流体的基本特性

1）概述

液体的性质包括密度、压缩性、黏度、热导率、比热容、电特性、稳定性、毒性、润滑、饱和压力、蒸发压力、燃点、表面张力、热膨胀性、沸点、气穴及气化等。但上述这些属性，只有很少几个是在液压仿真计算中用到的。

影响液体动态效果的3个基本属性包括：密度，该属性为液体的质量特性；体积模量，是液体的可压缩性，也称刚度特性；黏度，为液体的阻尼特性。

2）流体密度

流体密度ρ定义为单位体积的质量，即

式中　M——流体的质量，kg；

　　　V——流体的体积，m3。

流体密度是压力、温度和流体类型这3个变量的函数，即

式中　p——压力，Pa；

　　　T——温度，℃。

在AMESim中，液压油的密度计算考虑了液体的弹性模量。对属性为“Simplest”的液压油，密度的计算公式为

式中　ρ（patm）——在大气压力下的油液密度；

　　　ρ（psat）——在饱和压力下的油液密度；

　　　B（psat）——在饱和压力下的油液弹性模量；

　　　p——当前压力。

而在仿真中，更常使用的油液属性为“elementary”。在该属性下，油液密度的计算公式为

式中　patm——大气压力。

其余符号意义同前。

3）流体的可压缩性

任何物体，在特定的比例下都是可压缩的。

如图10.5所示，假设将拉力δF作用在一杆上，则该杆将发生线性伸长，其体积的增加δV/V与单位面积上的力（压强）δp有关，满足公式

式中　E——弹性模量，Pa；

　　　A——杆的横截面积，m2。

注意，本例是在牵引力作用下的变形。在压力的作用下，由于体积发生缩小，为了保证弹性模量为正直，应在式中的右侧添加负号。

如图10.4所示的右侧液压缸内，封闭液体在外力作用下满足

将式（10.6）整理，得

式中　x（p，T）——流体的可压缩性系数。

图10.4　杆在作用力下的变形

x（p，T）的倒数，称为弹性模量，即弹性模量B为

体积V的液压刚度由δp/δV定义，表达式为(www.xing528.com)

当液体中混有气泡时，称为有效体积弹性模量Beff。

机械刚度的定义为

即

对封闭容积的流体，其刚度为

机械刚度和液压刚度的等效定义为

弹性模量E和液压弹性模量数值的典型值为E=2.2×1011，B=1.7×109，两种相差大约125倍。

4）黏性

液体在外力作用下流动（或有流动趋势）时，由液体分子间的内聚力而产生一种阻碍液体分子之间进行相对运动的内摩擦力，这种产生内摩擦力的性质称为液体的黏性。

黏性是流体和气体的固有属性。

黏性的存在产生了压力损失，并带来了内部阻尼。

黏性产生的原因是速度不同的两层流体之间分子扩散所产生的动量交换。因此，黏性是流体属性而不是流动性。牛顿首先给出了黏性的定义：距离为“dy”的两层液体，促使两层液体相对运动而施加的力由下式给出，即

式中　A——两层液体之间的接触面积，m2；

　　　μ——动力黏度，Pa·s；

　　　U——流体速度，m/s。

液体的黏度通常有3种不同的测量单位：绝对黏度、运动黏度和相对黏度。

（1）绝对黏度μ

绝对黏度又称动力黏度，直接表示液体的黏性即内摩擦力的大小。绝对黏度μ在物理意义上讲，是当速度梯度dU/dz=1时，单位面积上的内摩擦力的大小，即

绝对黏度的国际计量单位为牛顿·秒/米2，符号为N·s/m2，或为帕·秒，符号为Pa·s。而在AMESim中，默认的绝对黏度单位是厘泊，符号为cP。如子模型FP04中，绝对黏度默认值为51cP。常用单位换算为1 000厘泊=1帕·秒，即1 000 cP=1 Pa·s。

（2）运动黏度ν

运动黏度是绝对黏度μ与密度ρ的比值，即

式中　ν——液体的运动黏度，m2/s；

　　　ρ——液体的密度，kg/m3。

运动黏度的国际计量单位为m2/s，以前沿用的单位为St（斯），则

（3）相对黏度

相对黏度，又称条件黏度，是以相对于蒸馏水的黏性的大小来表示该液体的黏性。

（4）压力对黏度的影响

在一般情况下，压力对黏度的影响较小。在工程中，当压力低于5 MPa时，黏度值的变化很小，可不考虑。当液体所受的压力增加时，分子之间的距离缩小，内聚力增大，其黏度也随之增大。因此，在压力很高以及压力变化很大的情况下，黏度值的变化就不能忽略。

在AMESim中，绝对黏度通常被假定为不变。由于压力增加，液体的密度发生变化，则液体的运动黏度就要发生变化。

（5）温度对黏度的影响

液压油黏度对温度的变化十分敏感。当温度升高时，其分子间的内聚力减小，黏度随之降低；反之，当温度降低时，黏度随之升高。