Hydraulischer Sprung

Ein hydraulischer Sprung ist ein Phänomen, das in schnelllebigen offen fließt tritt auf, wenn die Strömung instabil wird. Tritt ein Sprung erhöht die Höhe von der Flüssigkeitsoberfläche abrupt was eine größere Tiefe und verminderte durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit flussabwärts. Ein wichtiger Nebeneffekt dieses Phänomens ist, dass ein Großteil der kinetischen Energie in der vorgelagerten Strömung als Wärme abgeführt werden kann. Obwohl hydraulische Sprünge oft natürlich, entstehen wie in Flüssen oder in einem Haushalt Waschbecken fließen auch absichtlich entwickelt sind in große Wasserwerke, Erosion zu minimieren, oder mischen zu erhöhen. Dieses Video wird veranschaulichen die Prinzipien hinter hydraulische Sprünge in einem geraden Kanal und dann zeigen das Phänomen experimentell mit Hilfe einer kleinen offenen Kanal fließen Anlage. Nach der Analyse der Ergebnisse, werden einige Anwendungen der hydraulische Sprünge diskutiert.

Betrachten Sie die Strömung in einem breiten, geraden Abschnitt einen offenen Kanal, wo ein hydraulischer Sprung auftritt, und konstruieren Sie ein Steuervolumen auf einer Schleuse auf dem Sprung zu. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit in den Einlass und Auslass einheitlich ist, ergibt Erhaltung der Masse eine einfache Beziehung zwischen vor- und nachgelagerten Fluid tiefen. Tiefe, multipliziert mit der Geschwindigkeit ist konstant. Eine zweite Beziehung finden Sie unter Berücksichtigung der Impulserhaltung. Masse über die ein- und Ausgabe transportiert trägt Dynamik mit ihm gleich die entsprechenden Massenstrom multipliziert mit der Strömungsgeschwindigkeit. Hydrostatische Kräfte auf der Oberfläche von der Lautstärke auch dazu beitragen, die Schwung-Balance und müssen enthalten sein. Diese Kräfte sind gleich den durchschnittlichen Druck auf der Oberfläche, multipliziert mit der Fläche. An dieser Stelle ist es sinnvoll, die Froude-Zahl, eine dimensionslose Quantität, benannt nach dem englischen Ingenieur und Hydrodynamicist, William Froude einzuführen. Die Froude-Zahl charakterisiert die relative Stärke der Impuls zur hydrostatischen Kräfte. Nun, wenn das Dynamik-Verhältnis in Bezug auf die Froude-Zahl, mit der Ausgabe Geschwindigkeit beseitigt durch Substitution mit der Masse Verhältnis neu geschrieben wird ist das Ergebnis einer kubischen Gleichung in Bezug auf das Verhältnis von vor- und nachgelagerten tiefen. Diese Gleichung kann vereinfacht werden durch factoring die triviale Lösung, wo die vor- und nachgelagerten tiefen gleich sind. Die beiden verbleibenden Lösungen sind leicht zu finden über die quadratische Gleichung, aber die negative Lösung beseitigt werden kann, da es nicht-physische ist. Die restliche Lösung entspricht eine Zunahme der Tiefe, einen hydraulischen Sprung oder eine Abnahme in der Tiefe, eine hydraulische Depression, basierend auf dem Wert der vorgelagerten Froude-Zahl. Wenn die vorgelagerten Froude-Zahl größer als eins ist, die Strömung hat eine hohe mechanische Energie und überkritische oder instabil ist. Eine hydraulische Depression kann nicht in dieser Regelung bilden, weil es mechanischen Energie zu erhöhen und den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verstoßen würde. Auf der anderen Seite kann ein hydraulischen Sprung, entweder spontan oder durch eine Störung im Fluss bilden. Eine Eingabe Froude-Zahl eines stellt die Mindestgrenze für den Beginn eines hydraulischen Sprunges. Hydraulische Sprünge mechanischen Energie in Wärme abzuführen und erheblich reduzieren die kinetische Energie und leicht steigern die potentielle Energie der Strömung. Die Froude-Zahl erhöht so hat das Verhältnis der stromabwärts zu vorgelagerten Tiefe und die Höhe der kinetische Energie als Wärme abgeführt. Nun, da wir die Prinzipien hinter hydraulische Sprünge zu verstehen, betrachten wir sie experimentell.

Zunächst fertigen Sie die offenen Kanal fließen Anlage wie im Text beschrieben. Die Anlage hat eine obere und untere Reservoir durch einen offenen Kanal verbunden. Wasser aus der untere Behälter gepumpt lagert sich in den oberen Behälter mit der Durchfluss kontrolliert und durch ein Ventil und im Einklang mit der Pumpe-Flow-Meter gemessen. Stahlwolle in den oberen Behälter hilft, um das Wasser gleichmäßig über die gesamte Breite des Abschnitts zu verteilen, und die einstellbare Schleuse steuert die flüssige Tiefe beim Eintritt in den Kanal. Nach durch den Kanal fließt, wird die Flüssigkeit zurück in den unteren Behälter deponiert. Wenn die Durchfluss-Anlage montiert ist, setzen Sie ihn auf einer Bank und entfernen Sie alle in der Nähe elektronischer Geräte. Stecken Sie die Pumpe in einen Fi-Schutzschalter Steckdose zur Minimierung des Risikos eines elektrischen Schlages, und dann füllen Sie den unteren Behälter mit Wasser. Sie sind jetzt bereit, das Experiment durchführen.

Passen Sie die Schleuse bis etwa fünf Millimeter. Messen Sie die endgültige Höhe der Lücke unterhalb der Schleuse mit einem Lineal und zeichnen Sie dieser Abstand wie die vorgelagerten Fluss Tiefe, H1 auf. Wenn Sie fertig sind, schalten Sie die Pumpe und verwenden Sie das Ventil zu, um den Durchfluss zu maximieren, ohne Überschreitung der Skala auf der Durchflussmesser. Verwenden Sie das Lineal wieder die flüssige Tiefe nach dem hydraulischen Sprung zu messen. Notieren Sie die Durchflussmenge, zusammen mit dieser zweiten Abstand die nachgeschaltete Durchfluss Tiefe, H2 ist. Beachten Sie bevor Sie fortfahren die Form des hydraulischen Sprungs. Sie sollte größer, mehr abrupte Übergänge für höhere Durchflussraten und kleinere, eher schrittweisen Übergängen für niedrigeren Flussraten feststellen. Jetzt wiederholen Sie Ihre Messungen und Beobachtungen für sukzessive geringer Durchflussmengen. Versuchen Sie die Mindestgrenze Durchflussmenge für die Bildung eines hydraulischen Sprunges festzustellen. Sobald Sie die Schwelle Durchflussmenge gefunden haben, können Sie die Ergebnisse zu analysieren.

Für jeden Volumenstrom sollten Sie ein Maß für die nachgelagerten flüssige Tiefe haben. Die vorgelagerten Tiefe ist das gleiche für alle Fälle. Füllen Sie die folgenden Berechnungen für jede Messung und verbreiten Sie Unsicherheiten auf dem Weg zu. Bestimmen Sie zuerst die Einlass-Strömungsgeschwindigkeit. Teilen Sie den Volumenstrom durch die Kanalbreite und vorgelagerten Tiefe. Als nächstes, bewerten die vorgelagerten Froude-Zahl mit der Definition vor, und in der Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft, sowie die vorgelagerten Höhe und Geschwindigkeit zu ersetzen. Verwenden Sie nun die Froude-Zahl und die nicht-triviale Lösung für die Sprunghöhe um die theoretische nachgelagerten Tiefe berechnen. Vergleichen Sie die theoretische Vorhersage mit der gemessenen nachgelagerten Tiefe. Bei überkritischen Flussraten entsprechen die Vorhersagen der gemessenen Tiefe innerhalb von experimentellen Unsicherheiten. Schauen Sie sich Ihre Ergebnisse für die Schwelle Durchflussmenge. In experimentellen Unsicherheiten ist die Froude-Zahl eine, wie wir aus der theoretischen Analyse erwartet. Die Verlustrate der mechanische Energie durch den hydraulischen Sprung kann auch aus diesen Daten berechnet werden. Berechnen Sie zunächst, die mechanische Energie der Flüssigkeit fließt in den Sprung, die die Summe der kinetischen und potentiellen Energie Flussraten am Einlass. Jetzt bestimmen Sie die Ausgaberate Energie auf die gleiche Weise, aber mit den Werten am Ausgang. Die mechanische Verlustleistung in Wärme beträgt die Differenz zwischen der Input- und Output. In diesem Experiment kann die Verlustrate Energie etwa 40 % der Einlass-Energie oder höher erreichen. Diese Ergebnisse zeigen die Wirksamkeit der Schwung-Analysen und Skala Modell Experimente für das Verständnis und die Vorhersage des Verhaltens von hydraulischen Systemen. Jetzt schauen wir uns einige andere Möglichkeiten, hydraulische Sprünge genutzt.

Hydraulische Sprünge sind ein wichtiges natürliches Phänomen mit vielen technischen Anwendungen. Hydraulische Sprünge sind oft in Hydrauliksystemen, Fluid mechanische Energie in Wärme zu zerstreuen entwickelt. Dies verringert das Potenzial für Schäden, die durch hohe Geschwindigkeit liquid jetten von Überläufe. Bei hohen Kanal Strömungsgeschwindigkeiten kann Sediment aus Bachbett emporgehoben und fluidisiert. Durch Verringerung der Strömungsgeschwindigkeiten, verringern hydraulische Sprünge auch das Potenzial für Erosion und Scheuern auf Pfählen. In Wasseraufbereitungsanlagen hydraulische Sprünge manchmal dienen induzieren mischen und belüften fließen. Die Rührschüssel Leistung und Gas Mitnahme von hydraulischen Sprüngen kann qualitativ in diesem Experiment beobachtet werden.

Sie habe nur Jupiters Einführung, hydraulische Sprünge beobachtet. Sie sollten jetzt verstehen, wie einen Steuerelement Volumen Ansatz verwenden, um vorherzusagen, das Fließverhalten und wie man dieses Verhalten mit einem offenen Kanal fließen Anlage messen. Sie haben auch einige praktischen Anwendungen für engineering-hydraulische Sprünge in realen Anwendungen gesehen. Danke fürs Zuschauen.