Кіріспе
Жоғары жылдамдықты сұйықтықтың төмен жылдамдықты аймаққа құйылуы Гидравликалық секіру – гидравлика ғылымындағы құбылыс, ол өзендер мен төгілу арналары сияқты ашық арна ағынында жиі кездеседі. Сұйықтық жоғары жылдамдықпен төмен жылдамдықты аймаққа құйылғанда, сұйықтық бетінде күрт көтерілу пайда болады. Жылдам ағып жатқан сұйықтық кенеттен баяулап, биіктігі артады, ағынның бастапқы кинетикалық энергиясының бір бөлігін потенциалдық энергияның өсуіне айналдырады, ал энергияның бір бөлігі турбуленттік салдарынан жылуға айналып қайтарылмай кетіп, жоғалады. Ашық арна ағынында бұл жылдам ағыстың тез баяулауы және соққы толқынының пайда болуына ұқсас, өзінің үстіне жиналуымен көрінеді. Оны алғаш рет 1500 жылдары Леонардо да Винчи байқап, сипаттаған. Математикалық негізін алғаш рет 1820 жылы «Experiences sur le remou et sur la propagation des ondes» атты мақаласында жариялаған Турин университетінің профессоры Джорджио Бидон жасады. Бұл құбылыс сұйықтықтың бастапқы жылдамдығына байланысты. Егер сұйықтықтың бастапқы жылдамдығы сындық жылдамдықтан төмен болса, онда секіру пайда болмайды. Бастапқы ағыс жылдамдығы сындық жылдамдықтан айтарлықтай жоғары болмаған жағдайда, ауысу толқын тәрізді көрінеді. Бастапқы ағыс жылдамдығы одан әрі артқан сайын, ауысу күрт сипатқа ие болады, ал жеткілікті жылдамдыққа жеткенде ауысу шегі бұзылып, өзіне кері оралады. Мұндай жағдайда секіру кезінде күшті турбуленттік, айналу, ауаның араласуы және беттік толқындар пайда болуы мүмкін. Гидравликалық секірудің екі негізгі түрі бар және тарихи түрде әрқайсысы үшін әртүрлі терминология қолданылған. Дегенмен, олардың негізгі механизмдері ұқсас, себебі олар әртүрлі координаттық жүйелерден қарастырылғандағы бір-бірінің өзгерулері ғана, сондықтан физикалық және талдау әдістері екі түрге де қолданылуы мүмкін. Осы екі түр: Тұрақты гидравликалық секіру – жылдам ағып жатқан судың тұрақты секіру арқылы баяу қозғалатын суға өтуі (1- және 2-суреттерде көрсетілген). Толқындық бұрылыс – судың қабырғасы немесе толқыны судың төмен ағысымен қарама-қарсы бағытта қозғалады (3- және 4-суреттерде көрсетілген). Егер толқын шегімен бірге қозғалатын координаттық жүйе қарастырылса, онда толқын шегі координаттық жүйеге қатысты тұрақты болады және тұрақты секірумен бірдей сипаттамаға ие болады. Бұған ұқсас жағдай – каскад, судың қабырғасы немесе толқыны төмен ағыстағы су ағынын басып өтеді және төмен ағысқа қарай қозғалады (5-суретте көрсетілген). Егер толқын шегімен бірге қозғалатын координаттық жүйеден қарастырылса, онда бұл тұрақты секіруге ұқсас талдауға жатады. Бұл құбылыстар көптеген техникалық аспектілер бойынша кеңінен зерттелген. Гидравликалық секіру кейде химиялық заттарды араластыру үшін қолданылады.
A hydraulic jump is a phenomenon in the science of hydraulics which is frequently observed in open channel flow such as rivers and spillways. When liquid at high velocity discharges into a zone of lower velocity, a rather abrupt rise occurs in the liquid surface. The rapidly flowing liquid is abruptly slowed and increases in height, converting some of the flow's initial kinetic energy into an increase in potential energy, with some energy irreversibly lost through turbulence to heat. In an open channel flow, this manifests as the fast flow rapidly slowing and piling up on top of itself similar to how a shockwave forms. It was first observed and documented by Leonardo da Vinci in the 1500s. The mathematics were first described by Giorgio Bidone of Turin University when he published a paper in 1820 called Experiences sur le remou et sur la propagation des ondes. The phenomenon is dependent upon the initial fluid speed. If the initial speed of the fluid is below the critical speed, then no jump is possible. For initial flow speeds which are not significantly above the critical speed, the transition appears as an undulating wave. As the initial flow speed increases further, the transition becomes more abrupt, until at high enough speeds, the transition front will break and curl back upon itself. When this happens, the jump can be accompanied by violent turbulence, eddying, air entrainment, and surface undulations, or waves. There are two main manifestations of hydraulic jumps and historically different terminology has been used for each. However, the mechanisms behind them are similar because they are simply variations of each other seen from different frames of reference, and so the physics and analysis techniques can be used for both types. The different manifestations are:
The stationary hydraulic jump – rapidly flowing water transitions in a stationary jump to slowly moving water as shown in Figures 1 and 2. The tidal bore – a wall or undulating wave of water moves upstream against water flowing downstream as shown in Figures 3 and 4. If one considers a frame of reference which moves along with the wave front, then the wave front is stationary relative to the frame and has the same essential behavior as the stationary jump. A related case is a cascade – a wall or undulating wave of water moves downstream overtaking a shallower downstream flow of water as shown in Figure 5. If considered from a frame of reference which moves with the wave front, this is amenable to the same analysis as a stationary jump. These phenomena are addressed in an extensive literature from a number of technical viewpoints. Hydraulic Jump is used sometimes in mixing chemicals.
Гидравликалық секірудің кластары
Гидравликалық секірулер стационарлық түрде, "гидравликалық секіру" деп аталатын, және динамикалық немесе қозғалатын түрде, оң толқын немесе "аудармадағы гидравликалық секіру" деп аталатын, көрінеді. Қозғалыстағы гидравликалық секірудің тағы бір түрі – каскад. Каскадта толқынды толқындар немесе судың иілімді толқындары төмен қарай жылжып, судың беткей ағынын басып өтеді. Қозғалатын гидравликалық секіруді толқын деп атайды. Оң толқындар жағдайында толқынның жоғарғы бөлігі төменгі бөлігіне қарағанда жылдам қозғалады.
Гидравликалық секірулердегі ауаның ағылуы
Гидравликалық секіру жоғары турбулентті ағынмен сипатталады. Макро масштабты құйындылар секіру ролигінде пайда болып, еркін бетпен өзара әрекеттеседі, нәтижесінде екі фазалы ағын аймағында ауа көпіршіктері, шашыраулар және тамшылар пайда болады. Ауа-су ағыны турбуленттілікпен байланысты, бұл шөгінділердің тасымалына да себеп болуы мүмкін. Көпіршік динамикасы турбуленттілікке күшті әсер етуі мүмкін. Физикалық тұрғыдан алғанда, осы процестерге қатысқан механизмдер күрделі. Ауаның сіңуі ауа көпіршіктері және ағынның алдыңғы бөлігінен роликке соққанда тұтқындалған ауа пакеттері түрінде жүзеге асады. Ауа пакеттері, олар қима аймағына жеткенде, үлкен ауа мөлшерімен және максималды көпіршік санымен сипатталатын өте кішкентай ауа көпіршіктеріне бөлінеді. Сіңген көпіршіктер аз қисайту аймақтарына жеткеннен кейін, көпіршіктердің соқтығысуы мен бірігуі, жүзу күші мен турбулентті адвекцияның үйлесімі арқылы еркін бетке қарай жылжитын ірі ауа құрылымдарына әкеледі.
with the free surface leading to air bubble entrainment, splashes and droplets formation in the two phase flow region. The air–water flow is associated with turbulence, which can also lead to sediment transport. The turbulence may be strongly affected by the bubble dynamics. Physically, the mechanisms involved in these processes are complex. The air entrainment occurs in the form of air bubbles and air packets entrapped at the impingement of the upstream jet flow with the roller. The air packets are broken up in very small air bubbles as they are entrained in the shear region, characterised by large air contents and maximum bubble count rates. Once the entrained bubbles are advected into regions of lesser shear, bubble collisions and coalescence lead to larger air entities that are driven toward the free surface by a combination of buoyancy and turbulent advection.
Гидравликалық секірулер
Тұмандық ағындар терең теңіз желпуіштерінің қалыптасуына алып келуі мүмкін. Ішкі гидравликалық секірулер (яғни, әртүрлі тығыздыққа ие сұйықтықтардағы ішкі толқындар ретіндегі гидравликалық секірулер) тұздылық немесе температураның салдарынан туындаған қабаттанумен, сондай-ақ, ерітілген материалдардың тығыздық айырмашылықтарымен байланысты. Төсектің беткейі (тұмандық ағын осы беткей арқылы ағатын) тегістелгенде, ағын жылдамдығының төмендеуі ағын астындағы шөгінділердің жиналуымен шартталған, нәтижесінде біртіндеп артқа қарай беткей пайда болады. Гидравликалық секіру пайда болған жерде, оның белгісі – секіру нүктесінде ағын жылдамдығының күрт төмендеуіне сәйкес келетін кенеттен артқа қарай беткей болып табылады.
Атмосфералық гидравликалық секірулер
Гидравликалық секірулер атмосферада, таулардың үстінен өтетін ауа ағынында пайда болады. Гидравликалық секіру сондай-ақ, өте күшті супержасушалық дауылдардың жоғары соққан төбесінің артындағы стратосфера мен тропосфера арасындағы тропопауза шекарасында да кездеседі. Бұған ұқсас жағдай, мысалы, Солтүстік Австралияда байқалатын Таңғы даңғыл бұлты, кейде оны толқынды секіру деп атайды.