پرش هیدرولیکی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
(تغییرمسیر از جهش هیدرولیک)
پرش به: ناوبری، جستجو
قایق مواجه شده با جهش هیدرولیکی در رودخانهٔ مواج تریورین ولز

پرش هیدرولیکی، جهش هیدرولیکی یا پرش آبی پدیده‌ای در علم هیدرولیک است که در جریان کانال باز مورد بحث قرار می‌گیرد. هنگامی که در یک کانال با سطح آزاد، در بالادست جریان فوق بحرانی و در پایین‌دست جریان زیر بحرانی وجود داشته‌باشد، در مقطعی میان این دو جریان، پرش هیدرولیکی رخ می‌دهد که با استهلاک انرژی زیادی همراه است.

نوع پرش هیدرولیکی وابسته به سرعت اولیه سیال است. اگر سرعت اولیه سیال کمتر از سرعت بحرانی باشد، پرشی رخ نمی‌دهد. برای سرعت‌هایی نیز که چندان بالاتر از سرعت بحرانی نیستند، انتقال انرژی به صورت امواج متلاطم پدیدار می‌شود. بعد از این مقدار هرچه سرعت اولیه سیال افزایش یابد، انتقال انرژی سریع‌تر می‌شود، تا جایی که در سرعت‌های بالا، ذرات سیال از آن جدا شده و به سوی بالا پرت شده و به سمت جریان بازمی‌گردند. وقتی این اتفاق می‌افتد، پرش همراه با اثرات شدید تلاطم ناشی از جریان مانده و گردابی هوا و امواج سطحی می‌شود.

پرش هیدرولیکی باعث کاهش انرژی آب می‌شود که در جلوگیری از تخریب دیواره کانال‌ها بر اثر سرعت زیاد آب، کاربرد دارد. هم‌چنین آشفتگی ایجاد شده در حین پرش، می‌تواند در مخلوط کردن مواد شیمیایی با آب و نیز هوادهی آب مورد استفاده قرار گیرد.

پرش هیدرولیکی مستغرق در سناریوی C

پرش هیدرولیکی می‌تواند به صورت آزاد یا مستغرق رخ دهد. هرگاه عمق آب پایین دست (y_{d}) بیشتر از عمق ثانویه پرش هیدرولیکی (y_{2}) گردد، پرش هیدرولیکی بصورت مستغرق شکل میگیرد.[۱]

تعریف[ویرایش]

پرش هیدرولیکی پدیده‌ای در علم هیدرولیک از نوع جریان متغیر سریع است که بیش‌تر در جریان‌های با سطح آزاد مثل جریان رودخانه‌ها و جریان خروجی از سرریزها و دریچه‌ها مورد بحث قرار می‌گیرد. هنگامی که در بالادست یک کانال با سطح آزاد، جریان فوق بحرانی و در پایین‌دست آن، جریان زیر بحرانی وجود داشته‌باشد، در مقطعی میان این دو جریان، پرش هیدرولیکی رخ می‌دهد. زیرا تبدیل جریان از فوق بحرانی به زیر بحرانی به صورت ملایم امکان‌پذیر نیست؛ بنابراین در پدیده پرش هیدرولیکی، جریان از حالت فوق بحرانی به حالت زیر بحرانی تبدیل می‌شود. این تبدیل به صورت ناگهانی و در فاصله‌ای کوتاه رخ می‌دهد و به دلیل ایجاد آشفتگی در سطح آب، با استهلاک انرژی زیادی همراه است.[۲]

کاربرد و خواص پرش هیدرولیکی[ویرایش]

  • کاهش انرژی آب در جریان از روی سدها، سرریزها و دیگر سازه‌های هیدرولیکی و نهایتاً محافظت قسمت‌های پایین دست
  • ترمیم و افزایش سطح آب در کانال‌ها به منظور پخش آب
  • افزایش دبی خروجی از زیر دریچه‌ها با دور نگه داشتن سطح پایاب و نهایتاً افزایش ارتفاع مؤثر در عرض دریچه
  • کاهش فشار بالابرنده در زیر سازه‌ها با افزایش عمق آب در دامنه سازه
  • مخلوط نمودن مواد شیمیایی جهت تصفیه آب یا فاضلاب و نیز جهت مصارف کشاورزی
  • هوادهی جریان‌ها و کلرزدائی فاظلاب
  • جدا نمودن هوای محبوس از جریان‌های موجود در کانال‌های باز دایروی
  • مشخص نمودن شرایط جرایان‌های خاص نظیر وجود جریان‌های فوق بحرانی یا وجود یک سطح مقطع کنترل جهت ایجاد ایستگاه‌های اندازه‌گیری کم خرج[۳]

رابطهٔ ریاضی[ویرایش]

پرش هیدرولیکی در رودخانه بوردکین بعد از سد بوردکین ناشی از انسداد پایین دست و تغییر شیب.

فرض می‌شود که در یک حجم کنترل میان دو مقطع ۱ و ۲ با فاصله کوتاه، جریان با سطح آزاد برقرار باشد؛ به گونه‌ای که در مقطع ۱ جریان فوق بحرانی و در مقطع ۲ جریان زیر بحرانی باشد. معادله بقای اندازه حرکت بین دو مقطع ۱ و ۲ با فرض ناچیز بودن اصطکاک و مؤلفهٔ نیروی وزن در امتداد جریان، به صورت زیر نوشته می‌شود:

F_{p1}-F_{p2}=\rho Q (v_2-v_1)

که در آن، Fp1 و Fp2 فشار وارد بر سیال در مقطع ۱ و ۲ هستند که به صورت F_p=\gamma \bar{d} A تعریف می‌شوند که در آن A سطح مقطع جریان و \bar{d} فاصله مرکز سطح تا سطح آزاد می‌باشند. Q دبی جریان، ρ چگالی سیال و v1 و v2 سرعت جریان در مقطع ۱ و ۲ هستند.[۴]

دو عمق به وجود آمده پیش و پس از پرش هیدرولیکی را اعماق مزدوج می‌نامند.[۵] رابطهٔ پرش هیدرولیکی را می‌توان برای مقاطع هندسی خاص، ساده‌سازی کرد.

مقطع مستطیلی
شماتیک پرش هیدرولیکی

در مقطع مستطیلی \bar{d}=y/2 که y عمق سیال است. هم‌چنین A=by که b عرض کانال است؛ بنابراین رابطه پرش هیدرولیکی برای مقطع مستطیلی به صورت زیر است:

\frac{y_1^2}{2}+\frac{Q^2}{gy_1^2 b^2}=\frac{y_2^2}{2}+\frac{Q^2}{gy_2^2 b^2}

با استفاده از تعریف عدد فرود و ساده‌سازی معادله بالا، رابطه‌ای به صورت زیر به دست می‌آید که نسبت دو عمق مزدوج پیش و پس از پرش را برحسب عدد فرود پیش از پرش (Fr1) نشان می‌دهد:[۶]

\frac{y_2}{y_1}=\frac{1}{2}(\sqrt{1+8Fr_1^2}-1)

طول پرش[ویرایش]

طول پرش (‎Lj) به صورت فاصلهٔ میان شروع پرش تا پایان آخرین موج آشفتگی تعریف می‌شود و در محاسبات طراحی، به کار می‌رود. بر اساس پژوهش‌های انجام شده، رابطه‌ها و نمودارهای گوناگونی برای تعیین طول پرش ارائه شده‌اند. یکی از رابطه‌های مورد استفاده برای محاسبهٔ طول پرش در کانال‌های مستطیلی، توسط اداره عمران و آبادانی آمریکا، به صورت زیر معرفی شده‌است:[۷]

L_j=
\begin{cases} 
  3y_2.Fr_1^{1/2} & 1 <Fr_1 <2.5 \\
  5(y_2-y_1) & 2.5 \leq Fr_1 <4.5 \\
  6y_2 & 4.5 \leq Fr_1 <9
\end{cases}

پرش روی سطح شیب‌دار[ویرایش]

اگر شیب کانال قابل توجه باشد، باید اثر نیروی وزن سیال در معادلهٔ اندازهٔ حرکت در نظر گرفته شود.

انواع پرش[ویرایش]

پرش‌ها از نظر گوناگونی به دو صورت قابل تقسیم‌بندی هستند:

تقسیم‌بندی بر اساس جریان بالادست[ویرایش]

پرش هیدرولیکی بر اساس عدد فرود پیش از پرش (‎Fr1) به چند دسته تقسیم می‌شود:[۸]

  • پرش موجی: اگر ‎1≤Fr1≤1.7 باشد، تنها آشفتگی اندکی در سطح آب دیده می‌شود و امواج کوچکی را در سطح آب پدید می‌آورد.
  • پرش ضعیف: اگر ‎1.7≤Fr1≤2.5 باشد، پرش هیدرولیکی حاصله با آشفتگی سطحی شناسایی می‌شود و سرعت در مقطع جریان، تقریباً یکنواخت است.
  • پرش نوسانی: اگر ‎2.5≤Fr1≤4.5 باشد، نفوذ جریان بالادست به پیشانی پرش، باعث ایجاد موج نامنظمی می‌شود که به سوی پایین‌دست حرکت می‌کند.
  • پرش پایدار: اگر ‎4.5≤Fr1≤9 باشد، پرش شدید در یک منطقه محصور می‌شود و موجی به سوی پایین‌دست تشکیل نمی‌شود.
  • پرش قوی: اگر ‎9≤Fr1 باشد، پرش بسیار شدید باعث افت قابل ملاحظهٔ انرژی جریان می‌شود.

تقسیم‌بندی بر اساس جریان پایین‌دست[ویرایش]

وضعیت جریان در پایین‌دست پرش می‌تواند باعث تغییر در پرش شود.

  • پرش آزاد: در این گونه پرش، شرایط پایین‌دست تأثیری در پرش هیدرولیکی و بالادست آن ندارد.
  • پرش مستغرق: در این گونه پرش، شرایط پایین‌دست به گونه‌ای است که امکان تشکیل عمق مزدوج در بالادست وجود ندارد. در نتیجه پرش به سوی بالادست پیشروی می‌کند و در صورت وجود مانع (مانند دریچه) پرش به صورت مستغرق انجام می‌شود و آشفتگی به درون جریان منتقل می‌شود.[۹]

پانویس[ویرایش]

منابع[ویرایش]

  • حسینی، سید محمود و جلیل ابریشمی. هیدرولیک کانالهای باز. دانشگاه امام رضا، ۱۳۸۹. شابک ‎۹۶۴–۶۵۸۲–۱۹–۲.