流体力学 缝隙流动

缝隙流动
一、缝隙液流特性




液压系统中的零件之间，通常需要一定 的配合间隙，由此产生了泄漏现象。 在液压系统内，压力油从压力高处流向 压力低处的现象，叫内泄漏。 压力油从液压系统内部流向大气中，叫 外泄漏。 泄漏量过大会影响液压元件和系统的正 常工作。
1. 固定平行平板间隙流动（压差流动）

上下两平板固定不 动，液体在间隙两 端的压差作用下而 在间隙中流动，称 压差流动。
h y y u p
2l
压差流动时的流量
bh q p 12l
• 通过间隙的流量与间隙的三次方成正比。 • 为了减少泄漏，必须控制间隙量
3
2. 两平行平板有相对运动时的间隙流动

上下两平板相对运动，间隙两端又存在压 差时的间隙流动。


2.由于管中液体的压力高于容器内液体 压力，管中液体向容器内流动，A处一层 液体首先恢复到初始压力p0，并依次从A 到B各层液体恢复到初始压力p0时，管内 液体全速向外流出 降压增速过程


3.由于液体具有惯性，仍然以速度v0向 容器方向继续流动，因而使紧靠B处的液 体的压力降低p，形成压力降低波，同 样由B向A传播。传到A处的瞬间，全管压 力均在低于初始压力p0的状态。 降压减速过程
可采取下列措施来减少液压冲击：
（1）使完全冲击改变为不完全冲击
（2）限制管中油液的流速 （3）用橡胶软管或在冲击源处设置蓄能器，以吸 收液压冲击的能量。 （4)在容易出现液压冲击的地方，安装限制压力升 高的安全阀。
气穴现象

液体在流动中，由 于压力降低而有气 泡形成的现象
节流口压力分布图
汽蚀现象
由于气穴现象而产生 的气泡随液流到高压 区后气泡破灭，液流 高速冲击向气泡，产 生极高的冲击压力， 使零件表面产生剥蚀 同时伴随着氧化腐蚀 的现象

dh dh q p v 12l 2
3
7.3 流经倾斜平面缝隙的流动
y0 yh
流速
u u0
u0
y p dp y y u u0 1 1 h 2 dx h h
流量
bhu0 bh3 dp q b udy 0 2 12 dx
u0 h y y u p
2l h
y
相对运动时的流量
bh bh q p v 12l 2
• 长平板相对于短平板的运动方向和压差流 动方向一致时，取“+”号：反之，取“-”号。 • 缝隙越小，泄漏越少，但摩擦功率损耗增 加，因此h并非越小越好，有一最佳值。
3
3. 同心环形间隙在压差下的流动
流出。
例1

已知液压缸中活塞直径d=100mm，长 l=100mm，活塞与液压缸同心时间隙为 h=0.1mm，Δp=2.0MPa，油液的动力粘 度为0.1Pas。 求：同心时的泄漏量； 完全偏心时的泄漏量。
液压卡紧现象

一般滑阀的阀孔和阀芯之间有很小的缝隙， 当阀芯停止运动一段时间后，这个阻力可 以大到几百个牛顿，使阀芯重新移动十分 费力。这就是所谓滑阀的液压卡紧现象。


4.容器内液体的压力高于管中液体压力， 液体由容器向管内流动，使得A处压力首 先恢复到管路初始压力p0，此压力波又 由A向B传播，当此波传到B时，整个管路 的液体恢复到阀门关闭前的状态 升压增速过程


液流仍以速度v0由A流向B。然而此时阀 门B是关着的，液体重新产生上述的几个 过程 如此循环往复使管内液体的压力振荡不 已。
2 0
当内外圆相互间没有轴向相对移动，即 u0=0时，其流量为
dh p 2 q 1 1.5 12 l
2 0
由上式可以看到 当ε＝0时，同心环形缝隙的流量公式。 当 ε ＝ 1 时，即在最大偏心情况下，其流量为 同心环形缝隙流量的2.5倍，Βιβλιοθήκη 7.4 两平行圆盘间缝隙流
图示一种在静压支承中 (例如轴向柱塞泵滑履中 ) 的平面缝隙流动，这里的液体自圆环中心向外辐射
静压支承


静压支承是指用一定方法在二固体运动 面间形成具有承载能力和一定厚度的坚 固液膜，从而使二运动面间避免固体接 触而成为完全液体摩擦的装置。 静压支承种类很多，这里只介绍二串接 节流器间液流的压力自动补偿式静压支 承
p
p p
液压冲击


在液压系统中由于某种原因，当管路一端的流 速或压力剧变时，管内油液中产生急剧交替的 压力升降阻尼波动过程称为液压冲过现象。 液压冲击压力波的峰值往往是正常工作压力的 很多倍，造成强烈振动和巨大噪声。这将会造 成系统温升、液压元件损坏或引起某些液压元 件误动作而造成设备损坏或严重事故。
三、最大水击压强与水击波速 直接水击最大压强： p cv 间接水击最大压强： p cv t r ts 式中：v指被改变的流速值；c水击波速。 水击波速： 式中： K—液体体积模量； E—管壁材料的弹性模量； e—管壁厚度； d—管道内径。 四、减少水击影响的措施 适当延长阀门开启时间，使 ts t r 。 尽量采用管径较大的管道，减少管内流速。
6 q h12 h22 6 u0 h1 h2 p p1 p2 2 2 btg h1 h2 tg h1h2
2、流量
2 2 h bh1h2 b 1 h2 q p u0 6 l h1 h2 h1 h2
3、如果上、下平板均固定不动
6 q 1 1 p p1 ( 2 2) btg h h1
6 q 1 1 p p1 p2 ( 2 2) btg h2 h1
h12 h22 b q p 6 l h1 h2
三、偏心环形缝隙
ε 为相对偏心率， ε ＝ e ／ h0 ； h0 为内外圆同心时半径 向内的缝隙值。 流量公式为
dh p dh0u0 2 q 1 1.5 12 l 2
h
二、整体间隙流动
dp 6 u0 12 q 2 3 dx h bh
1、压力分布 积分，并利用边界条件确定积分常数，得
6 u0 1 1 6 q 1 1 p p1 ( 2 2) ( ) btg h h1 tg h h1
6 u0 1 1 6 q 1 1 p2 p1 ( 2 2) ( ) btg h2 h1 tg h2 h1
原因：


1.脏物进入缝隙而使阀芯移动困难， 2.缝隙过小在油温升高时阀芯膨胀而 卡死， 3.滑阀副几何形状误差和同心度变化 所起引起的径向不平衡液压力，即 液压卡紧力。
采取下述措施减小液压卡紧力：


1．提高阀的加工和装配精度，避免出现偏心。 2．在阀芯台肩上开出平衡径向力的均压槽 3．使阀心或阀套在轴向或圆周方向上产生高频 振动或摆动。 4．精细过滤油液。
水击（又名水锤）： 在有压管道中的流速发生急剧变化时，引起压强的剧 烈波动，并在整个管长范围内传播的现象。 一、水击的物理过程 1、第一过程（ 0 t L c ），压缩波向水池传播
2、第二过程（ L c t 2L c ），膨胀波向阀门传播
3、第三过程（ 2 L c t 3 L c ），膨胀波向水池传播 4、第四过程（ 3L c t 4 L c ），压缩波向阀门传播
其中，c是水击波速，L是阀门与水池间的管长。 在 t＝4 L c 瞬时，如果阀门仍然关闭，则水击波将重 复上述四个传播过程。
二、直接水击与间接水击 水击的相：水击波自阀门向水池传播并反射回到阀门所需 的时间，以t r 表示，两相为一个周期。即
t r 2L c
直接水击：若阀门的关闭时间 ts tr ，则水击波还没有来 得及自水池返回阀门，阀门已关闭完毕。那么阀门处的水 击增压，不受水池反射的减压波的消弱，而达到可能出现 的最大值。 间接水击：若阀门的关闭时间ts t r，则水击波已从水池 返回阀门，而关闭仍在进行。那么，由于受水池反射的减 压波的消弱作用，阀门处的水击增压比直接水击小。 因此，工程上应尽可能避免发生直接水击。
c K
1
Kd Ee
缩短管道长度，使管中水体质量减少。 在管道适当位置上设置蓄能器，对水击压强起缓冲作用。 在管道上安装安全阀，以便出现水击时及时减弱水击压强 的破坏作用。



液体以速度v0流出。若将阀门突然关闭， 1.紧靠阀门口B处的一层液体首先停止流动，液 体的动能转化为压力能，压力升高p。接着， 后面各层液体也依次停止流动，动能依次转化 为压力能，形成压力波，并以速度c由B向A传播。 当此压力波传播至A点以后 减速升压过程