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Mechanical Engineering
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JoVE Science Education Mechanical Engineering
Hydraulic Jumps
  • 00:07Overview
  • 01:05Principles of Hydraulic Jumps
  • 03:57Preparing the Experiment
  • 04:55Data Collection
  • 06:00Analysis and Results
  • 07:59Applications
  • 08:48Summary

油圧ジャンプ

English

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Overview

ソース: アレクサンダー ・ S ・ ラトナーとマハディ ナビル;機械・原子力工学、ペンシルバニアの州立大学、大学公園、PA 部

液体は高速で開水路に沿って流れる、流れが不安定になることができ、わずかな障害より高いレベル (図 1 a) に突然移行する液体の上面を引き起こすことができます。液体レベルのこの急激な増加は、油圧ジャンプと呼ばれます。液体のレベルの増加は、平均流速の減少を引き起こします。その結果、有害流体運動エネルギーは熱として消費です。油圧ジャンプはダム水路、損傷を防ぐために、高速移動の流れによって可能性があります浸食を減らすなどの大規模な水の作品に意図的に設計されます。油圧ジャンプも川やストリーム、自然発生して (図 1 b) シンクの蛇口から水の放射状の流出などの家計条件で観察されることができます。

このプロジェクトの開水路実験施設が建設されます。水門がインストールされ、発生または下流の洪水吐きに上流の貯水池からの水の吐出量を制御するを下げたことが垂直ゲートであります。油圧ジャンプ ゲート出口を生成するために必要な流量で測定されます。これらの調査結果は、質量と運動量解析に基づく理論値と比較されます。

Figure 1
図 1: a. 油圧ジャンプ不安定な高速流にわずかな摂動による放水路から下流に発生します。b. 家庭用蛇口から水の流出を放射状に油圧ジャンプの例。

Principles

広い開水路流れにおける液のみ低固体境界が限られている、その上面が大気にさらさ。コントロール ボリュームの解析は、質量と運動量 (図 2) の入口と出口の輸送のバランスを開水路流れのセクションで実行できます。速度は、入口・出口制御ボリュームの制服と見なされます場合 (V1V2それぞれ) 対応する液体の深さH1 H2その後、安定した質量フロー バランスを減ります。

Equation 1(1)

X-このコントロール ボリュームの方向のモーメント解析入口と出口の勢いの流れ率 (Eqn. 2) (流体の深さ) による静水圧の力のバランスをとる。圧の力制御ボリュームの 2 つの側面内側法し、液体の比重と等しい (液体の密度は、重力加速度を倍: ρg)、それぞれの側で、(H12、平均液体の深さを乗じたH22) は、(H1 H2) 各側面に作用する圧力を高さを乗算されます。Eqn。 2 の左側の二次式でこの結果します。(Eqn。 2、右側) 各側面を介して運動量流量がコントロール ・ ボリュームにおける液体の質量流量に等しい (で: Equation 2 , out: Equation 3 ) (V1 V2) 流体の速度を掛けた。

Equation 4(2)

Eqn。 1 に Eqn。 2 V2を除去するために置き換えることができます。フルード数 (Equation 5) もでも代用が可能、静水圧荷重を流入流体運動量の相対的な強さを表します。結果の式は計上することができます。

Equation 6(3)

この三次方程式は 3 つのソリューションです。1 つは H1 = H2 は、通常のオープン チャネル動作を与える (入口の深さ = コンセント深さ)。2 番目のソリューションは、物理と排除することができます負の液体レベルを与えます。残りのソリューションは、深さ (油圧ジャンプ) の増加の深さ (油圧うつ病)、流入フルード数に応じて増減できます。流れは超臨界と呼ばれる入口フルード数 (Fr1) が 1 より大きい場合、(不安定)、高機械的エネルギー (運動 + 重力ポテンシャル エネルギー)。この場合は、自発的にまたは流れにいくつかの障害により油圧ジャンプを形成できます。油圧ジャンプは、熱、運動エネルギーを大幅に削減し、わずかに増加する流れの潜在的なエネルギーに力学的エネルギーを散らします。結果のコンセントの高さは、Eqn。 4 (Eqn。 3 ソリューション) によって与えられます。油圧うつ病は、場合に発生することはできません Fr1 > 1 流れの力学的エネルギーを増加させる、ため熱力学の第 2 法則に違反しています。

Equation 7(4)

油圧ジャンプの強さが流入フルード数を増加します。Fr1が大きくなるし、H2/H1の大きさを増加熱 [1] として入口運動エネルギーの大部分を消費します。

Figure 2
図 2: 油圧ジャンプを含む開水路流れの範囲の音量を制御します。入口、単位幅流量質量と運動量を示されます。単位幅あたりの静水圧の力は、下の図に示されています。

Procedure

注: この実験は、比較的強力な水中ポンプを使用します。電気的リスクを最小限に抑えるため GFCI の出口にポンプを接続のみ必要があります。実験近く他 A/C 電源デバイスが動作しないことを確認します。 1. 開水路流れ設備、タンク (図や写真、図 3 を参照) の作製 ~6.0 mm 厚 × 9.5 センチのカット長さをオフに次の長さを持つアクリル シート: 2 × 15 cm、2 × 25 cm、1 × 34 cm、1 × 41 cm (図 3 a)。テーブルを使用するを見たまたはエッジが比較的平坦であることを確認するためにレーザー カッター、シート等厚をお勧めします。 流量計 (図 3 a) をマウントする 2 60 × 45 cm アクリル シートの右下の隅に穴を開けます。流量制御弁をインストールするのにはフロント シートの右上に穴を開けます。 アクリル セメント (例えば、SCIGRIP 16) を使用して、図 3 a に示すように、アクリル パネルを接着します。十分な換気を確保し、アクリル セメントを取り扱うときに手袋を着用します。針注射器でセメントを適用し、マスキング テープを使用して硬化時にパネルを配置することをお勧めします。24-48 時間を治すためセメントを許可します。 フロント パネルと付属のネジと接辞に流量計をインストールします。流量計の入口と出口ポートの ½ の NPT 削減継手に 1 NPT をインストールします。これらの付属品に 0.5 インチ内径有刺鉄線継手アダプターに ½ NPT をインストールします。 0.5 にインストールします。ID と 0.75 で。ID が有刺鉄線ゲート バルブ (流量制御) の上にフィットします。接続チューブの ~ 20 センチメートルの長さを持つ水中ポンプに有刺鉄線継手バルブ ハンドルは上の穴と並ぶようにアクリルのエンクロージャ (図 3b-c) の右。 低い貯蔵所にポンプを挿入し、弁棒取付穴を通過し、ハンドルがエンクロージャ (図 3 c) 外弁をインストールします。 (図 3 b c) 下開く約 5.0 mm があるので、入口部分の流れ施設近くの垂直アクリル パネルを挿入します。このコンポーネントの水門として機能してことができますあげたり下げたりできるチャネルに上部の貯蔵所からの流れを制御します。 精練パッド ステンレス スチール ウールで緩く上部貯水池を埋めます。これにより、海峡入口水の流れを均等に分散します。 柔らかいプラスチック製のチューブの長さと流量計の入口バルブ出口に接続します。プラスチック管上部の貯水池に流量計のコンセントに接続します。チューブ入口上部のタンクにはポンプがオンの場合に、うちスイングしませんので、固定もを確認します。 低い貯蔵所を水で埋めます。 2. 実験を実行します。 定規を使用してゲート下にギャップ高さを測定し、 H1として値を示します。 ポンプをオンにし、様々 な流量 (5-15 l 分-1) に弁を使用して流量を調整します。各ケースのゲート (H2) から下流に液体の深さを測定するのにには、定規を使用します。 定性的で流量が異なるフォーム油圧ジャンプの形状を観察します。油圧ジャンプの形成のための最小しきい値流量を監視します。シャープ、大きい振幅 (H2 H1)、ジャンプが高い流動度で発生する必要があります。 3. データ分析 フロー速度都度V1、体積流量からの流入速度を計算します。 、は体積流量とWチャネル幅です。 入口フルード数を評価 () と都度 (Eqn. 4) 理論的な下流の液体の深さ。測定下流ジャンプ深さでこれらの値を比較します。 図 3: a. の回路図、施設構造 b 油圧ジャンプ施設 c. ラベル付き写真の実験施設のフロー図の寸法します。 。

Results

Upstream Froude numbers (Fr1) and measured and theoretical downstream depths are summarized in Table 1. The measured threshold inlet flow rate for formation of a hydraulic jump corresponds to Fr1 = 0.9 ± 0.3, which matches the theoretical value of 1. At supercritical flow rates (Fr1 > 1) predicted downstream depths match theoretical values (Eqn. 4) within experimental uncertainty.

Table 1 – Measured upstream Froude numbers (Fr1) and downstream liquid depths for H1 = 5 ± 1 mm

Liquid Flow Rate

(Equation 9, l min-1)

Upstream Froude Number (Fr1) Measured Downstream Depth (H2) Predicted Downstream Depth (H2) Notes
6.0   ± 0.5 0.9 ± 0.3 5 ± 1 5 ± 1 Threshold Froude number for hydraulic jump
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

Photographs of the hydraulic jumps from the above cases are presented in Fig. 4. No jump is observed for Equation 9 = 6.0 l min-1 (Fr1 = 0.9). Jumps are observed for the two other cases with Fr1 > 1. A stronger, higher amplitude, jump is observed at the higher flow rate supercritical case.

Figure 4
Figure 4: Photograph of hydraulic jumps, showing critical condition (no jump, Fr1 = 0.9) and jumps at Fr1 = 1.9, 2.1.

Applications and Summary

This experiment demonstrated the phenomena of hydraulic jumps that form at supercritical conditions (Fr > 1) in open channel flows. An experimental facility was constructed to observe hydraulic jump phenomena at varying flow rates. Downstream liquid depths were measured and matched with theoretical predictions.

In this experiment, the maximum reported inlet Froude number was 2.1. The pump was rated to deliver significantly higher flow rates, but resistance in the flow meter limited measurable flow rates to ~14 l min-1. In future experiments, a pump with a greater head rating or a lower pressure drop flow meter may enable a broader range of studied conditions.

Hydraulic jumps are often engineered into hydraulic systems to dissipate fluid mechanical energy into heat. This reduces the potential for damage by high velocity liquid jetting from spillways. At high channel flow velocities, sediment can be lifted up from streambeds and fluidized. By reducing flow velocities, hydraulic jumps also reduce the potential for erosion and scouring around pilings. In water treatment plants, hydraulic jumps are sometimes used to induce mixing and aerate flow. The mixing performance and gas entrainment from hydraulic jumps can be observed qualitatively in this experiment.

For all of these applications, momentum analyses across hydraulic jumps, as discussed here, are key tools for predicting hydraulic system behavior. Similarly, scale model experiments such as those demonstrated in this project, can guide the design of open-channel flow geometries and hydraulic equipment for large-scale engineering applications.

References

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

Transcript

A hydraulic jump is a phenomenon that occurs in fast-moving open flows when the flow becomes unstable. When a jump occurs, the height of the liquid surface increases abruptly resulting in an increased depth and decreased average flow velocity downstream. An important side effect of this phenomenon is that much of the kinetic energy in the upstream flow is dissipated as heat. Although hydraulic jumps often arise naturally, such as in rivers or the flow into a household sink, they are also purposely engineered into large waterworks to minimize erosion, or increase mixing. This video will illustrate the principles behind hydraulic jumps in a straight channel and then demonstrate the phenomenon experimentally using a small-scale open channel flow facility. After analyzing the results, some applications of hydraulic jumps will be discussed.

Consider the flow in a wide, straight section of an open channel where a hydraulic jump occurs and construct a control volume on a sluice around the jump. If the flow velocity is uniform at the inlet and outlet, conservation of mass yields a simple relation between upstream and downstream fluid depths. Depth multiplied by velocity is constant. A second relation can be found by considering conservation of momentum. Mass transported across the input and output carries momentum with it equal to the corresponding mass flux multiplied by the flow velocity. Hydrostatic forces on the surface of the control volume also contribute to the momentum balance and must be included. These forces are equal to the average pressure on the surface multiplied by the area. At this point, it is useful to introduce the Froude number, a dimensionless quantity named after the English engineer and hydrodynamicist, William Froude. The Froude number characterizes the relative strength of fluid momentum to hydrostatic forces. Now, if the momentum relation is rewritten in terms of the Froude number, with the output velocity eliminated by substitution using the mass relation, the result is a cubic equation in terms of the ratio of downstream and upstream depths. This equation can be simplified by factoring out the trivial solution where the upstream and downstream depths are equal. The two remaining solutions are easily found using the quadratic equation, but the negative solution can be eliminated since it is non-physical. The remaining solution corresponds to an increase in depth, a hydraulic jump, or a decrease in depth, a hydraulic depression, based on the value of the upstream Froude number. If the upstream Froude number is greater than one, the flow has a high mechanical energy and is supercritical or unstable. A hydraulic depression cannot form in this regime because it would increase mechanical energy and violate the second law of thermodynamics. On the other hand, a hydraulic jump can form, either spontaneously or due to some disturbance in the flow. An input Froude number of one represents the minimum threshold for the onset of a hydraulic jump. Hydraulic jumps dissipate mechanical energy into heat, and significantly reduce the kinetic energy, while slightly increasing the potential energy of the flow. As the Froude number increases, so does the ratio of downstream to upstream depths and the amount of kinetic energy dissipated as heat. Now that we understand the principles behind hydraulic jumps, let’s examine them experimentally.

First, fabricate the open channel flow facility as described in the text. The facility has an upper and lower reservoir connected by an open channel. Water pumped from the lower reservoir is deposited in the upper reservoir with the flow rate controlled and measured by a valve and flow meter in line with the pump. Steel wool in the upper reservoir helps to evenly distribute the water across the width of the section, and the adjustable sluice gate controls the fluid depth as it enters the channel. After flowing through the channel, the fluid is deposited back into the lower reservoir. When the flow facility is assembled, set it up on a bench and remove any nearby electronic devices. Plug the pump into a GFCI outlet to minimize the risk of electrical shock, and then fill the lower reservoir with water. You are now ready to perform the experiment.

Adjust the sluice gate to approximately five millimeters. Measure the final height of the gap underneath the sluice gate using a ruler, and record this distance as the upstream flow depth, H1. When you are finished, turn on the pump and use the valve to maximize the flow rate without exceeding the scale on the flow meter. Use the ruler again to measure the fluid depth after the hydraulic jump. Record the flow rate, along with this second distance which is the downstream flow depth, H2. Before continuing, observe the shape of the hydraulic jump. You should notice larger, more abrupt transitions for higher flow rates, and smaller, more gradual transitions for lower flow rates. Now, repeat your measurements and observations for successively lower flow rates. Try to determine the minimum threshold flow rate for the formation of a hydraulic jump. Once you have found the threshold flow rate, you are ready to analyze the results.

For each volumetric flow rate, you should have a measurement of the downstream fluid depth. The upstream depth is the same for all cases. Complete the following calculations for each measurement and propagate uncertainties along the way. First, determine the inlet flow velocity. Divide the volumetric flow rate by the channel width and upstream depth. Next, evaluate the upstream Froude number using the definition given before, and substituting in the acceleration due to gravity, as well as the upstream height and velocity. Now, use the Froude number and the non-trivial solution for the jump height to calculate the theoretical downstream depth. Compare the theoretical prediction with the measured downstream depth. At supercritical flow rates, the predictions match the measured depths within experimental uncertainty. Look at your results for the threshold flow rate. Within experimental uncertainty, the Froude number is one, as we anticipated from the theoretical analysis. The rate of mechanical energy loss through the hydraulic jump can also be calculated from these data. First, calculate the mechanical energy of the fluid flowing into the jump, which is the sum of kinetic and potential energy flow rates at the inlet. Now, determine the output energy rate in the same way, but with values at the outlet. The rate of mechanical energy dissipation to heat is the difference between the input and output rates. In this experiment, the energy loss rate can reach about 40% of the inlet energy, or higher. These results highlight the effectiveness of momentum analyses and scale model experiments for understanding and predicting the behavior of hydraulic systems. Now let’s look at some other ways hydraulic jumps are utilized.

Hydraulic jumps are an important natural phenomenon with many engineering applications. Hydraulic jumps are often engineered into hydraulic systems to dissipate fluid mechanical energy into heat. This reduces the potential for damage by high velocity liquid jetting from spillways. At high channel flow velocities, sediment can be lifted up from streambeds and fluidized. By reducing flow velocities, hydraulic jumps also reduce the potential for erosion and scouring around pilings. In water treatment plants, hydraulic jumps are sometimes used to induce mixing and aerate flow. The mixing performance and gas entrainment from hydraulic jumps can be observed qualitatively in this experiment.

You’ve just watched JoVE’s introduction to hydraulic jumps. You should now understand how to use a control volume approach to predict the flow behavior, and how to measure this behavior using an open channel flow facility. You’ve also seen some practical uses for engineering hydraulic jumps in real applications. Thanks for watching.

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JoVE Science Education Database. JoVE Science Education. Hydraulic Jumps. JoVE, Cambridge, MA, (2023).