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赵世明教授关于静水压和动水压的看法

文章来源:海西给排水 发布时间:2011-10-10 09:30:25 阅读次数:16785 次 [关闭]

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

 

 

等,下游断面B上的压强小于A断面上压强。即动水压强分布沿着流动方向不同于静水压强分布。正是这种不同造成了给排水管网系统中一些点的动水压和静水压产生了显著的差异。

在某些特殊的边界条件下,恒定渐变流过水断面上的动水压强也并不按静水压强分布,比如从水平圆管末端和器壁孔口流入大气的流动,出口断面也合乎渐变流动的条件,但由于四周都是大气,在出口的过水断面上,各点的动水压强都可看作等于大气压强1

6动水压和静水压概念的工程应用

给排水工程中对静水压和动水压都需要考虑和应对。

当在供水管道上配置减压装置时,目的是使水流在减压装置下游产生一个压力突降,达到减小水流压力的目标。减压装置是常用的给水附件,含有两类,一类是减压孔板、比例式减压阀等,另一类是既减动压又能减静压的减压阀。当输水管道采用减压装置时,其直接作用就是减小管道中的水压。毫无疑问,经过减压之后的动水压值或水压减少量首先需要关心和考量,但同时,该点的静水压也不可予以忽视。正是对动水压和静水压两个参数的考量,才使我们在每个具体工程中得以决策是采用哪一类型的减压装置和该类装置的哪个型号。

水泵直接串联向高处供水也是工程中存在的一种供水方式。得到较高的供水扬程实现用水需求是水泵串联供水的目的(不讨论远距离接力输水),所需扬程目标值决定着水泵容量和串联级数的配置。在这种系统的配置中,虽然动水压被首先关注并比较均匀地分布到了每级的供水系统中,但静水压也必须加以考虑,即两个水压参数都需要考虑和应对。在水静止时,上游(底部区域)水泵和管道的静水压会显著增加,以致引发管道破坏的风险,因此必须采取防止静水压回串的可靠措施。

以上情况表明,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,需要配置不同措施加以应对。动水压和静水压的概念区分在给排水工程中有着很现实的意义。

7动水压被误解为水流动能的可能原因

比较水力学、流体力学、空气动力学经典文献,可以发现一个有趣的演变脉络。在水力学中,静水压强和动水压强有明晰的定义和区分。在空气功力学中,水压强和水头概念不存在,有动压(强)和静压(强)概念,但是动压强的含义和动水压强完全不同,空气流速转化的压强被称作动压;静压强的含义也不同于静水压强,气体静止和流动时的压强不做区分通称为静压。在(兼顾到水和空气的)流体力学中,静压强和动压强的概念不使用,流体静止、运动状态时压强的差别也被谈化,并用压强表示这两种状态的压强。

例如暖通专业的流体力学教材2,同一本书中就出现了概念的演变。在流体力学章节写道:流体从静止到运动,由于粘滞力的作用,改变了压强的静力特性,任一点的压强,不仅与该点所在的空间位置有关,也与方向有关。这就与流体静压强有所区别。但粘滞力对压强随方向变化的影响很小。这样,流体流动时的压强和流体静压强,一般在概念上不予区别,一律称为压强。在阐述伯努利方程的各项意义时,引用水力学中位置水头、压强水头和速度水头概念做进一步释义,而不引人空气动力学中的动压名称。在空气动力学章节,压强的概念出现了明确的变化,流动气体的压强称作静压,速度能量项称作功压,静压和动压之和称为总压。

很明显,水和气的动力学存在概念差异。动水压、静水压的概念不同于空气功力学中的静压和动压,不能搬进空气动力学。同样道理,后者中的动压、静压、总压概念搬进水力学也会产生混乱。

把水力学中的动水压当做静压、速度水头当做动压,是不适当地把空气动力学中的静压、动压概念搬进了水力学,这应该是动水压被误解的主要原因。

需要指出,有些(非水)流体力学书籍[4.5]完全采用了空气动力学中的静压、动压概念,这是不适用于以水力学为基础的给排水工程的。

8结语

给排水管网系统中水流动和静止的状态经常互相转换,有些点上的动水压值和静水压值存在非常明显(甚至巨大)的差异,这两个状态必须都要认真对待。用一个静压概念表征这两个参数会产生混乱。如果说气流体工程还可以忽视这种差异,把两种状态的压强统一用静压表示或称呼,那么,给排水工程则非常有必要区分这两种压强,这不仅有水力学理论的支持,更是实际工程中的需要,两种压强有时在数值上的差异实在是太大了。

参考文献:

1、清华大学水力学教研组,水力学,人民教育出版社,1979

2、周谟仁.流体力学   泵与风机,中国建筑工业出版社,1979

3、禹华谦.工程流体力学(水力学),西安交通大学出版社,1999

4、钟声玉,王克光.流体力学和热工理论基础,机械工业出版社,1980

5、上海化工学院,化学工程,化学工业出版社,1980.



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