Quelle: Alexander S Rattner und Mahdi Nabil; Abteilung für mechanische und Nuclear Engineering, der Pennsylvania State University, University Park, PA
Wenn Flüssigkeit entlang einen offenen Kanal mit hoher Geschwindigkeit fließt, kann die Strömung instabil und leichte Störungen können dazu führen, dass die oberen Flüssigkeitsoberfläche Übergang abrupt auf ein höheres Niveau (Abb. 1a). Dieser starke Anstieg in der Flüssigkeitsstand nennt man einen hydraulischen Sprung. Die Erhöhung der Flüssigkeitsspiegel bewirkt eine Reduzierung die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit. Dadurch wird möglicherweise zerstörende flüssige kinetische Energie als Wärme abgeführt. Hydraulische Sprünge sind absichtlich so konstruiert in großen Wasserwerken, wie Damm Überläufe, Schäden zu vermeiden und reduzieren Erosion, die durch schnell bewegenden Flüssen verursacht werden könnten. Hydraulische Sprünge kommen natürlicherweise in Flüssen und Bächen, auch im Haushalt Bedingungen, wie z. B. die radiale Abfluss von Wasser aus einem Hahn auf einem Waschbecken (Abb. 1 b) beobachtet werden.
In diesem Projekt wird eine offene Wasserführung Versuchsanlage errichtet werden. Eine Schleuse wird installiert, ist ein vertikales Tor, das kann angehoben oder abgesenkt werden, die Fördermenge von Wasser aus einem vorgelagerten Reservoir an einen nachgeschalteten Abflußkanal zu kontrollieren. Der Volumenstrom, hydraulische Sprünge am Gate Ausgang zu produzieren benötigt wird gemessen. Diese Erkenntnisse werden mit theoretischen Werte basierend auf Masse und Impuls Analysen verglichen.
Abbildung 1: a. hydraulische springen zu einem instabilen Hochgeschwindigkeits-Fluss stromabwärts vom einem Abflußkanal durch eine leichte Störung auftreten. b. Beispiel hydraulischer Sprung in radialen Abfluss von Wasser aus einem Haushalt Hahn.
In weit offenen Kanal fließt Flüssigkeit ist nur durch eine feste Untergrenze beschränkt und die Oberseite der Atmosphäre ausgesetzt ist. Auf einem Abschnitt der eine offene Wasserführung, Einlass und Auslass Transport von Masse und Impuls (Abb. 2) auszugleichen kann eine Lautstärke Analyse durchgeführt werden. Wenn die Geschwindigkeiten in den Einlass und Auslass der Lautstärke einheitlich angenommen werden (V1 und V2 bzw.) eine stetige Masse fließen dann mit entsprechenden flüssige tiefen H1 und H2, Gleichgewicht reduziert auf:
(1)
Die X-Richtung Schwung Analyse dieser Lautstärke gleicht Streitkräfte aus dem hydrostatischen Druck (durch flüssige Tiefe) mit dem Einlass und Auslass Dynamik Durchflussmengen (Eqn. 2). Die Druckkräfte wirken nach innen auf beiden Seiten von der Lautstärke und sind gleich auf das spezifische Gewicht der Flüssigkeit (Dichte Flüssigkeit Mal Erdbeschleunigung: ρg), multipliziert mit der flüssigen Durchschnittstiefe auf jeder Seite (H12, H 22), multipliziert die Höhe, über die der Druck wirkt auf jeder Seite (H1, H2). Dies führt zu der quadratischen Ausdruck auf der linken Seite des Eqn. 2. Die Dynamik-Volumenströme durch jede Seite (Eqn. 2, rechts) entsprechen der Massenströme von Flüssigkeit durch die Lautstärke (in: , aus:
) multipliziert mit der Flüssigkeiten Geschwindigkeiten (V1, V2).
(2)
EQN. 1 kann in Eqn. 2 V2zu beseitigen ersetzt werden. Die Froude-Zahl () auch ersetzt werden kann, entspricht die relative Stärke der Zufluss Impuls zur hydrostatischen Kräfte. Der resultierende Ausdruck kann als angegeben werden:
(3)
Diese kubische Gleichung hat drei Lösungen. Einer ist H1 = H2, verleiht das normale Verhalten der offene Kanal (Einlass Tiefe = Steckdose Tiefe). Eine zweite Lösung gibt eine negative Flüssigkeitsstand, die unphysikalisch, und beseitigt werden kann. Die restliche Lösung ermöglicht eine Erhöhung der Tiefe (hydraulischer Sprung) oder eine Abnahme in der Tiefe (hydraulische Depression), je nach dem Einlass Froude Zahl. Wenn der Einlass Froude-Zahl (Fr1) größer als eins ist, nennt man der Fluss überkritischen (instabil) und hat hohe mechanischen Energie (kinetische + Schwerkraft Lageenergie). In diesem Fall kann ein hydraulischer Sprung spontan oder durch eine Störung der Strömung bilden. Die hydraulischen Sprung zerstreut mechanischen Energie in Wärme, die kinetische Energie deutlich zu reduzieren und leicht erhöht die potentielle Energie der Strömung. Die daraus resultierende Auslaufhöhe Eqn. 4 (eine Lösung für Eqn. 3) erteilt. Eine hydraulische Depression kann nicht auftreten, wenn Fr1 > 1 weil es mechanischen Energie des Flusses erhöhen würde, den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verletzt.
(4)
Die Stärke der hydraulische Sprünge erhöht mit Einlass Froude Zahl. Da Fr1 erhöht, erhöht sich das Ausmaß der H2/h1 und ein größerer Teil der Einlass kinetische Energie wird als Wärme [1] abgeführt.
Abbildung 2: Die Lautstärke eines Teils der eine offene Wasserführung, enthält einen hydraulischen Sprung. Einlass und Masse und Dynamik sind Fördermengen pro Einheit Breite angegeben. Hydrostatische Kräfte pro Einheit Breite im unteren Diagramm angegeben.
Dieses Experiment demonstriert die Phänomen der hydraulische Sprünge, die unter überkritischen Bedingungen bilden (Fr > 1) in offenen Kanal fließt. Eine Versuchsanlage wurde gebaut, um die hydraulischen Sprung Phänomene in unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten zu beobachten. Nachgeschaltete flüssige tiefen wurden gemessen und mit theoretischen Vorhersagen abgestimmt.
In diesem Experiment berichtet die maximale Inlet Froude Zahl 2.1. Die Pumpe wurde bewertet, um deutlich höhere Durchflussraten liefern jedoch Widerstand im Durchflussmesser begrenzt messbaren Flussraten bis ~ 14 l min-1. In Zukunft kann Experimente, eine Pumpe mit einem größeren Kopf Rating oder ein niedriger Druck-Drop-Flow-Meter ein breiteres Spektrum der untersuchten Bedingungen ermöglichen.
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.
Für alle diese Anwendungen sind Dynamik Analysen über hydraulische Sprünge, wie hier diskutiert wichtige Instrumente zur Verhaltensvorhersage Hydrauliksystem. In ähnlicher Weise Skala Modell Experimente wie gezeigt in diesem Projekt kann das Design der offene Wasserführung Geometrien und hydraulische Ausrüstung für großflächige Anwendungen führen.