3.6: Hydraulischer Sprung

Hinweis: Dieses Experiment verwendet eine relativ starke Tauchpumpe. Die Pumpe sollte nur ein Fi-Schutzschalter Steckdose elektrische Risikominimierung angeschlossen werden. Stellen Sie sicher, dass keine anderen a/c powered Geräte in der Nähe des Experiments tätig sind.

1. Herstellung von offene Wasserführung Anlage und Tank (siehe Diagramm und Foto, Abb. 3)

1. Schnittlängen von ~6.0 mm dicken × 9,5 cm breit klar Acrylplatte mit folgenden Längen: 2 × 15 cm, 2 × 25 cm, 1 × 34 cm, 1 × 41 cm (Abb. 3a). Es wird empfohlen, eine Tabelle zu verwenden gesehen oder Laser-Cutter um sicherzustellen, dass die Kanten relativ flach sind und die Blätter haben gleich Dicke.
2. Schneiden Sie Löcher in den unteren rechten Ecken von zwei 60 × 45 cm Acrylplatten, montieren Sie den Durchflussmesser (Abb. 3a). Schneiden Sie ein Loch auf der oberen rechten Seite des vorderen Blattes der Stromregelventil installieren.
3. Verwenden Sie Acryl Zement (z.B., SCIGRIP 16), um die Acryl-Paneele zu verbinden, wie in Abb. 3a angegeben. Sorgen Sie für ausreichende Belüftung und tragen Sie Handschuhe beim Umgang mit des Acryl Zements. Es ist hilfreich, Zement mit einer Nadel Spritze auftragen und Klebeband verwenden, um Platten während der Härtung zu positionieren. Lassen Sie den Zement für 24-48 Stunden zu heilen.
4. Installieren Sie den Durchflussmesser auf der Frontplatte und Affix mit den mitgelieferten Schrauben. Installieren Sie 1 NPT auf ½ NPT reduzierenden Beschläge an den Durchflussmesser Einlass und Auslass-Anschlüssen. Installieren Sie ½ NPT auf 0,5 Zoll Innendurchmesser Stacheldraht passende Adapter für die Armaturen.
5. Installieren Sie ein 0,5 Zoll. ID und ein 0,75 Zoll. ID Stacheldraht Anbau an den Schieber (Flow-Rate-Regler). Schließen Sie den Stacheldraht passend zur Tauchpumpe mit ~ 20 cm Länge Schlauch so, dass der Ventilgriff mit dem Loch auf der Oberseite rechts von der Acryl-Gehäuse (Abb. 3 b-c).
6. Legen Sie die Pumpe in den unteren Behälter, und installieren Sie das Ventil zu, so dass die Ventilspindel das Befestigungsloch durchläuft und der Griff außerhalb des Gehäuses (Abb. 3 c ist).
7. Fügen Sie eine vertikale Acrylplatte in der Nähe der Einlassabschnitt der Flow Anlage, sodass befindet sich etwa eine 5,0 mm Öffnung unten (Abb. 3 b-c). Diese Komponente kann wird als das Schleusentor, und angehoben und auf Flow aus dem oberen Becken um den Kanal zu Steuern gesenkt werden.
8. Füllen Sie das Oberbecken mit einem Scheuerschwamm Edelstahlwolle locker. Auf diese Weise Meeresarm-Wasser-Strömung über den Kanal gleichmäßig zu verteilen.
9. Der Durchflussmesser-Bucht mit einer Länge von weichen Kunststoffschlauch der Ventilausgang herstellen. Die Durchflussmesser Steckdose an den oberen Behälter mit Kunststoffschlauch anschließen. Sicherstellen Sie, dass der Schlauch Einlass zu den oberen Behälter gut verankert ist, so dass es nicht ausschwenken, wenn die Pumpe eingeschaltet ist.
10. Füllen Sie den unteren Behälter mit Wasser.

2. durchführen experiment

1. Messen Sie die Höhe der Lücke unter dem Tor mit einem Lineal und bezeichnen Sie den Wert als H-₁.
2. Schalten Sie die Pumpe, und passen Sie die Durchflussmenge mit Hilfe des Ventils zu verschiedenen Durchflussraten (5-15 l min^-1). Verwenden Sie ein Lineal, um die flüssige Tiefe flussabwärts vom Tor (H₂) für jeden Fall messen.
3. Beobachten Sie die Formen der hydraulische Sprünge qualitativ, bilden bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten. Achten Sie auf die Mindestgrenze Durchflussmenge für Bildung eines hydraulischen Sprunges. Schärfer, größere Amplitude (H₂ -H-₁), Sprünge sollte bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten auftreten.

(3) Datenanalyse

1. Berechnen Sie für jeweils Flow Rate die Einlass-Geschwindigkeit, V₁, von der Volumenstrom. wo ist das Saugvermögen und W ist die Kanalbreite.
2. Bewerten den Einlass Froude-Zahl () und theoretische nachgelagerten flüssige Tiefe für jeden Fall (Eqn. 4). Vergleichen Sie diese Werte mit gemessenen nachgelagerten Sprung tiefen.

Abbildung 3 : A. Schaltplan und Abmessungen der Anlage Struktur. b. Flussdiagramm des hydraulischen Sprung Anlage. c. Etikettierte Fotos der Versuchsanlage.

Ein hydraulischer Sprung ist ein Phänomen, das in schnell fließenden offenen Strömungen auftritt, wenn die Strömung instabil wird. Wenn ein Sprung auftritt, nimmt die Höhe der Flüssigkeitsoberfläche abrupt zu, was zu einer größeren Tiefe und einer verringerten durchschnittlichen Strömungsgeschwindigkeit stromabwärts führt. Ein wichtiger Nebeneffekt dieses Phänomens ist, dass ein Großteil der kinetischen Energie in der stromaufwärts gelegenen Strömung als Wärme abgeführt wird. Obwohl hydraulische Sprünge oft auf natürliche Weise entstehen, wie z. B. in Flüssen oder beim Zufluss in eine Haushaltsspüle, werden sie auch absichtlich in große Wasserwerke eingebaut, um die Erosion zu minimieren oder die Durchmischung zu erhöhen. Dieses Video veranschaulicht die Prinzipien hinter hydraulischen Sprüngen in einem geraden Kanal und demonstriert das Phänomen dann experimentell mit einer kleinen Strömungsanlage in offenem Kanal. Nach der Analyse der Ergebnisse werden einige Anwendungen von hydraulischen Sprüngen diskutiert.

Betrachten Sie die Strömung in einem breiten, geraden Abschnitt eines offenen Kanals, in dem ein hydraulischer Sprung auftritt, und konstruieren Sie ein Regelvolumen an einer Schleuse um den Sprung herum. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit am Ein- und Auslass gleichmäßig ist, ergibt die Massenerhaltung eine einfache Beziehung zwischen der Fluidtiefe stromaufwärts und stromabwärts. Die Tiefe multipliziert mit der Geschwindigkeit ist konstant. Eine zweite Beziehung kann unter Berücksichtigung der Impulserhaltung gefunden werden. Die über den Ein- und Ausgang transportierte Masse trägt einen Impuls mit sich, der dem entsprechenden Massenfluss multipliziert mit der Strömungsgeschwindigkeit entspricht. Hydrostatische Kräfte auf der Oberfläche des Regelvolumens tragen ebenfalls zur Impulsbilanz bei und müssen einbezogen werden. Diese Kräfte entsprechen dem durchschnittlichen Druck auf die Oberfläche multipliziert mit der Fläche. An dieser Stelle ist es sinnvoll, die Froude-Zahl einzuführen, eine dimensionslose Größe, die nach dem englischen Ingenieur und Hydrodynamiker William Froude benannt ist. Die Froude-Zahl charakterisiert die relative Stärke des Fluidimpulses zu den hydrostatischen Kräften. Wenn man nun die Impulsbeziehung in Bezug auf die Froude-Zahl umschreibt und die Ausgangsgeschwindigkeit durch Substitution unter Verwendung der Massenrelation eliminiert, ergibt sich eine kubische Gleichung in Bezug auf das Verhältnis von Tiefen flussabwärts und stromaufwärts. Diese Gleichung kann vereinfacht werden, indem die triviale Lösung herausgerechnet wird, bei der die Tiefen flussaufwärts und flussabwärts gleich sind. Die beiden verbleibenden Lösungen lassen sich leicht mit der quadratischen Gleichung finden, aber die negative Lösung kann eliminiert werden, da sie nicht-physikalisch ist. Die verbleibende Lösung entspricht einer Tiefenzunahme, einem hydraulischen Sprung oder einer Tiefenabnahme, einer hydraulischen Vertiefung, basierend auf dem Wert der stromaufwärts gelegenen Froude-Zahl. Ist die stromaufwärts gelegene Froude-Zahl größer als eins, hat die Strömung eine hohe mechanische Energie und ist überkritisch oder instabil. Eine hydraulische Vertiefung kann sich in diesem Regime nicht bilden, da sie die mechanische Energie erhöhen und den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verletzen würde. Auf der anderen Seite kann sich ein hydraulischer Sprung bilden, entweder spontan oder aufgrund einer Störung in der Strömung. Die eingegebene Froude-Zahl eins stellt den minimalen Schwellenwert für den Beginn eines hydraulischen Sprungs dar. Hydraulische Sprünge leiten mechanische Energie in Wärme ab und reduzieren die kinetische Energie erheblich, während die potenzielle Energie der Strömung leicht erhöht wird. Mit zunehmender Froude-Zahl steigt auch das Verhältnis von Tiefen flussabwärts zu stromaufwärts und die Menge an kinetischer Energie, die als Wärme abgeführt wird. Nachdem wir nun die Prinzipien hinter hydraulischen Sprüngen verstanden haben, wollen wir sie experimentell untersuchen.

Stellen Sie zunächst die Strömungsanlage mit offenem Kanal her, wie im Text beschrieben. Die Anlage verfügt über ein oberes und ein unteres Reservoir, die durch einen offenen Kanal miteinander verbunden sind. Das aus dem unteren Behälter gepumpte Wasser wird im oberen Behälter abgelagert, wobei die Durchflussmenge durch ein Ventil und einen Durchflussmesser in Übereinstimmung mit der Pumpe gesteuert und gemessen wird. Stahlwolle im oberen Behälter hilft, das Wasser gleichmäßig über die Breite des Abschnitts zu verteilen, und das verstellbare Schleusentor steuert die Flüssigkeitstiefe beim Eintritt in den Kanal. Nach dem Fließen durch den Kanal wird die Flüssigkeit wieder in das untere Reservoir abgelagert. Wenn die Durchflussanlage zusammengebaut ist, stellen Sie sie auf eine Bank und entfernen Sie alle in der Nähe befindlichen elektronischen Geräte. Schließen Sie die Pumpe an eine FI-Schutzschalter-Steckdose an, um das Risiko eines Stromschlags zu minimieren, und füllen Sie dann den unteren Behälter mit Wasser. Sie können jetzt das Experiment durchführen.

Stellen Sie den Schleusenschieber auf etwa fünf Millimeter ein. Messen Sie mit einem Lineal die endgültige Höhe des Spaltes unter dem Schleusentor und notieren Sie diesen Abstand als flussaufwärts gelegene Fließtiefe H1. Wenn Sie fertig sind, schalten Sie die Pumpe ein und verwenden Sie das Ventil, um die Durchflussrate zu maximieren, ohne die Skala am Durchflussmesser zu überschreiten. Verwenden Sie erneut das Lineal, um die Flüssigkeitstiefe nach dem hydraulischen Sprung zu messen. Notieren Sie die Durchflussmenge zusammen mit dieser zweiten Entfernung, die der flussabwärts gelegenen Fließtiefe H2 entspricht. Bevor Sie fortfahren, beobachten Sie die Form des hydraulischen Sprungs. Sie sollten größere, abruptere Übergänge für höhere Durchflussraten und kleinere, allmählichere Übergänge für niedrigere Durchflussraten bemerken. Wiederholen Sie nun Ihre Messungen und Beobachtungen für sukzessive niedrigere Durchflussraten. Versuchen Sie, den minimalen Schwellendurchfluss für die Bildung eines hydraulischen Sprungs zu bestimmen. Sobald Sie den Schwellenwert für die Durchflussrate gefunden haben, können Sie die Ergebnisse analysieren.

Für jeden Volumenstrom sollten Sie eine Messung der nachgeschalteten Flüssigkeitstiefe haben. Die Upstream-Tiefe ist in allen Fällen gleich. Führen Sie die folgenden Berechnungen für jede Messung durch, und übertragen Sie die Unsicherheiten auf dem Weg. Bestimmen Sie zunächst die Einlassströmungsgeschwindigkeit. Teilen Sie den Volumenstrom durch die Kanalbreite und die vorgeschaltete Tiefe. Werten Sie als Nächstes die stromaufwärts liegende Froude-Zahl mit der oben gegebenen Definition aus und ersetzen Sie die Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft sowie die Höhe und Geschwindigkeit stromaufwärts. Verwenden Sie nun die Froude-Zahl und die nicht-triviale Lösung für die Sprunghöhe, um die theoretische Tiefe flussabwärts zu berechnen. Vergleichen Sie die theoretische Vorhersage mit der gemessenen Tiefe flussabwärts. Bei überkritischen Strömungsraten stimmen die Vorhersagen mit den gemessenen Tiefen innerhalb der experimentellen Unsicherheit überein. Schauen Sie sich Ihre Ergebnisse für die Schwellendurchflussrate an. Innerhalb der experimentellen Unsicherheit ist die Froude-Zahl eins, wie wir aus der theoretischen Analyse erwartet haben. Auch die Rate des mechanischen Energieverlustes durch den hydraulischen Sprung kann aus diesen Daten berechnet werden. Berechnen Sie zunächst die mechanische Energie des Fluids, das in den Sprung fließt, d. h. die Summe der kinetischen und potentiellen Energieflüsse am Einlass. Ermitteln Sie nun auf die gleiche Weise die Ausgangsenergie, jedoch mit Werten am Auslass. Die Rate der mechanischen Energieabgabe an Wärme ist die Differenz zwischen den Eingangs- und Ausgangsraten. In diesem Experiment kann die Energieverlustrate etwa 40 % der Eingangsenergie oder mehr erreichen. Diese Ergebnisse unterstreichen die Wirksamkeit von Impulsanalysen und maßstabsgetreuen Modellexperimenten für das Verständnis und die Vorhersage des Verhaltens hydraulischer Systeme. Schauen wir uns nun einige andere Möglichkeiten an, wie hydraulische Sprünge genutzt werden.

Hydraulische Sprünge sind ein wichtiges Naturphänomen mit vielen technischen Anwendungen. Hydraulische Sprünge werden oft in Hydrauliksysteme eingebaut, um strömungsmechanische Energie in Wärme abzuleiten. Dies reduziert das Potenzial für Schäden durch Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsstrahlen aus Überläufen. Bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten können Sedimente aus Bachbetten angehoben und fluidisiert werden. Durch die Reduzierung der Fließgeschwindigkeiten verringern hydraulische Sprünge auch das Potenzial für Erosion und Kolk um die Pfähle. In Wasseraufbereitungsanlagen werden manchmal hydraulische Sprünge verwendet, um die Durchmischung und Belüftung zu induzieren. Die Mischleistung und der Gaseintrag durch hydraulische Sprünge können in diesem Versuch qualitativ beobachtet werden.

Sie haben gerade die Einführung von JoVE in hydraulische Sprünge gesehen. Sie sollten nun verstehen, wie Sie einen Ansatz zur Lautstärkeregelung verwenden, um das Strömungsverhalten vorherzusagen, und wie Sie dieses Verhalten mithilfe einer Strömungsfunktion mit offenem Kanal messen. Sie haben auch einige praktische Anwendungen für die Konstruktion von hydraulischen Sprüngen in realen Anwendungen gesehen. Danke fürs Zuschauen.