11. Гидравлический прыжок в прямоугольном русле. Определение потерь энергии в прыжке. Основные определения и классификация

Гидравлическим прыжком называется скачкообразный переход от бурного состояния потока к спокойному. Так как глубина спокойного потока всегда больше глубины бурного, то внешне гидравлический прыжок выражается во внезапном подъеме свободной поверхности. При этом происходит переход от глубин потока меньше критических, к глубинам больше критических. Общая схема гидравлического прыжка показана на рис. 11.1.

Рис. 11.1

Глубина h₁ бурного потока перед прыжком и глубина h₂ спокойного потока после прыжка называются сопряженными глубинами прыжка. Разность этих глубин

называется высотой прыжка, расстояние l _пр между сечениями с глубинами h₁ и h₂ называется длиной прыжка.

Прыжок возникает всегда, когда при увеличении глубин свободная поверхность пересекает линию критических глубин К–К (рис. 11.1)

Характер движения жидкости в пределах гидравлического прыжка следующий.

В потоке между сечениями с бурным течением (глубиной h₁) и со спокойным течением (глубиной h₂) возникает как бы поверхность раздела. Ниже этой поверхности транзитная струя резко расширяется от глубины h₁ до глубины h₂, выше поверхности раздела образуется поверхностный валец. Движение в вальце имеет сложный характер, он представляет собой водоворотную область с весьма неупорядоченным течением. В поверхностной части вальца преобладает движение частиц жидкости в направлении, обратном основному течению. В зоне раздела между вальцом и основным потоком частицы жидкости движутся в направлении движения основного потока. Валец и основной поток все время обмениваются между собой массами жидкости: в начале прыжка идет захват основным потоком масс жидкости из вальца, в конце прыжка жидкость из основного потока поступает в валец. Движение жидкости на участке прыжка носит пульсирующий неустановившийся характер – валец то сдвигается вниз по течению, то перемещается вверх. Верхняя поверхность вальца получается неровной, волнообразной. Валец насыщен пузырьками воздуха.

Непосредственно за прыжком находится послепрыжковый участок потока. Сразу за прыжком распределение осредненных скоростей по глубине потока имеет некоторые особенности: скорость в верхней точке живого сечения близка к нулю, придонные скорости значительны (рис. 11.1). Прыжок способствует резкому увеличению пульсаций скорости и давления в турбулентном потоке, поэтому поток за прыжком характеризуется интенсивной турбулентностью. На протяжении послепрыжкового участка происходит затухание пульсаций до величин, характерных для равномерного течения, в конце участка распределение скоростей принимает вид, также характерный для равномерного течения.

Для оценки длины прыжка l_пр и длины послепрыжкового участка l_пп используются различные эмпирические формулы, выражающие эти длины через глубины в русле. На практике обычно пользуются следующими соотношениями:

,

.

Иногда используют формулу Н. Д. Чертоусова

.

Гидравлический прыжок вызывает весьма резкие изменения в конфигурации потока и условиях его протекания, в гидравлическом прыжке происходят значительные потери энергии. При этом, в зависимости от параметров прыжка, величина местных потерь энергии может быть различной. Это обстоятельство затрудняет использование для расчетов параметров прыжка уравнения Бернулли, при решении которого необходимо знать величину потерь энергии.