پرش هیدرولیکی

قایق مواجه شده با جهش هیدرولیکی در رودخانه مواج تریورین ولز نزدیکی بالا
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 مستغرق در سناریوی C
پرش هیدرولیکی می‌تواند به صورت آزاد یا مستغرق رخ دهد. هرگاه عمق آب پایین دست ( ) بیشتر از عمق ثانویه پرش هیدرولیکی ( ) گردد، پرش هیدرولیکی بصورت 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.
کاربرد و خواص پرش هیدرولیکی
کاهش انرژی آب در جریان از روی سدها، سرریزها و دیگر سازه‌های هیدرولیکی و نهایتا محافظت قسمت‌های پایین دست
ترمیم و افزایش سطح آب در کانال‌ها به منظور پخش آب
افزایش دبی خروجی از زیر دریچه‌ها با دور نگه داشتن سطح پایاب و نهایتا افزایش ارتفاع موثر در عرض دریچه
کاهش فشار بالابرنده در زیر سازه‌ها با افزایش عمق آب در دامنه سازه
مخلوط نمودن مواد شیمیایی جهت تصفیه آب یا فاضلاب و نیز جهت مصارف کشاورزی
هوادهی جریان‌ها و کلرزدایی فاضلاب
جدا نمودن هوای محبوس از جریان‌های موجود در کانال‌های باز دایروی
مشخص نمودن شرایط جریان‌های خاص نظیر وجود جریان‌های فوق بحرانی یا وجود یک سطح مقطع کنترل جهت ایجاد ایستگاه‌های اندازه‌گیری کم خرج
رابطه ریاضی
پرش هیدرولیکی در رودخانه بوردکین بعد از سد بوردکین ناشی از انسداد پایین دست و تغییر شیب.
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 مولفه نیروی وزن در امتداد جریان، به صورت زیر نوشته می‌شود:
که در آن، F p1 و F p2 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. Q دبی جریان،  چگالی سیال و v 1 و v 2 سرعت جریان در مقطع ۱ و ۲ هستند.
دو عمق به وجود آمده پیش و پس از پرش هیدرولیکی را اعماق مزدوج می‌نامند. رابطه پرش هیدرولیکی را می‌توان برای مقاطع هندسی خاص، ساده‌سازی کرد.
مقطع مستطیلی
شماتیک پرش هیدرولیکی
در مقطع مستطیلی که y عمق سیال است. 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 (Fr 1 ) نشان می‌دهد:
به دلیل تقارن معادلات، می‌توان رابطه بالا را به صورت زیر نیز نوشت:
به دلیل کوچک بودن عدد فرود پس از پرش (Fr 2 )، ممکن است مقدار عبارت جذر گرفته‌شده به یک نزدیک شود و محاسبه اختلاف میان دو مقدار نزدیک به هم می‌تواند منجر به خطای محاسباتی شود. برای افزایش دقت در محاسبه رایانه‌ای عمق مزدوج اولیه، می‌توان به جای رابطه بالا از بسط سری آن به صورت زیر استفاده کرد:
طول پرش
طول پرش (L j ) به صورت فاصله 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 محاسبه طول پرش در کانال‌های مستطیلی، توسط اداره عمران و آبادانی آمریکا، به صورت زیر معرفی شده‌است:
L_j=
\begin{cases
3y_2.Fr_1^{1/2 - 1
5 و دبی در واحد عرض (q) کمتر از ۴۶ مترمکعب بر متر از حوضچه USBR II استفاده می‌شود. نمودارها و رابطه‌هایی برای تعیین ابعاد اجزای حوضچه (به‌ویژه برای عددهای فرود پایین Fr 1 <4.5) بر پایه 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 شده استفاده کرد.
یادداشت