Гидравлический прыжок

Резкое скачкообразное увеличение глубины потока, т.е. переход потока из бурного состояния в спокойное на относительно коротком участке русла называется гидравлическим прыжком.

Гидравлический прыжок представляет собой один из примеров резко изме­няющегося движения. Его можно рассматривать как остановившуюся волну перемещения. Если, например, поток, находящийся в бурном состоянии, внезапно преградить, то уровень воды перед преградой резко повысится (рис. 1.1). Создастся волна, которая будет распространяться вверх по течению (обратная положительная волна). Высота и скорость перемещения волны будут постепенно уменьшаться вверх по течению.

При скорости волны с₀, равной средней скорости υ, волна остановится и примет форму гидравлического прыжка. Такое возможно только в потоке, нахо­дящемся в бурном состоянии.

Рис.1.1. Образование ГП

Рис.1.2 Схема ГП

Глубины h₁ и h₂ до и после Г. п. наз. взаимными или сопряжёнными глубинами, а их разность (а=h₂-h₁) определяет высоту ГП. Длина L участка, на к-ром происходит резкое изменение глубин потока, наз. длиной Г. п. Обычно Г. п. возникает при протекании воды через возвышение на дне русла, при вытекании из-под щита или перетекании через водослив.

В ГП глубина h₁меньше критич. глубины h _кр; при переходе к спокойному течению его скорость v₂ становится меньше волновой скорости, а глубина h₂>h _кр (рис.1.2). Участок Г. п., движение воды в к-ром носит сложный водоворотный характер, наз. вальцом. В начале Г прыжка идёт захват основным потоком масс жидкости из вальца, а в конце ГП жидкость основного потока поступает в валец. T. о., между вальцом и основным потоком происходит обмен кол-вом движения, что ведёт к торможению основного течения и значит, потерям энергии.

Основная задача при расчёте ГП - определение взаимных глубин, длины ГП и сопровождающих его потерь энергии. Взаимные глубины можно определитьсоотношением:

(1.1)

где - число Фруда,

g -ускорение силы тяжести;

υ₁ - скорость перед ГП. (определяется из практики-расчет шлюза-рег-ра)

Потери энергии в ГП в этом случае . При больших числах Фруда (Fr>2,5) эти потери составляют свыше 50%, т. е. ГП - хороший гаситель энергии. Поэтому ГП. используется в гидротехнике, например для защиты от размывов НБ плотин. Так, если истечение воды через ГТС происходит с образованием отогнанного ГП, т. е. отодвинутого на нек-рое расстояние от сооружения, то во избежание размыва дна, ниже сооружения устраивают водобойные колодцы или стенки, чтобы приблизить ГП к сооружению (т. е. превратить его в затопленный).

Отогнанный ГП - образующийся на некотором удалении от сооружения (при h₂>h _нб )-гаситель энергии необходимо рассчитать.

Надвинутый (затопленный) ГП - образующийся на некотором удалении от сооружения (при h₂<h _нб ) – размеры гасителя энергии принимаются конструктивно (стандартные)

Например: - глубина колодца (или высота стенки); - длина колодца.

Еще один способ определения сопряженных глубин по зависимостям:

; (1.2)

. (1.3)

или

; (1.4)

;(1.5)

Пользуясь этими уравнениями, можно определить в случае прямоугольного русла одну сопряженную глубину ( или ), если другая сопряженная глубина ( или ) известна.

Длина гидравлического прыжка определяется экспериментально, и обычно ее выражают в долях от высоты гидравлического прыжка, сопряженных глубин и кинетичности потока.

Различными авторами предложено большое количество формул.

По опытным данным при ;

. (1.6)

С опытными данными хорошо согласуются расчеты по формулам
Н. Н. Павловского

; (1.7)

В. А. Шаумяна

; (1.8)

М. Д. Чертоусова: . (1.8)