液体流动时的压力损失的分析与研究

　　一、引言

　　实际液体具有粘性或管道形状和截面尺寸发生变化时,对液体流动会产生阻力,因此要损失一部分能量。压力损失由沿程压力损失和局部压力损失两部分组成。在设计液压系统时要尽量减小压力损失,从而提高系统效率、减小由此带来的温升。压力损失的大小与液体流动状态有关。最常见的流动状态为层流和絮流。由此可知压力损失的计算与液压系统设计和结构设计都具有密切关系。

　　英国物理学家雷诺通过大量实验,发现了液体在管路中流动时存在的两种流动状态———层流和紊流。雷诺实验表明,层流时液体质点互不干扰,液体沿管路轴线作线性或层状流动;紊流时液体质点相互干扰,运动杂乱无章,除了沿管路轴线运动以外还有剧烈的横向运动。

　　实验分析表明,层流发生在液体流速较低的场合,粘性力起主导作用,压力损失主要是液体的粘性摩擦损失;紊流发生在液体流速较高的场合,惯性力起主导作用,压力损失主要是液体的动能损失。

　　二、压力损失的分析与计算公式

　　在液压传动中,液体的流动状态多数是层流流动,在这种状态下液体流经直管的压力损失可以通过理论计算求得。

　　如图所示,液体在等径水平直管中的层流流动如图所示。取一段与管轴重合的微小圆柱体作为研究对象。液体处于受力平衡状态,即(p1-p2)πr2=△pπr2=Ff=-2πrlμdudr,式中, Ff是液体内摩擦力。这里用到了牛顿液体内摩擦定律。整理上式可得dur对上式进行积分,并代入边界条件,得u可见,流速在半径方向上是按抛物线规律分布的,在管道轴线上流速取最大值。通过微元体的流量微元为r2)rdr,积分上式可得,平均流速为v=沿程压力损失为上式也可以写为2式中,λ是沿程阻力系数。实际计算时,对金属管取。

　　这个公式的分析与推导过程完全是合理和准确的。因此,在设计计算中,应采用这个式子。

　　三、压力损失公式的应用

　　1·正确的压力损失公式

　　上面推导出来的圆管层流时的压力损失公式是正确无误的。

　　2·不应采用的压力损失计算公式

　　在许多液压传动的书籍中,都讲到了压力损失计算公式,其中有的书籍所讲述和应用的公式有些不同。

　　有的书籍为了简化方便采用下面的公式

　　在书中写到,当管路中液流为层流时,沿程压力损失也可根据公式,按实用条件推导出来的下列计算公式计算比较方便。