第1章 流体力学基础

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1、第一篇液压传动技术基础第一章流体力学基础液体和气体，统称为流体。流体力学是力学的一个分支，是研究流体静止和运动的力学规律，以及流体和固体之间相互作用的一门应用科学。流体在矿山生产中应用得非常广泛。矿井通风、排水、液压传动与气动等，都是以流体作为工作介质，通过流体的各种物理作用以及对流体的流动有效地加以组织来实现的。第一节流体的主要物理性质流体是一种可以流动的、与容器形状保持一致的物质。它几乎不能抗拉，抗剪的能力也很小，但是能够承受较大的压力。一、密度与重度(一)密度密度是表示流体具有惯性的物理量。对于均质流

2、体，单位体积的流体所具有的质量称为密度，用来表示，法定单位是kg/m³。（1—1）式中m——流体的质量，kg；V——流体的体积，m³。(二)重度重度是表示流体具有重力特性的物理量。对于均质流体，作用于单位体积流体的重力称为重度，用表示，单位是N/m³。（1—2）式中G——流体的重力，N；V——流体的体积，m³。依据G=mg的关系式，两端同除以体积V，则得重度与密度的重要关系γ=ρ·g(1—3)式中g——当地的重力加速度，m/s²。需要说明的是：流体的密度与它在地球上的位置无关，而流体的重度与它所处的位置有关

3、，因为地球上不同地点的重力加速度不同，所以重度也就不一样。另外，流体的密度和重度受外界压力和温度的影响，当指出某种流体的密度或重度值时，必须指明所处的外界压力和温度条件。27常见的几种流体的密度和重度见表1—1。表1—1常见流体在标准大气压下的密度和重度二、压缩性和膨胀性流体受压，体积缩小，密度增大的性质，称为流体的压缩性。流体受热，体积增大，密度减小的性质，称为流体的膨胀性。(一)液体的压缩性和膨胀性液体的压缩性和膨胀性很小，当压力和温度变化不大时，可以认为液体的体积不发生变化，既不可压缩又不膨胀。但是在

4、一些特殊情况（如水击现象）下，就必须考虑其影响，否则液体的压缩性和膨胀性引起的影响，将会造成很大的误差。(二)气体的压缩性和膨胀性气体与液体不同，温度和压力的变化都将引起气体体积的很大变化。但是具体问题也要具体分析，气体在流动过程中压力和温度的变化较小（如矿井通风系统）时，可以忽略气体的压缩性和膨胀性。若压力或温度变化较大（如空气压缩机）时，气体的压缩性和膨胀性不能忽略。三、粘性流体流动时内部质点间或流层间因相对运动而产生内摩擦力的性质，称为粘性。它对流体的运动起着拖阻作用。现以流体在管中流动为例，来观察其

5、运动情况，如图1一127所示。当流体在管中缓慢流动时，由于流体壁面间的附着力，分子运动以及分子间的内聚力的存在，使流动受到阻滞，在流动截面上各点的速度不同。紧贴管壁的流体质点，粘附在管壁上流速为零。位于管中心轴线上的流体质点，受管壁的影响最小，因而流速最大。介于管壁和管轴之间的流体质点，将以不同的速度向右运动，其速度将从管壁至管轴线，由零增加到最大。此变化规律可用速度分布图来表示。由于流体各薄层的流速不同，因而各薄层质点间产生相对运动，从而产生内摩擦力阻碍相对运动，为了维持流体的运动状态，必须消耗一定的能量

6、来克服内摩擦力，这就是流体运动时产生能量损失的原因之一。流体静止时，不显示粘性。(一)牛顿内磨擦定律流体运动时产生的内摩擦力究竟与哪些因素有关？应该如何确定？牛顿通过大量的实验研究，于1686年提出了流体运动的内摩擦定律。大量实验证明，流层间内摩擦力的大小与以下因素有关：(1)与两流层间的速度差d成正比，与流层间距离dy成反比；(2)与两流层间的接触面积A成正比；(3)与流体的种类有关；(4)与流体的压力无关。内摩擦定律的数学表达式可写为（1—4）式中F——流层间内摩擦力，N；p——与流体性质有关的比例因数

7、，称为动力粘度，Pas；A——流层的接触面积，m²；du/dy—速度梯度，表示流速沿垂直于流速方向y的变化率，1/s。(二)流体粘度的表示方法粘度是表示粘性大小的物理量。通常有三种表示方法。1．动力粘度动力粘度又称动力粘滞因数或绝对粘度，其数学表达式可由公式（1—4）导出（1—5）式中——单位面积上的内摩擦力，又称切应力，N/。的法定单位是Pas或Ns/m²。不同流体有不同的值，同一流体的值越大，其粘性越强。的物理意义是两层流体间的速度梯度d/d=1时所产生的切应力，即=。因为的单位含有力的因次，是一个动力

8、学的要素，反映了粘性的动力特征，因此称为动力粘度。2．运动钻度27运动粘度也称运动粘滞因数，它是流体动力粘度与其密度在一个标准大气压下温度相同时的比值，用来表示(1—6)的法定单位是m/s,mm/s。我国润滑油的牌号是以40℃时的运动粘度(mm/s)来表示的。例如，32号L—HH液压油，就是指这种油在40℃时的运动粘度为32mm/s。运动粘度无特殊的物理意义，只因在计算和分析流体运动问题时，经常遇到需要考虑密度和