Введение

Выброс высокоскоростной жидкости в область с низкой скоростью.

Гидравлический прыжок – это явление в науке о гидравлике, которое часто наблюдается в открытых потоках, таких как реки и водосбросы. Когда жидкость с высокой скоростью вытекает в зону с более низкой скоростью, на поверхности жидкости происходит довольно резкий подъем. Быстро текущая жидкость резко замедляется и увеличивается в высоте, преобразуя часть начальной кинетической энергии потока в увеличение потенциальной энергии, при этом часть энергии необратимо теряется в виде тепла из-за турбулентности. В открытом потоке это проявляется как быстрое замедление потока и его нагромождение поверх себя, подобно образованию ударной волны. Впервые это явление было замечено и описано Леонардо да Винчи в 1500-х годах. Математическое описание явления впервые дал Джорджио Бидоне из Туринского университета, опубликовав в 1820 году статью под названием «Опыты о завихрениях и распространении волн». Явление зависит от начальной скорости жидкости. Если начальная скорость жидкости ниже критической, то гидравлический прыжок невозможен. При начальных скоростях потока, лишь незначительно превышающих критическую скорость, переход выглядит как волнообразная волна. С дальнейшим увеличением начальной скорости потока переход становится более резким, пока при достаточно высоких скоростях фронт перехода не разрушится и не свернется обратно на себя. В этом случае прыжок может сопровождаться сильной турбулентностью, вихрями, захватом воздуха и колебаниями поверхности, или волнами. Существуют два основных типа гидравлических прыжков, и исторически для каждого из них использовалась различная терминология. Однако механизмы, лежащие в их основе, схожи, поскольку они представляют собой вариации друг друга, рассматриваемые из разных систем отсчета, поэтому для обоих типов можно использовать одинаковые физические принципы и методы анализа. Различные типы проявлений:

Стационарный гидравлический прыжок – быстротекущая вода переходит в стационарный прыжок к медленно движущейся воде, как показано на рисунках 1 и 2. Приливная волна – стена или волнообразная волна воды движется вверх по течению, против потока воды, движущейся вниз по течению, как показано на рисунках 3 и 4. Если рассматривать систему отсчета, движущуюся вместе с фронтом волны, то фронт волны будет стационарен относительно этой системы и иметь такое же поведение, как стационарный гидравлический прыжок. Связанным случаем является каскад – стена или волнообразная волна воды движется вниз по течению, обгоняя более мелкий поток воды, движущийся вниз по течению, как показано на рисунке 5. Если рассматривать это явление из системы отсчета, движущейся с фронтом волны, то оно поддается тому же анализу, что и стационарный гидравлический прыжок. Эти явления широко освещены в научной литературе с различных технических точек зрения. Гидравлический прыжок иногда используется при смешивании химических веществ.

Классы гидравлических прыжков

Гидравлические прыжки можно наблюдать как в стационарной форме, известной как "гидравлический прыжок", так и в динамической или движущейся форме, известной как положительный гидроудар или "гидравлический прыжок в движении". Другим вариантом движущегося гидравлического прыжка является каскад. В каскаде серия роликовых или волнистых волн движется вниз по течению, нагоняя более мелкий поток воды. Движущийся гидравлический прыжок называется гидроударом. Скорость распространения волны выше в верхней части, чем в нижней, в случае положительного гидроудара.

Воздушный привод в гидравлических прыжках

Гидравлический прыжок характеризуется высокотурбулентным потоком. В ролике прыжка формируются макровихри, которые взаимодействуют со свободной поверхностью, приводя к увлечению пузырьков воздуха, образованию брызг и капель в двухфазной области потока. Воздушно-водный поток связан с турбулентностью, которая также может вызывать перенос донных отложений. Динамика пузырьков может существенно влиять на турбулентность. Физически, механизмы, задействованные в этих процессах, являются сложными. Увлечение воздуха происходит в форме пузырьков и воздушных пакетов, захватываемых при ударе восходящего потока о ролик. Воздушные пакеты разрушаются на очень мелкие пузырьки при увлечении в область сдвига, характеризующуюся высоким содержанием воздуха и максимальной частотой образования пузырьков. После того, как увлеченные пузырьки перемещаются в области с меньшим сдвигом, столкновения и коалесценция пузырьков приводят к образованию более крупных воздушных образований, которые под действием комбинации плавучести и турбулентной адвекции поднимаются к свободной поверхности.

Гидравлические прыжки в формировании вентилятора

Мутные потоки могут приводить к образованию внутренних гидравлических скачков (то есть, гидравлических скачков в виде внутренних волн в жидкостях различной плотности) при формировании абиссальных вееров. Внутренние гидравлические скачки связывают со стратификацией, вызванной разницей в солености или температуре, а также с различиями в плотности, обусловленными взвешенными частицами. Когда уклон дна (по которому движется мутный поток) уменьшается, замедление скорости течения отражается в увеличении скорости осадконакопления под потоком, формируя постепенный обратный уклон. В месте возникновения гидравлического скачка наблюдается резкий обратный уклон, соответствующий быстрому снижению скорости потока в точке скачка.

Атмосферные гидравлические прыжки

Гидравлические скачки возникают в атмосфере в воздушных потоках, обтекающих горы. Гидравлический скачок также наблюдается на границе тропопаузы между стратосферой и тропосферой с подветренной стороны от восходящего купола очень мощных суперячеистых гроз. С этим явлением связано образование облака "Утренняя слава", наблюдаемого, например, в Северной Австралии, которое иногда называют волновым скачком.