-
水躍
鎖定
- 中文名
- 水躍
- 外文名
- hydraulic jump
- 學 科
- 流體力學
- 出現場所
- 河、泄洪道的明渠
- 特 點
- 在很短的距離內,水深急劇增加等
- 水流分成
- 上部不斷翻騰旋滾、下部是主流
水躍簡介
水躍現象可在定常流中出現,它的特點是:在很短的距離內,水深急劇增加,流速相應減小。
水躍區的水流可以分為兩部分:上部不斷翻騰旋滾,因摻入空氣而呈白色。下部是主流,是流速急劇變化的區域。這兩部分的交界面上流速梯度很大,紊動混摻強烈,液體質點不斷地穿越交界面進行交換(圖2)。
在非定常流的湧波中,也可以形成翻滾前進的水躍(見“湧波”詞條)。由於水躍內部水體的強烈摩擦混摻而消耗大量機械能,因此通常把水躍作為消能的有效方式之一。
水躍水躍方程
式中
、
為斷面面積;
、
為斷面形心處的水深;
、
為動量校正係數;Q為流量;g為重力加速度。A和
均為水深h的函數。不計斷面下標,上式兩邊的函數形式相同,均為。在給定Q的情況下,這是水深h的函數,稱為水躍函數θ(h)。這樣,式(1)可以簡單地寫作θ(
)=θ(
)。θ(h)與h的關係曲線如(圖3)所示。
躍前、躍後水深雖不相等 (
>
),但它們的水躍函數值卻相同,因此把它們稱為共軛水深。當已知流量、渠道斷面尺寸及一個水深時,利用式(1)可求得另一水深。對於寬為b的矩形斷面,可直接由式(1)解得:
水躍水躍長度
水躍前後兩斷面的距離稱為水躍長度Lj。它是泄水建築物消能設計的重要依據之一,其值多由經驗公式估算。例如:
式中Fr1為躍前斷面的弗勞德數(表示慣性力與重力量級比值)。 隨着躍前斷面水流湍急程度(用 Fr1表示)的不同,水躍有不同的形態。其中波狀水躍無水面旋滾;擺動水躍有射流自底部間歇地向上竄升,旋滾較不穩定,躍後水面波動較大。就消能效果而言,Fr1越大效果越好。
水躍研究的內容還有水躍縱剖面形狀、水躍位置的確定和控制、水躍能量損失等。工程中還常遇到非平底或非稜柱形渠道中的水躍,已有很多研究成果。
水躍水躍的消能效率
水躍的消能效率用水躍消能係數 Kj表示, Es1是躍前斷面比能 。
對平底矩形明渠
簡記為
.
水躍的分類
(1)
,水躍表面將形成一系列起伏不平的波浪,波峯沿流降低,最後消失,種形式的水躍稱為波狀水躍。由於波狀水躍無旋滾存在,混摻作用差,消能效果不顯著,波動能量要經過較長距離才衰減。
(2)
時,水躍成為具有表面水滾的典型水躍,具有典型形態的水躍稱為完全水躍。此外,根據躍前斷面佛汝得數1Fr的大小,還可將完全水躍再作細分。但這種分類只是水躍紊動強弱表面現象上有所差別,看不出有什麼本質上的區別。
(3)
,稱為弱水躍。水面發生許多小旋滾,消能效果不大,消能效率小於20%,但躍後斷面比較平穩。消能效率是指通過水躍消耗掉的能量佔躍前斷面總機械能的百分數。
(4)
,稱為不穩定水躍或擺動水躍。底部射流間歇地往上竄,旋滾較不穩定,消能效率20%~45%,躍後斷面水流波動大,需設輔助消能工。
(5)
,稱為穩定水躍。躍後斷面水面平穩,消能效果良好,消能效率達到45%~70%。
(6)
,稱為強水躍。消能效率可達到85%,但高速主流挾帶的間歇水團不斷滾向下遊,產生較大
的水面波動,需設輔助消能工。