什麼是水躍
明渠中由急流過渡為緩流(見緩流和急流)時發生的水流局部突變現象。從水閘或溢流壩下泄的急流受下游渠道緩流的頂託便發生水躍(圖1)。典型的水躍現象是:在很短的距離內水深急劇增加,流速相應減小。水躍區的水流可以分為兩部分:上部不斷翻騰旋滾,因摻入空氣而呈白色,下部是主流,是流速急劇變化的區域。這兩部分的交界面上流速梯度很大,紊動混摻強烈,液體質點不斷地穿越交界面進行交換。由於水躍內部水體的強烈摩擦混摻而消耗大量機械能,因此通常把水躍作為消能的有效方式之一(見水躍消能)。
水躍始端和終端兩個斷面的水深分別稱為躍前水深h、1和躍後水深h、2。這兩個水深之間存在着共軛關係。對於水平底稜柱形渠道(即斷面形狀和尺寸沿流向不變的渠道),這個關係可以用動量原理導出,稱水躍方程:
(1
式中A、1、A、2為斷面面積;y、c、1、y、c、2為斷面形心處的水深;β、1、β、2為動量校正係數;Q、為流量;g、為重力加速度。A、和y、c、均為水深h、的函數。不計斷面下標,上式兩邊的函數形式相同,均為。在給定Q、的情況下,這是水深h、的函數,稱為水躍函數θ、(h、)。這樣, 式(1)可以簡單地寫作θ、(h、1)=θ、(h、2)。θ、(h、)與h、的關係曲線如(圖2)所示。躍前、躍後水深雖不相等 (h、2h、1),但它們的水躍函數值卻相同,因此把它們稱為共軛水深。當已知流量、渠道斷面尺寸及一個水深時,利用式(1)可求得另一水深。對於寬為b、的矩形斷面,可直接由式(1)解得:
(2)
式中q、=Q、/b、為單寬流量。
水躍前後兩斷面的距離稱為水躍長度L、j。它是泄水建築物消能設計的重要依據之一,其值多由經驗公式估算。例如:
(3)式中F、r、1為躍前斷面的弗勞德數。
隨着躍前斷面水流湍急程度(用 F、r、1表示)的不同,水躍有不同的形態(圖3)。其中波狀水躍無水面旋滾;擺動水躍有射流自底部間歇地向上竄升,旋滾較不穩定,躍後水面波動較大。就消能效果而言,F、r、1越大效果越好。
水躍研究的內容還有水躍縱剖面形狀、水躍位置的確定和控制、水躍能量損失等。工程中還常遇到非平底或非稜柱形渠道中的水躍,已有很多研究成果。
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