موضوع مقاله: پرش هیدرولیکی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # پرش هیدرولیکی | مقدمه: هنگامی که در یک کانال با سطح آزاد، در بالادست جریان فوق بحرانی و در پایین‌دست جریان زیر بحرانی وجود داشته‌باشد، در مقطعی میان این دو جریان، پرش هیدرولیکی رخ می‌دهد که با استهلاک انرژی زیادی همراه است. | ## بخش 1: پرش هیدرولیکی | برای سرعت‌هایی نیز که چندان بالاتر از سرعت بحرانی نیستند، انتقال انرژی به صورت امواج متلاطم پدیدار می‌شود. بعد از این مقدار هرچه سرعت اولیه سیال افزایش یابد، انتقال انرژی سریع‌تر می‌شود، تا جایی که در سرعت‌های بالا، ذرات سیال از آن جدا شده و به سوی بالا پرت شده و به سمت جریان بازمی‌گردند. وقتی این اتفاق می‌افتد، پرش همراه با اثرات شدید تلاطم ناشی از جریان مانده و گردابی هوا و امواج سطحی می‌شود. پرش هیدرولیکی باعث کاهش انرژی آب می‌شود که در جلوگیری از تخریب دیواره کانال‌ها بر اثر سرعت زیاد آب، کاربرد دارد. هم‌چنین آشفتگی ایجاد شده در حین پرش، می‌تواند در مخلوط کردن مواد شیمیایی با آب و نیز هوادهی آب مورد استفاده قرار گیرد. هرگاه عمق آب پایین دست بیشتر از عمق ثانویه پرش هیدرولیکی گردد، پرش هیدرولیکی به صورت مستغرق شکل می‌گیرد.Chaudhry, M. تعریف در علم هیدرولیک، پرش هیدرولیکی پدیده‌ای برگشت‌ناپذیر از نوع جریان متغیر سریع است که بیش‌تر در جریان‌های با سطح آزاد مثل جریان رودخانه‌ها و جریان خروجی از سرریزها و دریچه‌ها مورد بحث قرار می‌گیرد. هنگامی که در بالادست یک کانال با سطح آزاد، جریان فوق بحرانی (حالتی که سرعت جریان در سیال از سرعت انتشار موج در آن بیشتر باشد) و در پایین‌دست آن، جریان زیر بحرانی (حالتی که سرعت جریان در سیال از سرعت انتشار موج در آن کمتر باشد) وجود داشته‌باشد، در مقطعی میان این دو جریان، پرش هیدرولیکی رخ می‌دهد؛ زیرا تبدیل جریان از فوق بحرانی به زیر بحرانی به صورت تدریجی و ملایم امکان‌پذیر نیست؛ بنابراین در پدیده پرش هیدرولیکی، جریان از حالت فوق بحرانی به حالت زیر بحرانی تبدیل می‌شود. این تبدیل به صورت ناگهانی و در فاصله‌ای کوتاه رخ می‌دهد و به دلیل ایجاد آشفتگی در سطح آب، با استهلاک انرژی زیادی همراه است. تحلیل پرش هیدرولیکی در جریان سطح آزاد نخستین بار توسط ژان باپتیست بلانژه در سال ۱۸۲۸ میلادی انجام شد. فرض می‌شود که در یک حجم کنترل میان دو مقطع ۱ و ۲ با فاصله کوتاه، جریان با سطح آزاد برقرار باشد؛ به گونه‌ای که در مقطع ۱ جریان فوق بحرانی و در مقطع ۲ جریان زیر بحرانی باشد. معادله بقای اندازه حرکت بین دو مقطع ۱ و ۲ با فرض ناچیز بودن اصطکاک و مؤلفهٔ نیروی وزن در امتداد جریان، به صورت زیر نوشته می‌شود: که در آن، Fp1 و Fp2 فشار وارد بر سیال در مقطع ۱ و ۲ هستند که به صورت تعریف می‌شوند که در آن A سطح مقطع جریان و فاصله مرکز سطح تا سطح آزاد می‌باشند. هم‌چنین A=by که b عرض کانال است؛ بنابراین رابطه پرش هیدرولیکی برای مقطع مستطیلی به صورت زیر است: با استفاده از تعریف عدد فرود و ساده‌سازی معادله بالا، رابطه‌ای به صورت زیر به دست می‌آید که نسبت دو عمق مزدوج پیش و پس از پرش را برحسب عدد فرود پیش از پرش (Fr1) نشان می‌دهد: به دلیل تقارن معادلات، می‌توان رابطهٔ بالا را به صورت زیر نیز نوشت: به دلیل کوچک بودن عدد فرود پس از پرش (Fr2)، ممکن است مقدار عبارت جذر گرفته‌شده به یک نزدیک شود و محاسبهٔ اختلاف میان دو مقدار نزدیک به هم می‌تواند منجر به خطای محاسباتی شود. | ## بخش 2: پرش هیدرولیکی | برای افزایش دقت در محاسبهٔ رایانه‌ای عمق مزدوج اولیه، می‌توان به جای رابطهٔ بالا از بسط سری آن به صورت زیر استفاده کرد: طول پرش طول پرش (Lj) به صورت فاصلهٔ میان شروع پرش تا پایان آخرین موج آشفتگی تعریف می‌شود و در محاسبات طراحی، به کار می‌رود. بر اساس پژوهش‌های انجام شده، رابطه‌ها و نمودارهای گوناگونی برای تعیین طول پرش ارائه شده‌اند. یکی از رابطه‌های مورد استفاده برای محاسبهٔ طول پرش در کانال‌های مستطیلی، توسط اداره عمران و آبادانی آمریکا، به صورت زیر معرفی شده‌است: پرش روی سطح شیب‌دار اگر شیب کانال قابل توجه باشد (θ>۶°)، باید اثر نیروی وزن سیال در معادلهٔ اندازهٔ حرکت در نظر گرفته شود. در این حالت، نسبت میان عمق‌های مزدوج از رابطهٔ زیر به دست می‌آید: در رابطهٔ بالا G به صورت تابعی از Fr1 و θ محاسبه می‌شود: که در آن، L طول پرش، K ضریب تصحیح و و عمق آب روی سطح شیبدار هستند. پرش روی بستر زبر تحقیقات آزمایشگاهی نشان داده‌اند که زبری بستر جریان، باعث ایجاد تغییراتی در مشخصات پرش هیدرولیکی می‌شود. بر پایهٔ مطالعات انجام شده، این زبری منجر به کاهش طول و عمق ثانویهٔ پرش هیدرولیکی و افزایش استهلاک انرژی آن می‌شود. انواع پرش پرش‌ها از نظر گوناگونی به دو صورت قابل تقسیم‌بندی هستند: تقسیم‌بندی بر اساس جریان بالادست پرش هیدرولیکی بر اساس عدد فرود پیش از پرش (Fr1) به چند دسته تقسیم می‌شود: پرش موجی: اگر ۱≤Fr1≤۱٫۷ باشد، تنها آشفتگی اندکی در سطح آب دیده می‌شود و امواج کوچکی را در سطح آب پدیدمی‌آورد. پرش ضعیف: اگر ۱٫۷≤Fr1≤۲٫۵ باشد، پرش هیدرولیکی حاصله با آشفتگی سطحی شناسایی می‌شود و سرعت در مقطع جریان، تقریباً یکنواخت است. پرش نوسانی: اگر ۲٫۵≤Fr1≤۴٫۵ باشد، نفوذ جریان بالادست به پیشانی پرش، باعث ایجاد موج نامنظمی می‌شود که به سوی پایین‌دست حرکت می‌کند. پرش قوی: اگر ۹≤Fr1 باشد، پرش بسیار شدید باعث افت قابل ملاحظهٔ انرژی جریان (تا ۸۵٪) می‌شود. شکل مقطع و شرایط بالادست از جمله توزیع سرعت در مقطع و توسعه‌یافته بودن جریان روی موقعیت پرش اثرگذار هستند. تقسیم‌بندی بر اساس جریان پایین‌دست وضعیت جریان در پایین‌دست پرش می‌تواند باعث تغییر در پرش شود. پرش آزاد: در این گونه پرش، شرایط پایین‌دست تأثیری در پرش هیدرولیکی و بالادست آن ندارد. | ## بخش 3: پرش هیدرولیکی | پرش مستغرق: در این گونه پرش، شرایط پایین‌دست به گونه‌ای است که امکان تشکیل عمق مزدوج در بالادست وجود ندارد. در نتیجه پرش به سوی بالادست پیشروی می‌کند و در صورت وجود مانع (مانند دریچه) پرش به صورت مستغرق انجام می‌شود و آشفتگی به درون جریان منتقل می‌شود. برای جلوگیری از پیشروی پرش در کانال و نگه داشتن آن در یک محدودهٔ مشخص و حفاظت‌شده، از سازه‌های کنترل پرش استفاده می‌شود. این سازه‌ها هم‌چنین باعث اتلاف انرژی جنبشی اضافی جریان نیز می‌شوند و در نتیجه سازه‌های مستهلک کنندهٔ انرژی نیز نامیده می‌شوند. حوضچه آرامش حوضچهٔ آرامش سازه‌ای است که در پایین‌دست سرریزها و سایر سازه‌هایی که کاهش ناگهانی تراز جریان را ایجاد می‌کنند، قرار می‌گیرد و برای اتلاف انرژی اضافی ناشی از اختلاف تراز به کار می‌رود. هر حوضچه معمولاً از سه بخش پای تندآب، بلوک‌های آرام‌کننده و آب‌پایه تشکیل می‌شود. بلوک‌های پای تندآب در ابتدای حوضچه قرار می‌گیرند و برای کوتاه کردن پرش به کار می‌روند. بلوک‌های آرام‌کننده در میانهٔ حوضچه برای اتلاف انرژی به صورت متمرکز ساخته می‌شوند. آب‌پایه نیز در انتهای حوضچه قرار دارد و برای کنترل موقعیت پرش مورد استفاده قرار می‌گیرد. نمودارها و رابطه‌هایی برای تعیین ابعاد اجزای حوضچه (به‌ویژه برای عددهای فرود پایین Fr1<4.5) بر پایهٔ مشخصات جریان ارائه شده‌اند. شیب‌شکن شیب‌شکنDrop برای سرشکن کردن شیب به کار می‌رود و باعث تغییر ناگهانی تراز آب می‌شود. | ## جمع‌بندی | در شیب‌شکن، جریان به صورت بحرانی یا فوق بحرانی است؛ در نتیجه جریان در حال سقوط، فوق‌بحرانی است و در پایین شیب‌شکن، پرش هیدرولیکی ایجاد می‌شود.