静水压和动水压

中国建筑设计研究院    赵世明

l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产品的相关国家标准中，都运用到了这些概念。在输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，输水管道动水压和静水压的概念目前存在着较广泛的误解。该误解主要表现为:

1)动水压或动压，是速度产生的压能，是伯努力方程中的动能项，即

2)流动水体中伯努利方程中的压能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。

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;一、它是个压应力，其方向与作用面的内法线方向一致;二、静止液体中的任意点上，各个方向的压强的大小均相等，与其作用面的方位无关，用表示静水压强，则可写为(1)式:

P x = P y= p z = p n           (1)

式中，P x 、P y、p z 、p n 为任一点上三个相互垂直方向的压强和任意方向的压强。

3动水压强概念  ^【1】

在流动者的液体中，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。

在流功着的实际液体里，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（P xx、P yy、P zz）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(2)式。这个常数p就定义为该点的动水压强^[1]

        (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:

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，存在以下关系:

          (3)

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】，可通过以下方法直接测量。另外，式中的压强势能和动能可互相转化，二者之和称为测压管水头。当动能转化为压能，则可量得测压管水头。

一个微细的弯管，管端封闭，弯管侧面开有小孔。把这个弯管插入水中，使弯管和水流平行。如侧面小孔位置合适，侧小孔就是一个测压孔，测压管即可量出小孔所在处的动水压强PA^【1】。如量得测压管中的水柱高为Hp，则：

5动水压强和静水压强的差别

水流有均匀流、渐变流和急变流等流动状态。流动状态不同，其动水压强的分布规律也就不同。因而一般说，动水压强的分布规律与静水压强的分布规律是不相同的。只有在特殊情况下，比如一定边界条件下的均匀流和渐变流中，过水断面上的动水压强才符合静水压强的分布规律。

比如一等径的管段，在直管段和弯曲段分别选过水断面，并设置测压管。由于各测压管端口和管道连接处皆垂直于管内水流方向，因而测压管内水位便能正确地反映所测点的动水压强。在直管段上的上下两个测压管，尽管开口位置不同，但管内水位却处在同一水平面上。即测压管水头相等，z+ p/γ=常数。这说明渐变流时过水断面七的动水压 强符合静水压强的分布规律。但是，在弯管段的两个测压管水位却不相等，弯管外侧测压管比内测的水位高，这说明在急、变流断面t动水压强不按静水压强分布，其分布规律要复杂得多。

在一定的边界条件下，渐变流动过水断面上的动水压强具有静水压强的分布规律。当实际液体在河渠中作恒定的渐变流动时，过水断面上的动水压强按静水压强的规律分布。而沿着流动方向，动水压强分布不同于静水压强分布^【1】，即：在相同水深的不同断面上，动水压强并不相等。管道中的有压水流也是如此，如图1，管道的两个过水断面A、B处于同一水平面上，水静止时，两个断面上的压强相等;当水流动时，A、B两断面上的压强并不相