4 Гидравлический прыжок

4.1 Виды гидравлических прыжков

Гидравлическим прыжком называется скачкообразный переход от бурного состояния потока к спокойному, то есть переход от глубин h₁ меньше критических к глубинам h₂ больше критических (рис. 1)

Рисунок 1 – Гидравлический прыжок

Этот переход осуществляется на сравнительно небольшой длине l_п, называемой длиной прыжка.

Глубины h₁ и h₂ называются взаимными или сопряжёнными, разность глубин (h₁ h₂) – высотой прыжка.

Переход потока из бурного состояния в спокойное посредством гидравлического прыжка сопровождается потерями энергии. Причинами потерь энергии являются резкое уменьшение скорости, вращение жидкости в поверхностном вальце, пульсационные явления, вызывающие интенсивное перемешивание жидкости.

В зависимости от соотношения сопряжённых глубин прыжок может быть совершенным или волнистым.

Гидравлический прыжок, в котором над основной транзитной струёй образуется область с водоворотным движением (поверхностный валец), называется совершенным (рис. 1). При совершенном прыжке .

Основное уравнение совершенного гидравлического прыжка имеет вид:

= , (1)

где у – глубина погружения центра тяжести сечения;

= П(h) – прыжковая функция.

Из уравнения (1) следует, что для сопряжённых глубин прыжки равны между собой.

Гидравлический прыжок называется волнистым (прыжок-волна), когда h₁ и h₂ близки к критической глубине . Валец при этом виде прыжка не образуется. Поток принимает форму ряда последовательно затухающих волн с наибольшей глубиной h_в (рис. 2).

Рисунок 2 – Волнистый прыжок

Некоторые гидротехнические сооружения (плотины, мосты и др.) делят поток на два участка, называемых бьефами. Участок, лежащий выше гидротехнического сооружения, называют верхним бьефом, а лежащий ниже сооружения – нижним бьефом. Раздел гидравлики, который рассматривает переход потока с верхнего бьефа в нижний называется сопряжением бьефов.

Непосредственно за водосливом вследствие падения струи скорость потока становится максимальной, а глубина минимальной. Сечение с минимальной глубиной h_c называется стеснённым (рис. 3).

Если уклон дна в нижнем бьефе меньше критического, то в нижнем бьефе устанавливается кривая подпора, который может заканчиваться гидравлическим прыжком.

Различают прыжок отогнанный, надвинутый (рис. 3, б) и затопленный (рис. 3, в).

Рисунок 3 – Отогнанный (а), в сжатом сечении (б) и надвинутый (в) гидравлический прыжок

Если прыжок устанавливается на некотором расстоянии за водосливом, он называется отогнанным. Отогнанный прыжок (рис. 3, а) возникает в том случае, когда у гидротехнического сооружения глубина h_c меньше глубины перед прыжком , являющейся сопряжённой с глубиной потока .

Если прыжок начинается непосредственно в сжатом сечении, он называется прыжком в сжатом сечении.

Если прыжок надвигается на низовую грань водослива, он называется надвинутым (или затопленным).