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液压跳跃

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水力跃迁是一种现象, 发生在快速流动的开放流动时, 流量变得不稳定。当跳跃发生时, 液体表面的高度会突然增加, 导致深度增加, 下游的平均流速下降。这一现象的一个重要的副作用是, 上游流动中的大部分动能都是作为热能消散的。虽然水力跃迁经常自然地出现, 例如在河或流动入家庭水槽, 他们也被故意地被设计入大自来水厂减少侵蚀或增加混合。这段视频将说明液压跳跃在一个直通道背后的原理, 然后用一个小规模的明渠流设施来实验演示这种现象。在分析结果的基础上, 讨论了液压跳跃的一些应用。

考虑流动在一个宽广, 平直的部分在一个开放渠道在水力跃迁发生和构造控制容量在闸附近在跃迁。如果流速在入口和出口处是均匀的, 那么质量守恒就会产生上游和下游流体深度之间的简单关系。深度乘以速度是恒定的。通过考虑动量守恒, 可以找到第二个关系。通过输入和输出的质量传输动量与相应的质量通量乘以流速。控制容积表面的静液力也有助于动量平衡, 必须包括在内。这些力等于表面的平均压强乘以面积。在这一点上, 它是有用的介绍德数字, 一个无量纲数量命名以英国工程师和 hydrodynamicist, 威廉德。德数的特征是流体动量相对于静力的强度。现在, 如果动量关系被改写为德数, 随着输出速度被淘汰的质量关系, 结果是一个立方方程, 从下游和上游的比值的深度。这一方程可以通过分解出上游和下游深度相等的琐碎解来简化。利用二次方程可以很容易地找到剩下的两个解, 但由于非物理的原因, 否定解可被消除。剩余的解答对应于深度的增量, 水力跃迁, 或者减少深度, 水力消沉, 根据上游德数字的价值。如果上游德数大于 1, 则该流具有较高的机械能, 且超临界或不稳定。液压凹陷不能在这一制度中形成, 因为它会增加机械能, 违反热力学第二定律。另一方面, 水力跃迁可以形成, 自发地或由于有些干扰在流程。一个输入德数代表一个水力跃迁的起始的最低阈值。水力跃迁将机械能耗散为热能, 并显著降低动能, 同时略增势能的流动。随着德数的增加, 下游向上游深度的比值和动能耗散的热量。现在我们了解了液压跃迁的原理, 让我们在实验中对它们进行检验。

首先, 按照文中所述, 制作明渠流量装置。该设施有一个由开放通道连接的上、下水库。从下部储层抽水的水在上部储层中沉积, 流量由阀门和流量计测量, 并与泵配合。上部储层中的钢质羊毛有助于均匀地将水分布在剖面的宽度上, 而可调节的闸门则在进入通道时控制流体的深度。流经通道后, 流体被沉积回下部油藏。当流动设施被装配时, 将其设置在长凳上, 并卸下附近的电子设备。将泵塞入 GFCI 出口, 使触电的风险降到最低, 然后用清水填满下部蓄水池。你现在已经准备好进行实验了。

将闸门调整到大约五毫米。用直尺测量水闸下方缝隙的最终高度, 并记录此距离为上游水流深度, H1。当您完成后, 打开泵和使用阀门, 以最大限度的流量, 而不超过流量表的规模。再次使用标尺测量液压跃迁后的流体深度。记录流量, 并与这第二个距离, 这是下游流的深度, H2。在继续之前, 观察水力跃迁的形状。你应该注意到更大, 更突然的转变, 更高的流速, 和更小, 更渐进的转变, 以较低的流量率。现在, 重复您的测量和观察为连续地更低的流速。尝试确定水力跃迁形成的最小阈值流速。一旦找到了阈值流率, 就可以分析结果了。

对于每一个容积流速, 你应该有一个下游流体深度的测量。在所有情况下, 上游深度是相同的。完成每个测量的以下计算, 并在一路上传播不确定性。首先, 确定入口流速。将容积流速除以通道宽度和上游深度。接下来, 使用前面给出的定义来计算上游的德数, 并以重力的加速度代替, 以及上游的高度和速度。现在, 利用德数和非平凡解的跳跃高度来计算理论的下游深度。将理论预测与实测的下游深度进行比较。在超临界流速下, 这些预测与实验不确定范围内的测量深度相匹配。查看您的阈值流速的结果。在实验的不确定性, 德数字是一个, 正如我们预期从理论分析。通过水力跃迁的机械能损失率也可以从这些数据中计算出来。首先, 计算流体进入跃迁的机械能, 即入口的动能和势能流速的总和。现在, 以同样的方式确定输出能量的速率, 但在出口处有值。机械能耗散到热的速率是输入和输出速率之间的差异。在这个实验中, 能量损失率可以达到大约40% 的进口能量, 或更高。这些结果突出了动量分析和规模模型实验对液压系统行为的理解和预测的有效性。现在, 让我们来看看其他一些方法, 水力跳跃的使用。

液压跳跃是一种重要的自然现象, 具有许多工程应用。水力跃迁经常被设计入液压系统驱散液体机械能入热。这就降低了溢洪道高速液体射流对损伤的可能性。在高通道流速下, 沉积物可以从河床和流化中抬升。通过降低流速, 水力跃迁也减少了桩周围的侵蚀和冲刷的可能性。在水处理装置中, 水力跃迁有时用于诱导混合和通气流动。在实验中可以定性地观察水力跃迁的混合性能和气体夹带。

你刚才看了朱庇特介绍液压跳跃现在, 您应该了解如何使用控制卷方法来预测流行为, 以及如何使用开放式通道流工具来测量此行为。在实际应用中, 你也看到了工程液压跃迁的一些实际用途。谢谢收看

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