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Summary

液压跳跃

资料来源: 亚历山大的贾斯汀和马赫迪。宾夕法尼亚州立大学机械与核工程系

当液体沿着明渠高速流动时, 水流会变得不稳定, 轻微的扰动会使液体上表面突然向更高的水平过渡 (图 1a)。这种急剧增加的液位称为水力跳跃。液位的增加会导致平均流速的降低。因此, 潜在的破坏性流体动能耗散为热。水力跃迁被故意地被设计入大水工作, 例如水坝溢洪道, 防止损伤和减少可能由快速的移动的小河造成的侵蚀。水力跃迁在河和小河也自然地发生, 并且可以被观察在家庭情况, 例如水的辐形流出从水龙头到水槽 (图 1b)。

在这个项目中, 将建立一个明渠流动实验设施。将安装一个闸门, 该闸门是可以升降的垂直闸门, 用来控制上游水库到下游溢洪道的水流流量。将测量在闸门出口处产生水力跃迁所需的流量。这些研究结果将与基于质量和动量分析的理论值进行比较。

Figure 1
图 1: a. 由于对不稳定的高速水流的轻微扰动, 从溢洪道下游发生的水力跃迁。水力跃迁的例子在水的辐形流出从家庭水龙头。

在宽阔的明渠水流中, 液体只被一个较低的固体边界所限制, 其上表面暴露在大气中。控制容积分析可以在明渠流量的一段上进行, 以平衡质量和动量的入口和出口运输 (图 2)。如果速度在控制音量 (V1V2分别) 的入口和出口处具有相同的液体深度h1h2, 则稳定的质量流量平衡减少到:

Equation 1(1)

此控制容积的x方向动量分析与入口和出口动量流率 (Eqn 2) 的静水压压力 (由于流体深度) 的作用力。压力作用力作用于控制容积的两侧, 并与液体的比重相等 (液体密度乘以重力加速度: ρg), 乘以每边的平均液体深度 (H1/2,H2/2), 乘以压力作用在每一侧的高度 (h1, h2)。这导致 Eqn 左侧的二次表达式2。动量流速通过每边 (Eqn. 2, 右边) 是相等的液体的质量流速通过控制容量 (在:, 出:) 乘以流体速度 ( Equation 3 v Equation 2 1, v2)。

Equation 4(2)

Eqn 1 可以替换为 Eqn 2 以消除V2。德数 () 也可以被替换, 这代表了流入流体动量与静力的相对强度.Equation 5生成的表达式可以表示为:

Equation 6(3)

这个立方方程有三解。一个是 H1 = H2, 给正常开放渠道行为 (入口深度 = 出口深度)。第二个解决方案给出了一个负的液位, 这是物理, 可以消除。剩下的解决方案允许增加深度 (水力跃迁) 或减少深度 (水力消沉), 根据入口德数字。如果入口德数 (Fr1) 大于 1, 则该流称为超临界 (不稳定) 并且具有较高的机械能 (动能 + 引力势能)。在这种情况下, 水力跃迁可能形成自发地或由于对流动的一些干扰。水力跃迁将机械能转化为热能, 大大降低了动能, 并略微增加了流动的势能。所产生的出口高度由 Eqn 4 (Eqn. 3 的解决方案) 给出。如果 Fr1 > 1, 因为它会增加流动的机械能, 违反热力学第二定律, 就无法发生液压凹陷。

Equation 7(4)

水力跃迁的力量增加与入口德数字。当 Fr1增加时, h2/h1的大小会增加, 而入口动能的较大部分则作为热 [1] 消散。

Figure 2
图 2: 包含液压跃迁的明渠水流段的控制容积。指出了每单位宽度的进、出质量和动量流率。每个单位宽度的静水压力在下图中表示。

注: 本实验采用了相对强大的潜水泵。泵只应插入 GFCI 插座, 以尽量减少电气风险。确保在实验附近没有其他的/C 供电的设备在运行。

1. 明渠流量设施和水箱的制作 (见图和照片, 图 3)

  1. 切割长度〜6.0 毫米厚 x 9.5 厘米宽透明丙烯酸板的长度如下: 2×15厘米, 2×25厘米, 1×34厘米, 1×41厘米 (图 3a)。建议使用桌锯或激光切割机, 以确保边缘相对平坦, 且纸张厚度相等。
  2. 在两个 60 x 45 cm 丙烯酸板的右下角切孔, 以安装流量计 (图 3a)。在前板的右上角切一个孔, 安装流量控制阀。
  3. 使用丙烯酸水泥 (例如, SCIGRIP 16) 来粘合丙烯酸板, 如图3a 所示。在处理丙烯酸水泥时, 确保充分通风和佩戴手套。在固化过程中, 将水泥与注射器一起应用, 并使用掩蔽带来定位面板是很有帮助的。让水泥固化 24-48 小时。
  4. 将流量计安装在前面板上, 并用所提供的螺钉进行粘贴。安装1《不扩散条约》, ½不扩散条约减少流量计进口和出口港口的配件。安装½不扩散条约0.5 在. 内径带刺配件适配器。
  5. 安装 0.5 in。身份证和0.75。在闸阀 (流量控制) 上安装有带刺的标识。用20厘米长的油管将带刺的装置连接到潜水泵上, 使阀门手柄与丙烯酸外壳的右上角的孔相连 (图 3 b-c)。
  6. 将泵插入下部蓄水池, 安装阀门, 使阀杆通过安装孔, 手柄位于机箱外 (图 3c)。
  7. 在流动装置的入口部分附近插入一个垂直的亚克力面板, 使其下方有大约5.0 毫米的开口 (图 3 b-c)。该组件将充当闸门, 并可以提高和降低到控制从上层水库流向通道的流量。
  8. 用不锈钢羊毛精练垫将上部蓄水池松散地填满。这有助于在通道中均匀分布进水水流。
  9. 将阀门出口连接到流量计入口, 并配有长度的软塑料油管。用塑料管将流量计出口连接到上水库。确保上部油藏的油管入口很好地锚定, 以便在泵开启时不会摆动。
  10. 用清水填满下层水库。

2. 执行实验

  1. 使用标尺测量栅极下面的间隙高度, 并将值表示为H1
  2. 打开泵, 并调整流量使用阀门的各种流速 (5-15 升 min-1)。使用标尺测量每种情况下从门 (H2) 下游的液体深度。
  3. 定性地观察在不同流速下形成的水力跃迁的形状。观察液压跃迁形成的最小阈值流速。更清晰、更大的振幅 (H2 -h1), 应在较高的流量下进行跳转。

3. 数据分析

  1. 对于每个流率大小写, 计算入口速度, V1, 从容积流速。其中是卷流速率, Equation 8 Equation 9 W是通道宽度。
  2. 计算每个案例的入口德数 () 和理论下游液体深度 (Eqn. 4).Equation 5将这些值与测量的下游跳转深度进行比较。

Figure 3
图 3: a. 设施结构示意图和尺寸. 液压跃迁装置的流程图. 标记实验设备的照片

表1总结了上游德数 (Fr1) 以及测量和理论下游深度。水力跃迁的形成的被测量的门限入口流速对应于法郎1 = 0.9 ± 0.3, 匹配理论价值1。在超临界流速 (Fr1 > 1) 预测下游深度匹配理论值 (Eqn 4) 在实验的不确定性。

表 1-测量的上游德数字 (Fr1) 和下游液体深度为H1 = 5 ± 1 mm

液流率

(,Equation 9 i min-1)

上游德编号 (Fr1) 测量的下游深度 (H2) 预测下游深度 (H2) 注意
6.0 ± 0。5 0.9 ± 0。3 5 ± 1 5 ± 1 水力跳跃的门限德数
11.0 ± 0。5 1.7 ± 0。5 11 ± 1 10 ± 2
12.0 ± 0。5 1.9 ± 0。6 12 ± 1 11 ± 2
13.5 ± 0。5 2.1 ± 0。6 14 ± 1 13 ± 2

在图4中介绍了上述情况下液压跃迁的照片。未观察到 = 6.0 l 最小Equation 9 -1 (Fr1 = 0.9) 的跳转。在其他两种情况下, 都有跳转1 > 1。在较高的流量超临界情况下, 观测到更强、高振幅的跃迁。

Figure 4
图 4: 水力跃迁的相片, 显示重要情况 (没有跳跃, 法郎1 = 0.9) 和跳跃在法郎1 = 1.9, 2.1.

实验证明了在明渠水流中, 在超临界条件下 (Fr > 1) 形成的水力跃迁现象。建立了实验装置, 以观察不同流速下的水力跳跃现象。对下游液体深度进行了测量, 并与理论预测相匹配。

在这个实验中, 最大报告的入口德数是2.1。该泵额定提供显著较高的流速, 但阻力在流量表有限的可测量流量为〜14升 min-1。在未来的实验中, 一个更大的头额定或较低的压力下降流量表的泵可以使更广泛的研究条件。

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。

对于所有这些应用, 跨水力跃迁的动量分析, 如这里所讨论, 是预测液压系统行为的关键工具。类似的, 规模模型实验, 如在本项目中展示的, 可以指导设计的明渠流几何和液压设备的大型工程应用。

  1. Cimbala, Y.A. Cengel, Fluid Mechanics Fundamentals and Applications, 3rd edition, McGraw-Hill, New York, NY, 2014.

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