پرش هیدرولیکی

پرش هیدرولیکی، جهش هیدرولیکی یا پرش آبی پدیده‌ای در علم هیدرولیک است که در جریان کانال باز مورد بحث قرار می‌گیرد. 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.
نوع پرش هیدرولیکی وابسته به سرعت اولیه سیال است. اگر سرعت اولیه سیال کمتر از سرعت بحرانی باشد، پرشی رخ نمی‌دهد. 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.
پرش هیدرولیکی می‌تواند به صورت آزاد یا مستغرق رخ دهد. هرگاه عمق آب پایین دست () بیشتر از عمق ثانویه پرش هیدرولیکی () گردد، پرش هیدرولیکی به صورت مستغرق شکل می‌گیرد.

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 و در پایین‌دست آن، جریان زیر بحرانی وجود داشته‌باشد، در مقطعی میان این دو جریان، پرش هیدرولیکی رخ می‌دهد؛ زیرا تبدیل جریان از فوق بحرانی به زیر بحرانی به صورت 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. این فرایند با ایجاد موج سطحی و پاشش آب، اتلاف انرژی و اختلاط هوا با آب همراه است.

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 d₁=y₁cosθ و d₂=y₂cosθ 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:

کنترل پرش

در فرایند پرش هیدرولیکی تلاطم قابل توجهی رخ می‌دهد. این تلاطم ممکن است منجر به تخریب سازهٔ رودخانه یا کانال شود. هم‌چنین موقعیت مکان رخداد پرش هیدرولیکی مشخص نیست و وابسته به مشخصات جریان است. 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. روش‌های متداول طراحی حوضچه‌ها شامل حوضچهٔ آرامش SAF و حوضچه‌های آرامش USBR هستند.
انتخاب نوع حوضچه وابسته به مشخصات جریان بالادست است. برای نمونه، برای Fr₁>5 و دبی در واحد عرض (q) کمتر از ۴۶ مترمکعب بر متر از حوضچهٔ USBR II استفاده می‌شود. نمودارها و رابطه‌هایی برای تعیین ابعاد اجزای حوضچه (به‌ویژه برای عددهای فرود پایین Fr₁<4.5) بر پایهٔ مشخصات جریان ارائه شده‌اند.

شیب‌شکن

شیب‌شکن برای سرشکن کردن شیب به کار می‌رود و باعث تغییر ناگهانی تراز آب می‌شود. یکی از انواع آن، شیب‌شکن قائم است. 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. برای طراحی شیب‌شکن می‌توان از روابط تجربی ارائه شده‌استفاده کرد.