Ressauts hydrauliques

Mechanical Engineering

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Overview

Source : Alexander S Rattner et Mahdi Nabil ; Département de génie mécanique et nucléaire, la Pennsylvania State University, University Park, PA

Lorsque le liquide coule le long d’un canal ouvert à grande vitesse, le débit peut devenir instable et légères perturbations peuvent causer l’extrados liquide de passer brutalement à un niveau supérieur (Fig. 1 a). Cette forte augmentation du niveau de liquide est appelée un ressaut hydraulique. L’augmentation du niveau de liquide provoque une réduction de la vitesse de débit moyen. Ainsi, potentiellement destructeur fluide l’énergie cinétique est dissipée en chaleur. Ressauts hydrauliques sont délibérément conçus dans des œuvres de grande eau, comme les évacuateurs de crues barrage, pour éviter d’endommager et réduire l’érosion qui pourrait être causée par des flux de déplacement rapides. Ressauts hydrauliques aussi naturellement des rivières et des ruisseaux et peuvent être observés dans des conditions domestiques, tels que l’écoulement radial de l’eau d’un robinet sur un évier (Fig. 1 b).

Dans ce projet, on construira une installation expérimentale de l’écoulement. Une vanne sera installé, qui est une porte verticale qui peut être montée ou descendue pour contrôler le débit d’eau d’un réservoir en amont d’un évacuateur de crues en aval. On mesurera le débit nécessaire pour produire des ressauts hydrauliques à la sortie de la porte. Ces résultats seront comparés avec les valeurs théoriques fondées sur des analyses de masse et l’impulsion.

Figure 1
Figure 1 : a. Hydraulic jump se produisant en aval du déversoir en raison d’une légère perturbation à un débit instable de grande vitesse. b. exemple d’un ressaut hydraulique en écoulement radial d’eau d’un robinet domestique.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Génie mécanique. Ressauts hydrauliques. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

Flux de larges canaux ouverts, liquide est seulement limité par une frontière solide inférieure et sa surface supérieure est exposé à l’atmosphère. Une analyse de contrôle volume est possible sur une section d’un écoulement à surface libre pour équilibrer l’entrée et la sortie de transport de masse et de quantité de mouvement (voir fig.2). Si les vitesses sont supposées uniformes à l’entrée et la sortie du volume control (V1 et V2 respectivement) avec profondeurs liquides Hcorrespondant1 et H2, puis sur une masse constante flow solde réduit à :

Equation 1(1)

Le x-analyse dynamique direction de ce volume de contrôle des soldes des forces de pression hydrostatique (en raison de la profondeur fluide) avec l’entrée et la sortie impulsion débits (Eqn. 2). Les forces de pression agir vers l’intérieur des deux côtés du volume control et correspondent à la densité du liquide (densité liquide fois accélération gravitationnelle : ρg), multiplié par la hauteur moyenne de liquide de chaque côté (H12, H 22), multiplier la hauteur sur laquelle la pression agit sur chaque côté (H1, H2). Cela se traduit par l’expression quadratique sur le côté gauche de Eqn. 2. Les débits de quantité de mouvement par le biais de chaque côté (Eqn. 2, côté droit) sont égaux aux taux de débit massique du liquide dans le volume de contrôle (en : Equation 2 , out : Equation 3 ) multiplié par les vitesses de fluide (V1, V2).

Equation 4(2)

Eqn. 1 peuvent être substituées dans Eqn. 2 pour éliminer V2. Le nombre de Froude (Equation 5) peut également être substitué, qui représente la force relative de la quantité de mouvement fluide afflux aux forces hydrostatiques. L’expression qui en résulte peut être notée :

Equation 6(3)

Cette équation cubique a trois solutions. L’un est H1 = H2, qui donne le comportement normal des canaux ouverts (profondeur d’aspiration = profondeur de sortie). Une deuxième solution donne un niveau négatif de liquid, qui est non-physiques et peut être éliminé. Le reste de la solution permet une augmentation de la profondeur (ressaut hydraulique) ou une diminution de la profondeur (dépression hydraulique), selon l’entrée du nombre de Froude. Si l’entrée du nombre de Froude (Fr1) est supérieure à un, le flux est appelé supercritique (instable) et a haute énergie mécanique (énergie potentielle de cinétique + gravitationnelle). Dans ce cas, un ressaut hydraulique peut se former spontanément ou en raison des perturbations à l’écoulement. Le ressaut hydraulique dissipe l’énergie mécanique en chaleur, réduisant considérablement l’énergie cinétique et en augmentant légèrement l’énergie potentielle de l’écoulement. La hauteur de sortie qui en résulte est donnée par Eqn. 4 (une solution à l’équation. 3). Une dépression hydraulique ne peut se produire si Fr1 > 1 parce qu’il augmenterait l’énergie mécanique du débit, violer la seconde loi de la thermodynamique.

Equation 7(4)

La force des ressauts hydrauliques augmente avec entrée nombre de Froude. Fr1 augmente, augmente l’amplitude de H2/h1 et une plus grande partie de l’énergie cinétique d’admission est dissipée en chaleur [1].

Figure 2
Figure 2 : Régler le volume d’une section d’un écoulement contenant un ressaut hydraulique. Entrée et masse et quantité de mouvement par unité de largeur, les débits sont indiqués. Hydrostatique force par unité de largeur indiquées dans le diagramme plus bas.

Procedure

Remarque : Cette expérience utilise une pompe submersible relativement puissante. La pompe devrait uniquement être branchée dans une prise GFCI pour minimiser les risques électriques. Veiller à ce qu’aucun autre appareil de climatisation sous tension ne fonctionnent près de l’expérience.

1. fabrication de facilité d’écoulement et le réservoir (voir schéma et photo, Fig. 3)

  1. Longueurs de ~6.0 mm x épaisseur 9,5 cm de large clairement feuille acrylique avec les longueurs suivantes : 2 × 15 cm, 2 cm × 25, 1 × 34 cm, 1 × 41 cm (Fig. 3 a). Il est recommandé d’utiliser une table de la scie ou coupe au laser pour que les bords soient relativement plats et les feuilles ont la même épaisseur.
  2. Couper des trous dans les coins inférieurs droit des feuilles acryliques deux 60 × 45 cm pour monter le débitmètre (Fig. 3 a). Découper un trou sur la partie supérieure droite de la feuille avant d’installer le régulateur de débit.
  3. Utiliser la colle acrylique (p. ex., SCIGRIP 16) pour coller les panneaux d’acrylique comme indiqué en Fig. 3 a. Assurer une ventilation adéquate et porter des gants lorsque vous manipulez le ciment acrylique. Il est utile d’appliquer le ciment avec une aiguille de seringue et utilisez du ruban pour positionner les panneaux pendant le durcissement. Laisser le ciment pendant 24 à 48 heures.
  4. Installer le débitmètre sur le panneau avant et le fixer avec les vis fournies. Installer 1 NPT à raccords réducteurs de ½ NPT sur les ports d’entrée et en sortie de débitmètre. Installer ½ NPT à 0,5 po diamètre intérieur barbée raccords adaptateurs pour ces raccords.
  5. Installer une 0,5 po. ID et une à 0,75. ID barbelé sur la vanne (contrôle de taux de flux). Connecter le raccord cannelé pour la pompe immergée avec une longueur d’environ 20 cm de tube pour que la manette soit aligné avec le trou sur le dessus à droite du boîtier acrylique (Fig. 3 b-c).
  6. Insérez la pompe dans le réservoir inférieur et installer le robinet afin que la tige du robinet passe par le trou de fixation et la poignée est à l’extérieur de l’enceinte (Fig. 3C).
  7. Insérer un panneau acrylique vertical près de la partie de l’entrée de l’installation de flux afin qu’il y a environ un 5,0 mm d’ouverture en dessous (Fig. 3 b-c). Cette composante servira de la vanneet peut être élevée ou abaissée pour contrôler le flux provenant du réservoir supérieur au canal.
  8. Remplissez le réservoir supérieur plus ou moins avec une laine d’acier inoxydable tampon à récurer. Ceci permet de répartir le débit d’eau d’arrivée outre-manche.
  9. Raccorder la sortie du robinet à l’entrée du débitmètre avec une longueur de tuyaux en plastique souple. Raccorder la sortie du débitmètre le réservoir supérieur avec des tubes en plastique. S’assurer que l’entrée de la tuyauterie dans le réservoir supérieur est bien ancrée afin qu’il ne pas balancent dehors lorsque la pompe est en marche.
  10. Remplissez le réservoir inférieur avec de l’eau.

2. exécution d’expérience

  1. Mesurer la hauteur de l’espace sous la porte à l’aide d’une règle et indiquer la valeur que H1.
  2. Mettre en marche la pompe et régler le débit à l’aide de la vanne à différents débits (5-15 l min-1). Utilisez une règle pour mesurer la profondeur liquide en aval de la porte (H2) pour chaque cas.
  3. Qualitativement, observer les formes des ressauts hydrauliques qui se forment à des débits différents. Surveillez le débit du seuil minimum pour la formation d’un ressaut hydraulique. Plus nette, plus grande amplitude (H2 H1), sauts doivent avoir lieu à des débits plus élevés.

3. analyse des données

  1. Pour chaque cas de taux de flux, calculer la vitesse d’aspiration, V1, le débit volumétrique. Equation 8Equation 9 est le débit volumique et W est la largeur du chenal.
  2. Évaluer l’entrée du nombre de Froude (Equation 5) et théorique profondeur liquide en aval pour chaque cas (Eqn. 4). Comparer ces valeurs avec les profondeurs mesurées saut en aval.

Figure 3
Figure 3 : a. schéma et dimensions d’installation structure. b. schéma du procédé de ressaut hydraulique installation. ch. étiquetées photo installation expérimentale.

Un ressaut hydraulique est un phénomène qui se produit dans les rapides de flux ouverts lorsque l’écoulement devient instable. En cas d’un saut, la hauteur de la surface du liquide augmente brusquement entraînant une profondeur accrue et la vitesse d’écoulement moyenne diminuée en aval. Un effet secondaire important de ce phénomène est qu’une grande partie de l’énergie cinétique de l’écoulement en amont est dissipée en chaleur. Bien que souvent ressauts hydrauliques se posent naturellement, comme dans les rivières ou le flux dans un évier domestique, ils sont aussi délibérément integrees dans grand aqueduc pour minimiser l’érosion, ou augmenter le mélange. Cette vidéo va illustrer les principes qui sous-tendent les ressauts hydrauliques dans un canal rectiligne et ensuite démontrer le phénomène expérimentalement à l’aide d’une installation de débit canal ouvert à petite échelle. Après avoir analysé les résultats, certaines applications de ressauts hydrauliques seront discutées.

Considérons l’écoulement dans une section large, tout droite d’une voie ouverte où survient un ressaut hydraulique et construire un volume de contrôle sur une écluse autour du saut. Si la vitesse d’écoulement est uniforme à l’entrée et la sortie, conservation de la masse donne une relation simple entre les profondeurs de liquide en amont et en aval. Profondeur, multipliée par la vitesse est constante. On trouvera une deuxième relation en prenant en considération la conservation du moment. Transporté à travers l’entrée et la sortie de masse porte momentum avec elle est égale au flux correspondant masse multipliée par la vitesse d’écoulement. Les forces hydrostatiques sur la surface du volume contrôle également contribuent à l’équilibre dynamique et doivent être inclus. Ces forces sont égales à la moyenne pression sur la surface multipliée par la superficie. À ce stade, il est utile d’introduire le nombre de Froude, une quantité sans dimension nommé d’après l’anglais ingénieur et physicien, William Froude. Le nombre de Froude caractérise la force relative de fluide dynamique aux forces hydrostatiques. Maintenant, si la relation de l’élan est réécrite en ce qui concerne le nombre de Froude, avec la vitesse de sortie éliminée par substitution en utilisant la relation masse, le résultat est une équation cubique en ce qui concerne le ratio des profondeurs en aval et en amont. Cette équation peut être simplifiée en factorisant la solution triviale où les profondeurs en amont et en aval sont égaux. Les deux solutions restantes sont faciles à trouver à l’aide de l’équation quadratique, mais la solution négative peut être éliminée puisqu’il est non physiques. Le reste de la solution correspond à une augmentation de la profondeur, un ressaut hydraulique, soit une diminution de profondeur et une dépression hydraulique, basée sur la valeur du nombre de Froude en amont. Si le nombre de Froude en amont est supérieur à un, le flux a une énergie mécanique élevée et supercritique ou instables. Une dépression hydraulique ne peut se former dans ce régime car il augmenterait l’énergie mécanique et violer la seconde loi de la thermodynamique. En revanche, un ressaut hydraulique peut se former, soit spontanément, soit en raison de certaines perturbations dans le flux. Un nombre de Froude d’entrée de l’un représente le seuil minimal pour l’apparition d’un ressaut hydraulique. Ressauts hydrauliques dissipent l’énergie mécanique en chaleur et réduisent de façon significative l’énergie cinétique, tout en augmentant légèrement l’énergie potentielle de l’écoulement. Comme l’augmentation de nombre de Froude, fait rapport des profondeurs en aval vers l’amont et la quantité d’énergie cinétique dissipée en chaleur. Maintenant que nous comprenons les principes qui sous-tendent les ressauts hydrauliques, nous allons les examiner expérimentalement.

Tout d’abord, fabriquer la facilité de circulation canal ouvert tel que décrit dans le texte. L’installation dispose d’un réservoir supérieur et inférieur, relié par un canal ouvert. L’eau pompée dans le réservoir inférieur est déposé dans le réservoir supérieur avec le débit contrôlé et mesuré par un robinet et le compteur de débit en ligne avec la pompe. Laine d’acier dans le réservoir supérieur aide à répartir l’eau sur toute la largeur de la section, et la vanne réglable contrôle la profondeur fluide lorsqu’elle entre dans le canal. Après traversant le canal, le fluide est déposé dans le réservoir inférieur. La facilité d’écoulement étant montée, mis en place sur un banc et retirer des appareils électroniques à proximité. Branchez la pompe sur une prise GFCI pour minimiser le risque de choc électrique et remplissez le réservoir inférieur avec de l’eau. Vous êtes maintenant prêt pour réaliser l’expérience.

Régler la vanne à environ cinq millimètres. Mesurer la hauteur finale de l’écart sous la vanne à l’aide d’une règle et consigner cette distance que la profondeur de l’écoulement en amont, H1. Lorsque vous avez terminé, mettre en marche la pompe et la vanne permet de maximiser la vitesse d’écoulement sans dépasser l’échelle sur le débitmètre. Réutiliser la règle pour mesurer la profondeur fluide après le ressaut hydraulique. Enregistrer la vitesse d’écoulement, avec cette deuxième distance qui correspond à la profondeur du débit en aval, H2. Avant de continuer, observer la forme du ressaut hydraulique. Vous devriez remarquer des transitions plus grandes, plus abruptes pour des débits plus élevés et des transitions plus petites, plus progressive pour des débits inférieurs. Maintenant, répétez vos mesures et observations pour des débits inférieurs successivement. Essayez de déterminer la vitesse d’écoulement de seuil minimum pour la formation d’un ressaut hydraulique. Une fois que vous avez trouvé le débit seuil, vous êtes prêt à analyser les résultats.

Pour chaque débit volumétrique, vous devriez avoir une mesure de la profondeur de fluide en aval. La profondeur en amont est la même pour tous les cas. Effectuer les calculs suivants pour chaque mesure et propager les incertitudes le long du chemin. Tout d’abord, déterminer la vitesse d’écoulement d’admission. Diviser le débit volumétrique par la largeur et la profondeur en amont. Ensuite, évaluer le nombre de Froude en amont à l’aide de la définition donnée à l’avant et son remplacement par l’accélération due à la gravité, ainsi que la hauteur amont et la vitesse. Maintenant, utilisez le nombre de Froude et la solution non triviale pour la saut en hauteur pour calculer la profondeur théorique en aval. Comparer la prédiction théorique de la profondeur mesurée en aval. Aux débits supercritique, les prédictions correspondent les profondeurs mesurées au sein de l’incertitude expérimentale. Regardez vos résultats pour le débit du seuil. Au sein de l’incertitude expérimentale, le nombre de Froude est l’un, comme nous l’avions prévu de l’analyse théorique. Le taux de perte d’énergie mécanique par le ressaut hydraulique peut aussi être calculé à partir de ces données. Tout d’abord, calculer l’énergie mécanique du fluide qui se jettent dans le saut, qui est la somme des débits de l’énergie cinétique et potentielle à l’entrée. Maintenant, déterminer le débit d’énergie de la même manière, mais avec des valeurs à la sortie. Le taux de dissipation de l’énergie mécanique à la chaleur est la différence entre les tarifs d’entrée et de sortie. Dans cette expérience, le taux de perte d’énergie peut atteindre environ 40 % de l’énergie d’entrée, ou supérieur. Ces résultats mettent en évidence l’efficacité des analyses de l’élan et expériences en modèle pour comprendre et prédire le comportement de systèmes hydrauliques. Maintenant regardons quelques autres façons ressauts hydrauliques sont utilisés.

Ressauts hydrauliques sont un phénomène naturel important avec de nombreuses applications d’ingénierie. Ressauts hydrauliques sont souvent conçus en systèmes hydrauliques pour dissiper l’énergie mécanique d’un fluide en chaleur. Cela réduit le risque de dommages par jet liquide à grande vitesse des évacuateurs de crues. À des vitesses d’écoulement élevé de canal, sédiments peut être levé de lits de rivière et fluidisé. En réduisant les vitesses d’écoulement, ressauts hydrauliques aussi réduisent le potentiel de l’érosion et l’affouillement autour de pieux. Dans les stations d’épuration, les ressauts hydrauliques sont parfois utilisés pour induire de mélange et d’aérer les flux. L’entraînement mélange de performance et de gaz de ressauts hydrauliques peut être observé qualitativement dans cette expérience.

Vous avez juste regardé introduction de JoVE à ressauts hydrauliques. Vous devez maintenant comprendre comment utiliser une approche de contrôle volume pour prédire le comportement de l’écoulement et comment mesurer ce comportement à l’aide d’une installation de flux du canal ouvert. Vous avez également vu quelques utilisations pratiques pour l’ingénierie des ressauts hydrauliques dans des applications réelles. Merci de regarder.

Results

Nombre de Froude en amont (Fr1) et mesurées et théoriques des profondeurs en aval sont résumées dans le tableau 1. Pour la formation d’un ressaut hydraulique, le débit d’entrée seuil mesuré correspond à Fr1 = 0,9 ± 0,3, ce qui correspond à la valeur théorique de 1. Aux débits supercritique (Fr1 > 1) prédit des profondeurs en aval correspondent aux valeurs théoriques (Eqn. 4) au sein de l’incertitude expérimentale.

Tableau 1 - mesurée en amont nombres de Froude (Fr1) et en aval profondeurs liquides pour H1 = 5 ± 1 mm

Débit du liquide

(Equation 9, l min-1)

Nombre de Froude en amont (Fr1) Mesurer la profondeur en aval (H2) Prédit la profondeur en aval (H2) Notes
6,0 ± 0,5 0,9 ± 0,3 5 ± 1 5 ± 1 Nombre de Froude de seuil pour ressaut hydraulique
11,0 ± 0,5 1,7 ± 0,5 11 ± 1 10 ± 2
12,0 ± 0,5 1,9 ± 0,6 12 ± 1 11 ± 2
13.5 ± 0,5 2,1 ± 0,6 14 ± 1 13 ± 2

Photographies des ressauts hydrauliques provenant des cas ci-dessus sont présentés sur la Fig. 4. Aucun saut n’est observée pour Equation 9 = 6,0 l min-1 (Fr1 = 0,9). On observe des sauts pour les deux autres cas avec Fr1 > 1. Une amplitude plus forte, plus haut, saut on observe le cas supercritique taux plus élevés de flux.

Figure 4
Figure 4 : Photographie de ressauts hydrauliques, montrant un état critique (pas de saut, Fr1 = 0,9) et sauts en Fr1 = 1,9, 2.1.

Applications and Summary

Cette expérience a démontré le phénomène de ressauts hydrauliques qui se forment dans des conditions supercritiques (Fr > 1) ouvrir en écoulements. Une installation expérimentale a été construite pour observer des phénomènes de ressaut hydraulique à différents débits. Profondeurs de liquides en aval ont été mesurés et mis en correspondance avec les prédictions théoriques.

Dans cette expérience, la maximale rapportée entrée nombre de Froude était de 2,1. La pompe a été évaluée pour offrir des débits beaucoup plus élevés, mais la résistance dans le débitmètre limité des débits mesurables à ~ 14 l min-1. À l’avenir des expériences, une pompe avec une cote de tête plus grande ou un débitmètre goutte bas pression peut permettre un plus large éventail de conditions étudiées.

Ressauts hydrauliques sont souvent conçus en systèmes hydrauliques pour dissiper l’énergie mécanique d’un fluide en chaleur. Cela réduit le risque de dommages par jet liquide à grande vitesse des évacuateurs de crues. À des vitesses d’écoulement élevé de canal, sédiments peut être levé de lits de rivière et fluidisé. En réduisant les vitesses d’écoulement, ressauts hydrauliques aussi réduisent le potentiel de l’érosion et l’affouillement autour de pieux. Dans les stations d’épuration, les ressauts hydrauliques sont parfois utilisés pour induire de mélange et d’aérer les flux. L’entraînement mélange de performance et de gaz de ressauts hydrauliques peut être observé qualitativement dans cette expérience.

Pour toutes ces applications, analyses d’élan à travers les ressauts hydrauliques, tel que discuté ici, sont des outils clés pour prédire le comportement du système hydraulique. De même, modèle expériences telles que celles a démontré dans ce projet, peuvent guider la conception des géométries d’écoulement et des équipements hydrauliques pour les applications de mécanique à grande échelle.

References

  1. Cimbala, Y.A. Cengel, Fluid Mechanics Fundamentals and Applications, 3rd edition, McGraw-Hill, New York, NY, 2014.

Remarque : Cette expérience utilise une pompe submersible relativement puissante. La pompe devrait uniquement être branchée dans une prise GFCI pour minimiser les risques électriques. Veiller à ce qu’aucun autre appareil de climatisation sous tension ne fonctionnent près de l’expérience.

1. fabrication de facilité d’écoulement et le réservoir (voir schéma et photo, Fig. 3)

  1. Longueurs de ~6.0 mm x épaisseur 9,5 cm de large clairement feuille acrylique avec les longueurs suivantes : 2 × 15 cm, 2 cm × 25, 1 × 34 cm, 1 × 41 cm (Fig. 3 a). Il est recommandé d’utiliser une table de la scie ou coupe au laser pour que les bords soient relativement plats et les feuilles ont la même épaisseur.
  2. Couper des trous dans les coins inférieurs droit des feuilles acryliques deux 60 × 45 cm pour monter le débitmètre (Fig. 3 a). Découper un trou sur la partie supérieure droite de la feuille avant d’installer le régulateur de débit.
  3. Utiliser la colle acrylique (p. ex., SCIGRIP 16) pour coller les panneaux d’acrylique comme indiqué en Fig. 3 a. Assurer une ventilation adéquate et porter des gants lorsque vous manipulez le ciment acrylique. Il est utile d’appliquer le ciment avec une aiguille de seringue et utilisez du ruban pour positionner les panneaux pendant le durcissement. Laisser le ciment pendant 24 à 48 heures.
  4. Installer le débitmètre sur le panneau avant et le fixer avec les vis fournies. Installer 1 NPT à raccords réducteurs de ½ NPT sur les ports d’entrée et en sortie de débitmètre. Installer ½ NPT à 0,5 po diamètre intérieur barbée raccords adaptateurs pour ces raccords.
  5. Installer une 0,5 po. ID et une à 0,75. ID barbelé sur la vanne (contrôle de taux de flux). Connecter le raccord cannelé pour la pompe immergée avec une longueur d’environ 20 cm de tube pour que la manette soit aligné avec le trou sur le dessus à droite du boîtier acrylique (Fig. 3 b-c).
  6. Insérez la pompe dans le réservoir inférieur et installer le robinet afin que la tige du robinet passe par le trou de fixation et la poignée est à l’extérieur de l’enceinte (Fig. 3C).
  7. Insérer un panneau acrylique vertical près de la partie de l’entrée de l’installation de flux afin qu’il y a environ un 5,0 mm d’ouverture en dessous (Fig. 3 b-c). Cette composante servira de la vanneet peut être élevée ou abaissée pour contrôler le flux provenant du réservoir supérieur au canal.
  8. Remplissez le réservoir supérieur plus ou moins avec une laine d’acier inoxydable tampon à récurer. Ceci permet de répartir le débit d’eau d’arrivée outre-manche.
  9. Raccorder la sortie du robinet à l’entrée du débitmètre avec une longueur de tuyaux en plastique souple. Raccorder la sortie du débitmètre le réservoir supérieur avec des tubes en plastique. S’assurer que l’entrée de la tuyauterie dans le réservoir supérieur est bien ancrée afin qu’il ne pas balancent dehors lorsque la pompe est en marche.
  10. Remplissez le réservoir inférieur avec de l’eau.

2. exécution d’expérience

  1. Mesurer la hauteur de l’espace sous la porte à l’aide d’une règle et indiquer la valeur que H1.
  2. Mettre en marche la pompe et régler le débit à l’aide de la vanne à différents débits (5-15 l min-1). Utilisez une règle pour mesurer la profondeur liquide en aval de la porte (H2) pour chaque cas.
  3. Qualitativement, observer les formes des ressauts hydrauliques qui se forment à des débits différents. Surveillez le débit du seuil minimum pour la formation d’un ressaut hydraulique. Plus nette, plus grande amplitude (H2 H1), sauts doivent avoir lieu à des débits plus élevés.

3. analyse des données

  1. Pour chaque cas de taux de flux, calculer la vitesse d’aspiration, V1, le débit volumétrique. Equation 8Equation 9 est le débit volumique et W est la largeur du chenal.
  2. Évaluer l’entrée du nombre de Froude (Equation 5) et théorique profondeur liquide en aval pour chaque cas (Eqn. 4). Comparer ces valeurs avec les profondeurs mesurées saut en aval.

Figure 3
Figure 3 : a. schéma et dimensions d’installation structure. b. schéma du procédé de ressaut hydraulique installation. ch. étiquetées photo installation expérimentale.

Un ressaut hydraulique est un phénomène qui se produit dans les rapides de flux ouverts lorsque l’écoulement devient instable. En cas d’un saut, la hauteur de la surface du liquide augmente brusquement entraînant une profondeur accrue et la vitesse d’écoulement moyenne diminuée en aval. Un effet secondaire important de ce phénomène est qu’une grande partie de l’énergie cinétique de l’écoulement en amont est dissipée en chaleur. Bien que souvent ressauts hydrauliques se posent naturellement, comme dans les rivières ou le flux dans un évier domestique, ils sont aussi délibérément integrees dans grand aqueduc pour minimiser l’érosion, ou augmenter le mélange. Cette vidéo va illustrer les principes qui sous-tendent les ressauts hydrauliques dans un canal rectiligne et ensuite démontrer le phénomène expérimentalement à l’aide d’une installation de débit canal ouvert à petite échelle. Après avoir analysé les résultats, certaines applications de ressauts hydrauliques seront discutées.

Considérons l’écoulement dans une section large, tout droite d’une voie ouverte où survient un ressaut hydraulique et construire un volume de contrôle sur une écluse autour du saut. Si la vitesse d’écoulement est uniforme à l’entrée et la sortie, conservation de la masse donne une relation simple entre les profondeurs de liquide en amont et en aval. Profondeur, multipliée par la vitesse est constante. On trouvera une deuxième relation en prenant en considération la conservation du moment. Transporté à travers l’entrée et la sortie de masse porte momentum avec elle est égale au flux correspondant masse multipliée par la vitesse d’écoulement. Les forces hydrostatiques sur la surface du volume contrôle également contribuent à l’équilibre dynamique et doivent être inclus. Ces forces sont égales à la moyenne pression sur la surface multipliée par la superficie. À ce stade, il est utile d’introduire le nombre de Froude, une quantité sans dimension nommé d’après l’anglais ingénieur et physicien, William Froude. Le nombre de Froude caractérise la force relative de fluide dynamique aux forces hydrostatiques. Maintenant, si la relation de l’élan est réécrite en ce qui concerne le nombre de Froude, avec la vitesse de sortie éliminée par substitution en utilisant la relation masse, le résultat est une équation cubique en ce qui concerne le ratio des profondeurs en aval et en amont. Cette équation peut être simplifiée en factorisant la solution triviale où les profondeurs en amont et en aval sont égaux. Les deux solutions restantes sont faciles à trouver à l’aide de l’équation quadratique, mais la solution négative peut être éliminée puisqu’il est non physiques. Le reste de la solution correspond à une augmentation de la profondeur, un ressaut hydraulique, soit une diminution de profondeur et une dépression hydraulique, basée sur la valeur du nombre de Froude en amont. Si le nombre de Froude en amont est supérieur à un, le flux a une énergie mécanique élevée et supercritique ou instables. Une dépression hydraulique ne peut se former dans ce régime car il augmenterait l’énergie mécanique et violer la seconde loi de la thermodynamique. En revanche, un ressaut hydraulique peut se former, soit spontanément, soit en raison de certaines perturbations dans le flux. Un nombre de Froude d’entrée de l’un représente le seuil minimal pour l’apparition d’un ressaut hydraulique. Ressauts hydrauliques dissipent l’énergie mécanique en chaleur et réduisent de façon significative l’énergie cinétique, tout en augmentant légèrement l’énergie potentielle de l’écoulement. Comme l’augmentation de nombre de Froude, fait rapport des profondeurs en aval vers l’amont et la quantité d’énergie cinétique dissipée en chaleur. Maintenant que nous comprenons les principes qui sous-tendent les ressauts hydrauliques, nous allons les examiner expérimentalement.

Tout d’abord, fabriquer la facilité de circulation canal ouvert tel que décrit dans le texte. L’installation dispose d’un réservoir supérieur et inférieur, relié par un canal ouvert. L’eau pompée dans le réservoir inférieur est déposé dans le réservoir supérieur avec le débit contrôlé et mesuré par un robinet et le compteur de débit en ligne avec la pompe. Laine d’acier dans le réservoir supérieur aide à répartir l’eau sur toute la largeur de la section, et la vanne réglable contrôle la profondeur fluide lorsqu’elle entre dans le canal. Après traversant le canal, le fluide est déposé dans le réservoir inférieur. La facilité d’écoulement étant montée, mis en place sur un banc et retirer des appareils électroniques à proximité. Branchez la pompe sur une prise GFCI pour minimiser le risque de choc électrique et remplissez le réservoir inférieur avec de l’eau. Vous êtes maintenant prêt pour réaliser l’expérience.

Régler la vanne à environ cinq millimètres. Mesurer la hauteur finale de l’écart sous la vanne à l’aide d’une règle et consigner cette distance que la profondeur de l’écoulement en amont, H1. Lorsque vous avez terminé, mettre en marche la pompe et la vanne permet de maximiser la vitesse d’écoulement sans dépasser l’échelle sur le débitmètre. Réutiliser la règle pour mesurer la profondeur fluide après le ressaut hydraulique. Enregistrer la vitesse d’écoulement, avec cette deuxième distance qui correspond à la profondeur du débit en aval, H2. Avant de continuer, observer la forme du ressaut hydraulique. Vous devriez remarquer des transitions plus grandes, plus abruptes pour des débits plus élevés et des transitions plus petites, plus progressive pour des débits inférieurs. Maintenant, répétez vos mesures et observations pour des débits inférieurs successivement. Essayez de déterminer la vitesse d’écoulement de seuil minimum pour la formation d’un ressaut hydraulique. Une fois que vous avez trouvé le débit seuil, vous êtes prêt à analyser les résultats.

Pour chaque débit volumétrique, vous devriez avoir une mesure de la profondeur de fluide en aval. La profondeur en amont est la même pour tous les cas. Effectuer les calculs suivants pour chaque mesure et propager les incertitudes le long du chemin. Tout d’abord, déterminer la vitesse d’écoulement d’admission. Diviser le débit volumétrique par la largeur et la profondeur en amont. Ensuite, évaluer le nombre de Froude en amont à l’aide de la définition donnée à l’avant et son remplacement par l’accélération due à la gravité, ainsi que la hauteur amont et la vitesse. Maintenant, utilisez le nombre de Froude et la solution non triviale pour la saut en hauteur pour calculer la profondeur théorique en aval. Comparer la prédiction théorique de la profondeur mesurée en aval. Aux débits supercritique, les prédictions correspondent les profondeurs mesurées au sein de l’incertitude expérimentale. Regardez vos résultats pour le débit du seuil. Au sein de l’incertitude expérimentale, le nombre de Froude est l’un, comme nous l’avions prévu de l’analyse théorique. Le taux de perte d’énergie mécanique par le ressaut hydraulique peut aussi être calculé à partir de ces données. Tout d’abord, calculer l’énergie mécanique du fluide qui se jettent dans le saut, qui est la somme des débits de l’énergie cinétique et potentielle à l’entrée. Maintenant, déterminer le débit d’énergie de la même manière, mais avec des valeurs à la sortie. Le taux de dissipation de l’énergie mécanique à la chaleur est la différence entre les tarifs d’entrée et de sortie. Dans cette expérience, le taux de perte d’énergie peut atteindre environ 40 % de l’énergie d’entrée, ou supérieur. Ces résultats mettent en évidence l’efficacité des analyses de l’élan et expériences en modèle pour comprendre et prédire le comportement de systèmes hydrauliques. Maintenant regardons quelques autres façons ressauts hydrauliques sont utilisés.

Ressauts hydrauliques sont un phénomène naturel important avec de nombreuses applications d’ingénierie. Ressauts hydrauliques sont souvent conçus en systèmes hydrauliques pour dissiper l’énergie mécanique d’un fluide en chaleur. Cela réduit le risque de dommages par jet liquide à grande vitesse des évacuateurs de crues. À des vitesses d’écoulement élevé de canal, sédiments peut être levé de lits de rivière et fluidisé. En réduisant les vitesses d’écoulement, ressauts hydrauliques aussi réduisent le potentiel de l’érosion et l’affouillement autour de pieux. Dans les stations d’épuration, les ressauts hydrauliques sont parfois utilisés pour induire de mélange et d’aérer les flux. L’entraînement mélange de performance et de gaz de ressauts hydrauliques peut être observé qualitativement dans cette expérience.

Vous avez juste regardé introduction de JoVE à ressauts hydrauliques. Vous devez maintenant comprendre comment utiliser une approche de contrôle volume pour prédire le comportement de l’écoulement et comment mesurer ce comportement à l’aide d’une installation de flux du canal ouvert. Vous avez également vu quelques utilisations pratiques pour l’ingénierie des ressauts hydrauliques dans des applications réelles. Merci de regarder.

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