水躍

水躍是流體力學的一個現象，常在像河或泄洪道的明渠中出現。當高流速的超臨界流進入低流速的亞臨界流中，流體的速度突然變慢，流體部分的動能被紊流消散，部分動能則轉換為位能，造成液面明顯變高，這樣的現象即為水躍。

基本介紹

• 中文名：水躍
• 外文名：hydraulic jump
• 學科：流體力學
• 出現場所：河、泄洪道的明渠
• 特點：在很短的距離內，水深急劇增加等
• 水流分成：上部不斷翻騰旋滾、下部是主流

簡介

明渠中由急流過渡為緩流時，水流高度發生局部突變現象稱為水躍。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，便會發生水躍。這一現象也可以在水龍頭放水時，在水池中見到（圖1）。

圖1 水池中的水躍

水躍現象可在定常流中出現，它的特點是：在很短的距離內，水深急劇增加，流速相應減小。

水躍區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域。這兩部分的交界面上流速梯度很大，紊動混摻強烈，液體質點不斷地穿越交界面進行交換（圖2）。

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

圖2 水躍示意圖

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 和躍後水深 。這兩個水深之間存在著共軛關係。對於水平底稜柱形渠道（即斷面形狀和尺寸沿流向不變的渠道），這個關係可以用動量原理導出，稱水躍方程：

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

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

水躍長度

水躍前後兩斷面的距離稱為水躍長度L_j。它是泄水建築物消能設計的重要依據之一，其值多由經驗公式估算。例如：

式中Fr₁為躍前斷面的弗勞德數（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。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，旋滾較不穩定，躍後水面波動較大。就消能效果而言，Fr1越大效果越好。

水躍研究的內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稜柱形渠道中的水躍，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係數 K_j表示， E_s1是躍前斷面比能 。

對平底矩形明渠

簡記為.

從 關係曲線（圖4）可見，隨Fr1增大，消能效率越高。

圖4 水躍消能係數曲線

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，最後消失，種形式的水躍稱為波狀水躍。由於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，具有典型形態的水躍稱為完全水躍。此外，根據躍前斷面佛汝得數1Fr的大小，還可將完全水躍再作細分。但這種分類只是水躍紊動強弱表面現象上有所差別，看不出有什麼本質上的區別。

（3），稱為弱水躍。水面發生許多小旋滾，消能效果不大，消能效率小於20%，但躍後斷面比較平穩。消能效率是指通過水躍消耗掉的能量占躍前斷面總機械能的百分數。

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

（5） ，稱為穩定水躍。躍後斷面水面平穩，消能效果良好，消能效率達到45%～70%。

（6），稱為強水躍。消能效率可達到85%，但高速主流挾帶的間歇水團不斷滾向下游，產生較大

的水面波動，需設輔助消能工。