给排水工程中的静水压和动水压探究.pdf

给水排水 　 Ｖｏｌ．３７ 　 Ｎｏ．１０ 　 ２０１１ ７１ 　  建筑给排水  给 排 水 工 程 中 的 静 水 压 和 动 水 压 探 究 赵 　 世 　 明 （中国建筑设计研究院，北京 　 １０００４４ ） 　　 摘要 　 静水压是静止水的压强，动水压是流动水的压强。用水柱高度为单位表示时二者均称为 压强水头，水流速度转化的水压称为速度水头。对于渐变流，过水断面上动水压和静水压的分布规 律相同，但沿流动方向上并不遵从静水压强分布规律。供水系统中有些点的动水压和静水压存在着 非常大的差异，需要区分应对。空气动力学中的动压是指气流速度产生的压强，不可与动水压混同。 关键词 　 动水压 　 静水压 　 空气动压 １ 　 问题的产生 静水压和动水压在给排水工程中是两个非常重 要的概念，在 每 个 建 筑 供 水 工 程 中 几 乎 都 要 面 对。 很多给排水工程设计和相关的产品国家标准中，都 运用到了这些概念。在输配水管道的减压产品 中， 动压系数和能否减静水压更是成为区分减压产品性 能的标志。 然而，输配水管道动水压和静水压的 概 念 目 前 存在着较广泛的误解，这在互联网上“水的动压”名 词解释和专业刊物中都有体现。主要表现为： （ １ ）动水压或动压，是速度产生的压能，是伯努 利方程中的动能项，即 ｖ ２ ／（ ２ ｇ ）或 ρ ｖ ２ ／ ２ ； （ ２ ）流动水体中伯努利方程中的压能项 ｐ ／ γ 是 静水压或静压，和液体静止时的静水压特性一致，没 有区别。 消除上述误解应该以水力学为基础进行讨论分 析，因为水力学是专门以水的运动为研究对象的科 学，并且是给排水的专业基础学科。在水力学中，静 水压和动水压用静水压强和动水压强表示。 ２ 　 静水压强概念［１］ 在静止液体里，既不会有切应力，也不会产生拉 应力，而只有压应力，质点间的相互作用或质点与边 界之间的相互作用只能以压应力的形式来体现。因 为这个压应力发生在静止状态的液体中，所以在水 力学里把它叫 做 静 水 压 力。静 水 压 强 具 有 下 列 特 性： ① 它是个压应力，其方向与作用面的内法线方向 一致； ② 静止液体中的任意点上，各个方向的压强大 小均相等，与其 作 用 面 的 方 位 无 关，用 ｐｎ 表 示 静 水 压强，则可写为式（ １ ）： ｐｘ ＝ ｐ ｙ ＝ ｐｚ ＝ ｐｎ （ １ ） 式中 ｐｘ 、 ｐ ｙ 、 ｐｚ 、 ｐｎ 为任一点上三个相互垂直方向的 压强和任意方向的压强。 在各空间点上的静水压强只是该点的位置的函 数，即： ｐ ＝ ｆ （ ｘ ， ｙ ， ｚ ）。 ３ 　 动水压强概念［１］ 在流动着的液体中，既可能有压应力，又可能有 切应力。这个压应力叫做动水压强［１］。动水压强和 静水压强都是压应力，而动水压强是在流动状态下 发生的，静水压强是在静止状态下发生的，所以它们 的特性是有区别的。 在流动着的实际液体里，因为存在有切应力，在 任一点上，三个相互垂直方向的法向应力（ ｐｘｘ 、 ｐ ｙｙ 、 ｐｚｚ ）是不相等 的，但 三 个 法 向 面 的 三 个 应 力 之 和 是 个常数，即任何三个相互垂直面上的法向应力的平 均值是个常数，不随这三个正交方向的选取而变化。 设 ｐ 为常数，则 可 写 为 式（ ２ ）。这 个 常 数 ｐ 就 定 义 为该点的动水压强［１］。 １ ３ ｐｘｘ ＋ ｐ ｙｙ ＋ ｐ （ ） ｚｚ ＝ ｐ （ ２ ） 因此在实际液体的流动中，各点的 动 水 压 强 也 只是位置坐标和时间的函数。即 ｐ ＝ ｆ （ ｘ ， ｙ ， ｚ ， ｔ ） 对于恒定流液体，为 ｐ ＝ ｆ （ ｘ ， ｙ ， ｚ ） 在理想液体里，由于没有粘滞性的作用，虽有质 点的相对运动，也不会有切应力，因此理想液体中只 ７２ 　 给水排水 　 Ｖｏｌ．３７ 　 Ｎｏ．１０ 　 ２０１１ 有动水压强，而且任一点的动水压强在各方向上的 大小都相等，即和静水压强具有同样的特性。 ４ 　 伯努利方程中的各项能量 对于流动的液体，两个过水断面（渐变流）上 单 位重量液体的总机械能，存在式（ ３ ）关系 ｚ １ ＋ ｐ１ γ ＋ ｖ ２ １ ２ ｇ ＝ｚ ２ ＋ ｐ２ γ ＋ ｖ ２ ２ ２ ｇ ＋ｈ ｗ （ ３ ） 式中 ｚ 为位置势能，ｐ γ 是压强势能，ｖ ２ ２ ｇ 是动能，三项 之和是液体的总机械能。在水力学中，三项又分 别 称作：位置水头、压强水头、速度水头［１，２］。 式中的 ｐ 就 是 动 水 压 强［１，３］，可 通 过 以 下 方 法 （见图 １ａ ）直接测量。另外，式中的压强势能和动能 可互相转化，图 １ｂ 是动能转化为压能的演示。 一个微细的弯 管 如 图 １ａ 所 示，管 端 封 闭，弯 管 侧面开有小孔。