上式，为为不变常数不变常数时，称

15、流时，称流体为体为牛顿流体牛顿流体；为为变数变数时，称流体为时，称流体为非非牛顿流体牛顿流体。粘性大小的度量粘性大小的度量表示粘性的大小，一般用表示粘性的大小，一般用粘度粘度来度量。来度量。常用的粘度主要有三种，即常用的粘度主要有三种，即绝对粘度绝对粘度 ；运动粘度运动粘度 ；相对粘度相对粘度。Institute of Mechatronics&Logistics Equipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动流体传动第一章第一章 流体力学基础流体力学基础1.1.绝对粘度绝对粘度 ，又称为，又称为动力粘度动力粘度。其特性：直接表示液体的内摩擦

16、力大小。其特性：直接表示液体的内摩擦力大小。动力粘度动力粘度 的单位：的单位：PasPas（帕（帕秒）秒）。2.2.运动粘度运动粘度 ，是液体动力粘度与液体，是液体动力粘度与液体的密度之比，即的密度之比，即运动粘度运动粘度 的单位：的单位：m2/s（米（米2/秒）秒）。Institute of Mechatronics&Logistics Equipment上海交通大学机电控制与物流装备研究所上海交通大学机电控制与物流装备研究所流体传动流体传动第一章第一章 流体力学基础流体力学基础3.3.相对粘度，主要有：相对粘度，主要有：恩氏粘度恩氏粘度（E）；）；赛氏粘度赛氏粘度（SSU）；）；雷氏粘度雷氏粘度（R1S）；）；巴氏粘度巴氏粘度（B）。）。恩恩氏氏粘粘度度（E）：采采用用恩恩氏氏粘粘度度计计进进行行测测定定，即即将将 200ml 温温度度为为 t 的的被被测测液液体体装装入入恩恩氏氏粘粘度度计计的的容容器器中中，由由其其底底部部 2.8mm的的小小孔孔流流出出，测测出出液液体体流流尽尽的的时时Institute of Mechatronics&Logistics Equipment上