Ein hydraulischer Sprung ist ein Phänomen in der Wissenschaft der Hydraulik, die oft im offenen Kanalfluss wie Flüsse und Abflusskanäle beobachtet wird. Wenn Flüssigkeit bei hohen Geschwindigkeitsentladungen in eine Zone der niedrigeren Geschwindigkeit, ein ziemlich plötzlicher Anstieg in der flüssigen Oberfläche vorkommt. Die schnell fließende Flüssigkeit wird plötzlich verlangsamt und nimmt in der Höhe zu, etwas von der anfänglichen kinetischen Energie des Flusses in eine Zunahme in der potenziellen Energie mit einer durch die Turbulenz irreversibel verlorenen Energie umwandelnd, um zu heizen. In einem offenen Kanalfluss erscheint das als der schnelle Fluss, der sich schnell verlangsamt und sich oben auf sich ähnlich dem anhäuft, wie sich ein shockwave formt.

Das Phänomen ist auf die anfängliche flüssige Geschwindigkeit abhängig. Wenn die anfängliche Geschwindigkeit der Flüssigkeit unter der kritischen Geschwindigkeit ist, dann ist kein Sprung möglich. Für anfängliche Fluss-Geschwindigkeiten, die nicht bedeutsam über der kritischen Geschwindigkeit sind, erscheint der Übergang als eine Wellenwelle. Da die anfängliche Fluss-Geschwindigkeit weiter zunimmt, wird der Übergang plötzlicher, bis an hoch genug Geschwindigkeiten, die Übergang-Vorderseite wird brechen und sich zurück auf sich locken. Wenn das geschieht, kann der Sprung durch die gewaltsame Turbulenz, das Wirbeln, Luft entrainment, und wellenförmige Oberflächenbewegungen oder Wellen begleitet werden.

Es gibt zwei Hauptmanifestationen von hydraulischen Sprüngen, und historisch verschiedene Fachsprache ist für jeden verwendet worden. Jedoch sind die Mechanismen hinter ihnen ähnlich, weil sie einfach Schwankungen von einander sind, der von verschiedenen Bezugssystemen gesehen ist, und so können die Physik und Analyse-Techniken für beide Typen verwendet werden.

Die verschiedenen Manifestationen sind:

• Der stationäre hydraulische Sprung - schnell Wasserübergänge in einem stationären Sprung zu langsam bewegendem Wasser, wie gezeigt, in Abbildungen 1 und 2 überflutend.
• Die langweilige Gezeitenangelegenheit - eine Wand oder Wellenwelle von Wasserbewegungen stromaufwärts gegen Wasser, das, stromabwärts wie gezeigt, in Abbildungen 3 und 4 fließt. Wenn betrachtet, von einem Bezugssystem, das sich mit der Welle-Vorderseite bewegt, können Sie sehen, dass dieser Fall einem stationären Sprung physisch ähnlich ist.

Ein zusammenhängender Fall ist eine Kaskade - eine Wand oder Wellenwelle von Wasserbewegungen, die stromabwärts einen seichteren abwärts gelegenen Fluss von Wasser, wie gezeigt, in der Abbildung 5 einholen. Wenn betrachtet, von einem Bezugssystem, das sich mit der Welle-Vorderseite bewegt, ist das derselben Analyse wie ein stationärer Sprung zugänglich.

Diese Phänomene werden in einer umfassenden Literatur aus mehreren technischen Gesichtspunkten gerichtet.

Klassen von hydraulischen Sprüngen

Hydraulische Sprünge können sowohl in einer stationären Form, genannt einen hydraulischen Sprung, als auch in einer dynamischen oder bewegenden Form, genannt eine positive Woge oder "hydraulischen Sprung in der Übersetzung" gesehen werden. Sie können mit denselben analytischen Annäherungen beschrieben werden und sind einfach Varianten eines einzelnen Phänomenes.

Das Bewegen hydraulischen Sprungs

Eine langweilige Gezeitenangelegenheit ist ein hydraulischer Sprung, der vorkommt, wenn die Flut eine Welle (oder Wellen) von Wasser bildet, die eine schmale oder Flussbucht gegen die Richtung des Stroms reisen. Wie für hydraulische Sprünge im Allgemeinen wahr ist, trägt übernehmen verschiedene Formen abhängig von Unterschied im Wasserspiegel stromaufwärts und unten, im Intervall von einem undular wavefront zu einer Wand "Stoß-Welle wie" Wassers. Abbildung 3 zeigt eine langweilige Gezeitenangelegenheit mit den Eigenschaften, die für den seichten stromaufwärts Wasser üblich sind - ein großer Erhebungsunterschied wird beobachtet. Abbildung 4 zeigt eine langweilige Gezeitenangelegenheit mit den Eigenschaften, die für den tiefen stromaufwärts Wasser üblich sind - ein kleiner Erhebungsunterschied wird beobachtet und der wavefront undulates. In beiden Fällen bewegt sich die Welle an der Geschwindigkeitseigenschaft von Wellen in Wasser der Tiefe gefunden sofort hinter der Welle-Vorderseite. Ein Hauptmerkmal von Gezeiten-trägt, und positive Wogen ist das intensive unruhige Mischen, das durch den Durchgang der Vorderseite der langweiligen Angelegenheit und durch die folgende Welle-Bewegung veranlasst ist.

Eine andere Schwankung des bewegenden hydraulischen Sprungs ist die Kaskade. In der Kaskade, einer Reihe von Rollenwellen oder Wellenwellen von Wasserbewegungen, die stromabwärts einen seichteren abwärts gelegenen Fluss von Wasser einholen.

Stationärer hydraulischer Sprung

Der stationäre hydraulische Sprung wird am häufigsten auf Flüssen und auf konstruierten Eigenschaften wie outfalls von Dämmen und Bewässerungsarbeiten gesehen. Sie kommen vor, wenn sich ein Fluss von Flüssigkeit an der hohen Geschwindigkeit in eine Zone des Flusses oder der konstruierten Struktur entlädt, die nur eine niedrigere Geschwindigkeit stützen kann. Wenn das vorkommt, verlangsamt sich das Wasser in einem ziemlich plötzlichen Anstieg (ein Schritt oder stehende Welle) auf der flüssigen Oberfläche.

Die Eigenschaften vorher und danach vergleichend, findet man:

Der andere stationäre hydraulische Sprung kommt vor, wenn ein schneller Fluss auf einen untergetauchten Gegenstand stößt, der das Wasser aufwärts wirft. Die Mathematik hinter dieser Form ist komplizierter und wird die Gestalt des Gegenstands und die Fluss-Eigenschaften der Flüssigkeit darum in Betracht ziehen müssen.

Analyse des hydraulischen Sprungs auf einer flüssigen Oberfläche

Trotz der offenbaren Kompliziertheit des Fluss-Übergangs ist die Anwendung einfacher analytischer Werkzeuge zu einer zwei dimensionalen Analyse in der Versorgung analytischer Ergebnisse wirksam, die nah sowohl Feld-als auch Laborergebnissen anpassen. Analyse-Shows:

• Höhe des Sprungs: die Beziehung zwischen den Tiefen vorher und nach dem Sprung als eine Funktion des Durchflusses.
• Energieverlust im Sprung
• Position des Sprungs auf einem natürlichen oder einer konstruierten Struktur
• Charakter des Sprungs: undular oder plötzlicher

Höhe des Sprungs

Es gibt mehrere Methoden, die Höhe eines hydraulischen Sprungs vorauszusagen.

Sie alle gelangen zu allgemeinen Schlüssen dass:

• Das Verhältnis der Wassertiefe vorher und nach dem Sprung hängt allein vom Verhältnis der Geschwindigkeit des Wassers ab, das in den Sprung zur Geschwindigkeit der Welle eingeht, die das bewegende Wasser überflutet.
• Die Höhe des Sprungs kann oft die anfängliche Tiefe des Wassers sein.

Eine zweidimensionale Situation mit dem Durchfluss, wie gezeigt, durch die Zahl unten annehmend, gibt die Annäherung, dass der Schwung-Fluss dasselbe gerade - und stromabwärts des Energiegrundsatzes ist, einen Ausdruck des Energieverlustes im hydraulischen Sprung nach. Hydraulische Sprünge werden als Energie dissipaters stromabwärts Dammabflusskanäle allgemein verwendet.

Die Verwendung des Kontinuitätsgrundsatzes

In der flüssigen Dynamik ist die Gleichung der Kontinuität effektiv eine Gleichung der Bewahrung der Masse. Jede feste geschlossene Oberfläche innerhalb eines incompressible als bewegende Flüssigkeit, die Flüssigkeitsströmungen in ein gegebenes Volumen an einigen Punkten und Flüssen an anderen Punkten entlang der Oberfläche ohne Nettoänderung in der Masse innerhalb des Raums da betrachtend, ist die Dichte unveränderlich. Im Falle eines rechteckigen Kanals dann gibt die Gleichheit des Massenflusses stromaufwärts und stromabwärts :

: oder

mit der flüssigen Dichte und den Tiefe-durchschnittlichen Fluss-Geschwindigkeiten stromaufwärts und stromabwärts, und und die entsprechenden Wassertiefen.

Bewahrung des Schwung-Flusses

Die Bewahrung des Schwung-Flusses über den Sprung, unveränderliche Dichte annehmend, kann als ausgedrückt werden:

:

Sprung-Höhe in Bezug auf den Fluss

Das Teilen durch den unveränderlichen und das Einführen des Ergebnisses von Kontinuität geben

:

Zu dem, nach einer Algebra, vereinfacht:

:

wo Hier die ohne Dimension Zahl von Froude ist, und sich Trägheits-auf Gravitationskräfte in stromaufwärts Fluss bezieht. Das Lösen davon quadratische Erträge:

:

Negative Antworten geben bedeutungsvolle physische Lösungen nicht nach, so nimmt das ab zu:

: so

:

bekannt als Gleichung von Bélanger.

Das erzeugt drei Lösungsklassen:

• Wenn, dann (d. h., es keinen Sprung gibt)
• Wenn

• Wenn oder, dann (d. h., es einen positiven Sprung gibt)

Das ist zur Bedingung das gleichwertig. Seitdem er der Geschwindigkeit einer seichten Ernst-Welle, die Bedingung gewesen ist, die zum Angeben gleichwertig ist, dass die anfängliche Geschwindigkeit superkritischen Fluss vertritt (Zahl von Froude> 1), während die Endgeschwindigkeit unterkritischen Fluss vertritt (numerieren Froude Je größer der Sprung, wie ausgedrückt, in Bezug auf seine Zahl von Zustrom Froude, desto größer der Hauptverlust.

Analytisch kann der Bruchenergieverlust (FEL) in Bezug auf die Zahl von Froude für den Ereignis-Fluss als ausgedrückt werden:

:

Da das zum Folgern gleichwertig ist, dass der Energieverlust durch das Voraussagen oder das Messen der Geschwindigkeit und Tiefe von hereingehendem Wasser vorausgesagt werden kann.

Position des hydraulischen Sprungs in einem streambed oder einer konstruierten Struktur

Im Design eines Damms muss die Energie des schnell fließenden Stroms über einen Abflusskanal teilweise zerstreut werden, um Erosion des streambed stromabwärts des Abflusskanals zu verhindern, der zu Misserfolg des Damms schließlich führen konnte. Das kann getan werden, indem es für die Bildung eines hydraulischen Sprungs Vorkehrungen getroffen wird, Energie zu zerstreuen. Um Schaden zu beschränken, kommt dieser hydraulische Sprung normalerweise auf einer Schürze vor, die konstruiert ist, um hydraulischen Kräften zu widerstehen und lokalen cavitation und andere Phänomene zu verhindern, die Erosion beschleunigen.

Im Design eines Abflusskanals und Schürze wählen die Ingenieure den Punkt aus, an dem ein hydraulischer Sprung vorkommen wird. Hindernisse oder Steigungsänderungen werden in die Schürze alltäglich entworfen, um einen Sprung an einer spezifischen Position zu zwingen. Hindernisse sind unnötig, weil die Steigungsänderung allein normalerweise genügend ist. Um den hydraulischen Sprung ohne Hindernisse auszulösen, wird eine Schürze solch entworfen, dass der flache Hang der Schürze das schnell fließende Wasser vom Abflusskanal verzögert. Wenn der Schürze-Hang ungenügend ist, um die ursprüngliche hohe Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten, wird ein Sprung vorkommen.

Zwei Methoden, einen veranlassten Sprung zu entwerfen, sind üblich:

• Wenn der abwärts gelegene Fluss durch den abwärts gelegenen solchen Kanal eingeschränkt wird, dass Wasser auf den Fuß des Abflusskanals unterstützt, dass abwärts gelegener Wasserspiegel verwendet werden kann, um die Position des Sprungs zu identifizieren.
• Wenn der Abflusskanal fortsetzt, für eine Entfernung zu fallen, aber der Hang ändert sich solch, dass es superkritischen Fluss nicht mehr unterstützen wird, ist die Tiefe im niedrigeren unterkritischen Fluss-Gebiet genügend, die Position des Sprungs zu bestimmen.

In beiden Fällen wird die Endtiefe des Wassers durch die abwärts gelegenen Eigenschaften bestimmt. Der Sprung wird vorkommen, wenn, und nur wenn das Niveau des einfließenden (superkritischen) Wasserspiegels die Bedingung befriedigt:

:

: = stromaufwärts Froude Zahl

: g = Beschleunigung wegen des Ernstes (im Wesentlichen unveränderlich für diesen Fall)

: h = Höhe der Flüssigkeit (= anfängliche Höhe während = abwärts gelegene Endhöhe)

Luft entrainment in hydraulischen Sprüngen

Der hydraulische Sprung wird durch einen hoch unruhigen Fluss charakterisiert. Makroskala-Wirbelwinde entwickeln sich in der Sprung-Rolle und wirken aufeinander

mit der freien Oberfläche, die zu Luftbürste entrainment, Spritzen und Tröpfchen-Bildung im zweiphasigen Fluss-Gebiet führt. Der Luftwasserfluss wird mit der Turbulenz vereinigt, die auch zu Bodensatz-Transport führen kann. Die Turbulenz kann durch die Luftblase-Dynamik stark betroffen werden. Physisch sind die an diesen Prozessen beteiligten Mechanismen kompliziert.

Die Luft entrainment kommt in der Form von Luftbürsten und Luftpaketen vor, die am Stoß des stromaufwärts Strahlflusses mit der Rolle verführt sind. Die Luftpakete werden in sehr kleinen Luftbürsten zerbrochen, weil sie im scheren Gebiet verladen werden, das durch große Luftanteile und maximale Luftblase-Raten der Zählung charakterisiert ist. Sobald die verladenen Luftblasen advected in Gebiete von kleineren sind, mähen, Luftblase-Kollisionen und Fusion führen zu größeren Luftentitäten, die zur freien Oberfläche durch eine Kombination der Ausgelassenheit und unruhigen Advektion gesteuert werden.

Tabellarische Zusammenfassung der analytischen Beschlüsse

NB: Die obengenannte Klassifikation ist sehr rau. Undular hydraulische Sprünge sind mit Zahlen von Zustrom/Vorsprung Froude bis zu 3.5 zu 4 beobachtet worden.

Hydraulische Sprung-Schwankungen

Mehrere Schwankungen sind der ähnlichen Analyse zugänglich:

Seichte flüssige hydraulische Sprünge

Der hydraulische Sprung in Ihrem Becken

Abbildung 2 illustriert oben, dass ein tägliches Beispiel eines hydraulischen Sprungs im Becken gesehen werden kann. Um den Platz, wo das Klaps-Wasser das Becken schlägt, werden Sie ein glatt aussehendes Fluss-Muster sehen. Ein wenig weiter weg werden Sie einen plötzlichen "Sprung" im Wasserspiegel sehen. Das ist ein hydraulischer Sprung.

Die Natur dieses Sprungs unterscheidet sich von denjenigen, die vorher auf die folgenden Weisen besprochen sind:

• Das Wasser fließt radial. Infolgedessen wächst es unaufhörlich seichter und verlangsamt sich wegen der Reibung (die Zahl-Fälle von Froude) bis zum Punkt, wo der Sprung vorkommt.
• Die Fluss-Tiefe ist dünn genug, dass die Oberflächenspannung nicht mehr vernachlässigt werden kann, die Welle-Lösungsbeschlüsse ändernd. Die höhere Geschwindigkeit der Oberflächenspannungswellen verblutet vom hohen Frequenzbestandteil, einen undular lassend, die dominierende Form springen.

Änderungen im Verhalten des Sprungs können durch das Ändern des Durchflusses beobachtet werden.

Innere Welle hydraulische Sprünge

Hydraulische Sprünge in der abgrundtiefen Anhänger-Bildung

Trübheitsströme können auf innere hydraulische Sprünge (d. h., hydraulische Sprünge als innere Wellen in Flüssigkeiten der verschiedenen Dichte) in der abgrundtiefen Anhänger-Bildung hinauslaufen. Die inneren hydraulischen Sprünge sind mit dem Salzgehalt vereinigt worden, oder Temperatur hat Schichtung sowie mit Dichte-Unterschieden wegen aufgehobener Materialien veranlasst. Wenn sich das Bett neigt, über den der Trübheitsstrom flach wird, wird die langsamere Rate des Flusses durch die vergrößerte Bodensatz-Absetzung unter dem Fluss widergespiegelt, einen allmählichen rückwärts gerichteten Hang erzeugend. Wo ein hydraulischer Sprung vorkommt, ist die Unterschrift ein plötzlicher rückwärts gerichteter Hang entsprechend der schnellen Verminderung des Durchflusses am Punkt des Sprungs.

Atmosphärische hydraulische Sprünge

Eine zusammenhängende Situation ist die Wolke von Morning Glory beobachtet, zum Beispiel, im Nördlichen Australien, manchmal genannt einen Undular-Sprung.

Industrie- und Erholungsanwendungen für hydraulische Sprünge

Industriell

Der hydraulische Sprung ist die meistens verwendete Wahl von Designingenieuren für die Energieverschwendung unter Abflusskanälen und Ausgängen. Ein richtig bestimmter hydraulischer Sprung kann für 60-70-%-Energieverschwendung der Energie in der Waschschüssel selbst sorgen, den Schaden an Strukturen und dem streambed beschränkend. Sogar mit solcher effizienter Energieverschwendung, stilling Waschschüsseln muss sorgfältig entworfen werden, um ernsten Schaden zu vermeiden, der erwartet ist, Vibrieren, cavitation, und Abreiben emporzuheben. Eine umfassende Literatur ist für diesen Typ der Technik entwickelt worden.

Erholungs-

Während

sie unten reisen werden, werden Fluss, Kajakfahren und Kanufahren paddlers häufig anhalten und playboat in stehenden Wellen und hydraulischen Sprüngen. Die stehenden Wellen und Stoß-Vorderseiten von hydraulischen Sprüngen machen für populäre Positionen für solche Unterhaltung.

Ähnlich, wie man bekannt hat, sind kayakers und Surfer Gezeiten-geritten trägt Flüsse.

Siehe auch

• Stoß-Welle

Langweilige

• Gezeitenangelegenheit
• Turbulenz
• Laminar überfluten
• Undular tragen

Verweisungen und Zeichen

Weiterführende Literatur