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 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. پرش هیدرولیکی می‌تواند به صورت آزاد یا مستغرق رخ دهد.

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.

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.[۱]

رابطه[ویرایش]

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 مؤلفه 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.[۲]

دو عمق به وجود آمده پیش و پس از پرش هیدرولیکی را اعماق مزدوج می‌نامند.[۳] رابطه پرش هیدرولیکی را می‌توان برای مقاطع هندسی خاص، ساده‌سازی کرد.

مقطع مستطیلی[ویرایش]

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:[۴]

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

انواع پرش[ویرایش]

پرش هیدرولیکی بر اساس عدد فرود پیش از پرش به چند دسته تقسیم می‌شود:[۵]

  • پرش موجی
  • پرش ضعیف
  • پرش نوسانی
  • پرش پایدار
  • پرش قوی

پانویس[ویرایش]

منابع[ویرایش]

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