中國建筑設計研究院 趙世明
l問題的產生
靜水壓和動水壓在給排水工程中是兩個非常重要的概念，在每個建筑供水工程中幾乎都要面對。很多給排水工程設計和產品的相關國家標準中，都運用到了這些概念。在輸水管道的減壓產品中，動壓系數和能否減靜水壓更是成為區分減壓產品性能的標志。
然而，輸水管道動水壓和靜水壓的概念目前存在著較廣泛的誤解。該誤解主要表現為:
1)動水壓或動壓，是速度產生的壓能，是伯努力方程中的動能項，即
2)流動水體中伯努利方程中的壓能p/γ是靜水壓或靜壓，和液體靜止時的靜水壓特性一致，沒有區別。
除上述誤解應該以水力學為基礎進行討論分析，因為水力學是專門以水的運動為研究對象的科學，并且是給排水的專業基礎學科。
在水力學中， 靜水壓和動水壓用靜水壓強和動水壓強表示。
2靜水壓強概念 【1】
在靜止液體里，既不會有切應力，也不會產生拉應力，而只有壓應力，質點間的相互作用或質點與邊界之間的相互作用只能以壓應力的形式來體現。因為這個壓應力發生在靜止狀態的液體中，所以在水力學里把它叫做靜水壓力。靜水壓強具有下列特性;一、它是個壓應力，其方向與作用面的內法線方向一致;二、靜止液體中的任意點上，各個方向的壓強的大小均相等，與其作用面的方位無關，用表示靜水壓強，則可寫為(1)式:
P x = P y= p z = p n (1)
式中，P x 、P y、p z 、p n 為任一點上三個相互垂直方向的壓強和任意方向的壓強。
3動水壓強概念 【1】
在流動者的液體中，既可能有壓應力，又可能有切應力。這個壓應力叫做動水壓強【1】、動水壓強和靜水壓強都是壓應力，而動水壓強是在流動狀態下發生的，靜水壓強是在靜止狀態下發生的，所以它們的特性是有區別的。
在流功著的實際液體里，因為存在有切應力，在任一點上，三個相互垂直方向的法向應力（P xx、P yy、P zz）是不相等的， 但三個法向面的三個應力之和是個常數，即任何三個相互垂直面上的法向應力的平均值是個常數，不隨這三個正交方向的選取而變化。設p為常數，則可寫為(2)式。這個常數p就定義為該點的動水壓強[1]
(2)
因此在實際液體的流動中，各點的動水壓強也只是位置坐標和時間的函數。即:
在理想液體里，由于沒有粘滯性的作用，雖有質點的相對運動，也不會有切應力，因此理想液體中只有動水壓強，而且任一點的動水壓強在各方向上的大小都相等，即和靜水壓強具有同樣的特性。
4伯努利方程中的各項能量
對于流動的液體，兩個過水斷面(漸變流)上單位重量液體的總機械能，存在以下關系:
(3)
三項之和是液體的總機械能。在水力學中，三項又分別稱作:位置水頭、壓強水頭、速度水頭【1、2】。
式中的p就是動水壓強【1、3】，可通過以下方法直接測量。另外，式中的壓強勢能和動能可互相轉化，二者之和稱為測壓管水頭。當動能轉化為壓能，則可量得測壓管水頭。
一個微細的彎管，管端封閉，彎管側面開有小孔。把這個彎管插入水中，使彎管和水流平行。如側面小孔位置合適，側小孔就是一個測壓孔，測壓管即可量出小孔所在處的動水壓強PA【1】。如量得測壓管中的水柱高為Hp，則：
5動水壓強和靜水壓強的差別
水流有均勻流、漸變流和急變流等流動狀態。流動狀態不同，其動水壓強的分布規律也就不同。因而一般說，動水壓強的分布規律與靜水壓強的分布規律是不相同的。只有在特殊情況下，比如一定邊界條件下的均勻流和漸變流中，過水斷面上的動水壓強才符合靜水壓強的分布規律。
比如一等徑的管段，在直管段和彎曲段分別選過水斷面，并設置測壓管。由于各測壓管端口和管道連接處皆垂直于管內水流方向，因而測壓管內水位便能正確地反映所測點的動水壓強。在直管段上的上下兩個測壓管，盡管開口位置不同，但管內水位卻處在同一水平面上。即測壓管水頭相等，z+ p/γ=常數。這說明漸變流時過水斷面七的動水壓 強符合靜水壓強的分布規律。但是，在彎管段的兩個測壓管水位卻不相等，彎管外側測壓管比內測的水位高，這說明在急、變流斷面t動水壓強不按靜水壓強分布，其分布規律要復雜得多。
在一定的邊界條件下，漸變流動過水斷面上的動水壓強具有靜水壓強的分布規律。當實際液體在河渠中作恒定的漸變流動時，過水斷面上的動水壓強按靜水壓強的規律分布。而沿著流動方向，動水壓強分布不同于靜水壓強分布【1】，即：在相同水深的不同斷面上，動水壓強并不相等。管道中的有壓水流也是如此，如圖1，管道的兩個過水斷面A、B處于同一水平面上，水靜止時，兩個斷面上的壓強相等;當水流動時，A、B兩斷面上的壓強并不相
等，下游斷面B上的壓強小于A斷面上壓強。即動水壓強分布沿著流動方向不同于靜水壓強分布。正是這種不同造成了給排水管網系統中一些點的動水壓和靜水壓產生了顯著的差異。
在某些特殊的邊界條件下，恒定漸變流過水斷面上的動水壓強也并不按靜水壓強分布，比如從水平圓管末端和器壁孔口流入大氣的流動，出口斷面也合乎漸變流動的條件，但由于四周都是大氣，在出口的過水斷面上，各點的動水壓強都可看作等于大氣壓強【1】。
6動水壓和靜水壓概念的工程應用
給排水工程中對靜水壓和動水壓都需要考慮和應對。
當在供水管道上配置減壓裝置時，目的是使水流在減壓裝置下游產生一個壓力突降，達到減小水流壓力的目標。減壓裝置是常用的給水附件，含有兩類，一類是減壓孔板、比例式減壓閥等，另一類是既減動壓又能減靜壓的減壓閥。當輸水管道采用減壓裝置時，其直接作用就是減小管道中的水壓。毫無疑問，經過減壓之后的動水壓值或水壓減少量首先需要關心和考量，但同時，該點的靜水壓也不可予以忽視。正是對動水壓和靜水壓兩個參數的考量，才使我們在每個具體工程中得以決策是采用哪一類型的減壓裝置和該類裝置的哪個型號。
水泵直接串聯向高處供水也是工程中存在的一種供水方式。得到較高的供水揚程實現用水需求是水泵串聯供水的目的(不討論遠距離接力輸水)，所需揚程目標值決定著水泵容量和串聯級數的配置。在這種系統的配置中，雖然動水壓被首先關注并比較均勻地分布到了每級的供水系統中，但靜水壓也必須加以考慮，即兩個水壓參數都需要考慮和應對。在水靜止時，上游(底部區域)水泵和管道的靜水壓會顯著增加，以致引發管道破壞的風險，因此必須采取防止靜水壓回串的可靠措施。
以上情況表明，供水系統中有些點的動水壓和靜水壓存在著非常大的差異，需要配置不同措施加以應對。動水壓和靜水壓的概念區分在給排水工程中有著很現實的意義。
7動水壓被誤解為水流動能的可能原因
比較水力學、流體力學、空氣動力學經典文獻，可以發現一個有趣的演變脈絡。在水力學中，靜水壓強和動水壓強有明晰的定義和區分。在空氣功力學中，水壓強和水頭概念不存在，有動壓(強)和靜壓(強)概念，但是動壓強的含義和動水壓強完全不同，空氣流速轉化的壓強被稱作動壓;靜壓強的含義也不同于靜水壓強，氣體靜止和流動時的壓強不做區分通稱為靜壓。在(兼顧到水和空氣的)流體力學中，靜壓強和動壓強的概念不使用，流體靜止、運動狀態時壓強的差別也被談化，并用壓強表示這兩種狀態的壓強。
例如暖通專業的流體力學教材【2】，同一本書中就出現了概念的演變。在流體力學章節寫道:流體從靜止到運動，由于粘滯力的作用，改變了壓強的靜力特性，任一點的壓強，不僅與該點所在的空間位置有關，也與方向有關。這就與流體靜壓強有所區別。但粘滯力對壓強隨方向變化的影響很小。這樣，流體流動時的壓強和流體靜壓強，一般在概念上不予區別，一律稱為壓強。在闡述伯努利方程的各項意義時，引用水力學中位置水頭、壓強水頭和速度水頭概念做進一步釋義，而不引人空氣動力學中的動壓名稱。在空氣動力學章節，壓強的概念出現了明確的變化，流動氣體的壓強稱作靜壓，速度能量項稱作功壓，靜壓和動壓之和稱為總壓。
很明顯，水和氣的動力學存在概念差異。動水壓、靜水壓的概念不同于空氣功力學中的靜壓和動壓，不能搬進空氣動力學。同樣道理，后者中的動壓、靜壓、總壓概念搬進水力學也會產生混亂。
把水力學中的動水壓當做靜壓、速度水頭當做動壓，是不適當地把空氣動力學中的靜壓、動壓概念搬進了水力學，這應該是動水壓被誤解的主要原因。
需要指出，有些(非水)流體力學書籍[4.5]完全采用了空氣動力學中的靜壓、動壓概念，這是不適用于以水力學為基礎的給排水工程的。
8結語
給排水管網系統中水流動和靜止的狀態經常互相轉換，有些點上的動水壓值和靜水壓值存在非常明顯（甚至巨大）的差異，這兩個狀態必須都要認真對待。用一個靜壓概念表征這兩個參數會產生混亂。如果說氣流體工程還可以忽視這種差異，把兩種狀態的壓強統一用靜壓表示或稱呼，那么，給排水工程則非常有必要區分這兩種壓強，這不僅有水力學理論的支持，更是實際工程中的需要，兩種壓強有時在數值上的差異實在是太大了。
湘公網安備43011102000873號
