[科普中國]-水躍

簡介

明渠中由急流過渡為緩流時，水流高度發(fā)生局部突變現(xiàn)象稱為水躍。從水閘或溢流壩下泄的急流在受到下游渠道緩流的頂托時，便會發(fā)生水躍。這一現(xiàn)象也可以在水龍頭放水時，在水池中見到（圖1）。

水躍現(xiàn)象可在定常流中出現(xiàn)，它的特點(diǎn)是：在很短的距離內(nèi)，水深急劇增加，流速相應(yīng)減小。

水躍區(qū)的水流可以分為兩部分：上部不斷翻騰旋滾，因摻入空氣而呈白色。下部是主流，是流速急劇變化的區(qū)域。這兩部分的交界面上流速梯度很大，紊動混摻強(qiáng)烈，液體質(zhì)點(diǎn)不斷地穿越交界面進(jìn)行交換（圖2）。

在非定常流的涌波中，也可以形成翻滾前進(jìn)的水躍（見“涌波”詞條）。由于水躍內(nèi)部水體的強(qiáng)烈摩擦混摻而消耗大量機(jī)械能，因此通常把水躍作為消能的有效方式之一。

水躍方程水躍始端和終端兩個斷面的水深分別稱為躍前水深 和躍后水深 。這兩個水深之間存在著共軛關(guān)系。對于水平底棱柱形渠道（即斷面形狀和尺寸沿流向不變的渠道），這個關(guān)系可以用動量原理導(dǎo)出，稱水躍方程：

式中、為斷面面積；、為斷面形心處的水深；、為動量校正系數(shù)；Q為流量；g為重力加速度。A和均為水深h的函數(shù)。不計斷面下標(biāo)，上式兩邊的函數(shù)形式相同，均為。在給定Q的情況下，這是水深h的函數(shù)，稱為水躍函數(shù)θ（h）。這樣，式（1）可以簡單地寫作θ（ ）=θ（ ）。θ（h）與h的關(guān)系曲線如（圖3）所示。

躍前、躍后水深雖不相等 ( > ），但它們的水躍函數(shù)值卻相同，因此把它們稱為共軛水深。當(dāng)已知流量、渠道斷面尺寸及一個水深時，利用式（1）可求得另一水深。對于寬為b的矩形斷面，可直接由式（1）解得：

水躍長度水躍前后兩斷面的距離稱為水躍長度Lj。它是泄水建筑物消能設(shè)計的重要依據(jù)之一，其值多由經(jīng)驗(yàn)公式估算。例如：

式中Fr1為躍前斷面的弗勞德數(shù)（表示慣性力與重力量級比值）。 隨著躍前斷面水流湍急程度（用 Fr1表示）的不同，水躍有不同的形態(tài)。其中波狀水躍無水面旋滾；擺動水躍有射流自底部間歇地向上竄升，旋滾較不穩(wěn)定，躍后水面波動較大。就消能效果而言，F(xiàn)r1越大效果越好。

水躍研究的內(nèi)容還有水躍縱剖面形狀、水躍位置的確定和控制、水躍能量損失等。工程中還常遇到非平底或非棱柱形渠道中的水躍，已有很多研究成果。

水躍的消能效率水躍的消能效率用水躍消能系數(shù) Kj表示， Es1是躍前斷面比能 。

對平底矩形明渠

簡記為.

從 關(guān)系曲線（圖4）可見，隨Fr1增大，消能效率越高1。

水躍的分類

（1） ，水躍表面將形成一系列起伏不平的波浪，波峰沿流降低，最后消失，種形式的水躍稱為波狀水躍。由于波狀水躍無旋滾存在，混摻作用差，消能效果不顯著，波動能量要經(jīng)過較長距離才衰減。

（2）時，水躍成為具有表面水滾的典型水躍，具有典型形態(tài)的水躍稱為完全水躍。此外，根據(jù)躍前斷面佛汝得數(shù)1Fr的大小，還可將完全水躍再作細(xì)分。但這種分類只是水躍紊動強(qiáng)弱表面現(xiàn)象上有所差別，看不出有什么本質(zhì)上的區(qū)別。

（3），稱為弱水躍。水面發(fā)生許多小旋滾，消能效果不大，消能效率小于20%，但躍后斷面比較平穩(wěn)。消能效率是指通過水躍消耗掉的能量占躍前斷面總機(jī)械能的百分?jǐn)?shù)。

（4） ，稱為不穩(wěn)定水躍或擺動水躍。底部射流間歇地往上竄，旋滾較不穩(wěn)定，消能效率20%~45%，躍后斷面水流波動大，需設(shè)輔助消能工。

（5） ，稱為穩(wěn)定水躍。躍后斷面水面平穩(wěn)，消能效果良好，消能效率達(dá)到45%～70%。

（6），稱為強(qiáng)水躍。消能效率可達(dá)到85%，但高速主流挾帶的間歇水團(tuán)不斷滾向下游，產(chǎn)生較大

的水面波動，需設(shè)輔助消能工。