概要

流体力学基本原理

压力、面积、力三者之间的关系

流体力学常识

流动是流体的一般运动。这虽然像是一句废话，但是很多基础性概念听上去都像是废话。

流体流动规律中，有两大因素需要考虑：流量和流速。下面我们分别了解一下。

1、流量

流量是指流体在单位时间内流过某一横截面积的数量。这个数量可以用体积来计量（体积流量），也可以用质量来计量（质量流量）。

我们通常说的流量一般都是体积流量，单位为GPM（加仑每分钟）或者LPM（升每分钟），他们之间的换算关系如下，记住就行了：

1加仑(美)=3.785 411 784 升

1加仑(英)=4.546 091 88 升

图1中的流量计是以上述两种单位制计量。

图1

2、流速

流速是指流体在单位时间内流过的距离。

流速并不是一个可以直接测量的量，我们通常是用下述公式间接计算：

流速V=流量Q÷横截面积A

也就是说，流速取决于流量Q和横截面积A的大小。

如图2所示，如果我们增加或减少泵的出口流量，但是出口管子的直径不改变，那么流速会发生改变。

即：

减小流量，流速减慢；

增大流量，流速加快。

图2

同样，如图3所示，如果我们保持泵的出口流量不变，只增大或缩小出口管子的直径，那么流速也会发生改变。

即：

减小管径，流速加快；

增大管径，流速减慢。

图3

当然了，流速的增加，会导致管子发热，我们都知道这是由于摩擦引起的，如图4所示。

图4

可是，摩擦是如何产生的呢，或许图5会给我们一些启发。

图5

图5主要表达的是流体分子与管子内壁发生碰撞，导致流体的压力能，动能转化为热能向外散发到大气中去了。

当然了，这只是一个示意图，并不是很准确。

3、层流 

层流是流体的一种理想流动状态。

其具体内容可表述为：

流体在管内低速流动；

流体质点沿着与管轴线平行的方向做平滑的直线运动；

流体的流速在管子中心处最大，接近管壁处最小。

我们简单的用图6来示意。

图6

4、紊流 

紊流也是流体的一种流动状态。

其具体内容可表述为：

流体在管内高速流动；

各个流体质点的流线交织在一起，流场中有许多小漩涡；

紊流会引起较大的能量损失。

我们简单的用图7来示意。

图7

在整个液压系统中，紊流多发生在管路发生弯曲的地方以及节流孔处，如图8所示。

在设计液压系统时，我们可以尽可能增大管径和管接头的通径来改善这一现象。

图8

5、帕斯卡定理

帕斯卡定理可表述为：施加于静止液体上某一点处的压强，会同时、等值、且沿各个不同的方向传递。

如图9中的三个压力表所示，无杆腔中的压力处处相等。

图9

6、压力 

液压系统中，压力是由阻力产生的，我们称之为动压。而由于重力引起的压力，我们称之为静压。

图10

静态压力是表示当流体想要运动时却受到了限制，不能发生流动。如图11所示，重物受重力的作用，将活塞杆向下压。但是由于前端的控制阀处于关闭状态，使得活塞杆无法下落。

因此，被困在液压缸无杆腔中的油液获得重物的势能，获得的能量我们可以通过压力表以压力的形式中度量出来。

图11

另一方面，动态压力与流体的动能有关。

因此，当流体所受阻力增大时，动态压力就增大。请看图12中的演示：

当不断减小节流口的通流面积时，压力表的读数不断增加；

当不断增大节流口的通流面积时，压力表的读数不断减小。

图12

有一点需要说明，当流体经过节流口时，由于摩擦等损失的存在，会导致节流口前后存在压力差。也就是说当流体经过节流口时，存在能量损失。

当流体经过节流断面时，流速是最大的，即流速的增加伴随着节流断面处压力的大大降低。

当流体流过节流断面之后，扩展进入更大的区域，速度下降，压力增加。

但下游压力不会完全恢复到上游的压力（对比前后两个压力表的读数），这是由于较大内部紊流 和能量消耗的结果。

图13

7、伯努利定理

在能量的基础那一小节，我们讲过，一个系统的总能量必须保持恒定。

伯努利原理指出，当流体的动能（流体速度）减小时，那么它的压力能（压力）则必然增大。（该定理的前提是忽略流体的粘性损失）

通过图14可以直观理解该原理：

当减小管路中间部位的管径时，该处流速不断增加，但是压力表的数值不断减小。

当增大管路中间部位的管径时，该处流速不断减小，但是压力表的数值不断增加。

图14

8、面积 

圆的面积计算公式为：A=πr²

这个用不着多说。

在液压系统中，我们最关心的是与流体相接触的零部件的面积。比如图15中，液压缸的活塞面积。

图15

9、FPA 三角形

如图16所示，我们称之为FPA三角形，它可以很直观的展示液压系统中力、压力以及被驱动面积三者之间的关系。

图16

下面我们就来看看如何应用这个FPA三角形。

如果我们知道了系统压力P和液压缸活塞的面积A，那么我们就可以求出系统所传递的力F的大小。

如图17所示，知道了系统压力P=250psi，活塞面积A=10in²，就可算出力F的大小为2500lbf（lbf表示英制单位，磅力）。

图17

如果我们知道了系统压力P和系统所传递的力F的大小，那么我们就可以求出活塞面积A的大小。

如图18所示，知道了系统压力P=325psi，力F=2000lbf（lbf表示英制单位，磅力），就可算出活塞面积A的大小为6.15in²。

图18

如果我们知道了系统所传递的力F的大小和活塞面积A的大小，那么我们就可以求出系统压力P的大小。

如图19所示，知道力F=2000lbf（lbf表示英制单位，磅力）,活塞面积A=10in²，就可算出系统压力P的大小为200psi。

图19

10、力的放大作用 

如图20所示，在左侧液压缸的小活塞底部施加一个较小的力，那么右侧液压缸就可以获得一个较大的举升力。从图中可知，该力被放大了5倍之多。

图20