水跃
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水跃(hydraulic jump)是在明渠流(像是河流和溢洪道)中常见的水力学现象。当高速的液体流进低速的区域,液面高度会突然上升。快速流动的液体会突然变慢,液面会突然变高,将部分液体的动能转换为位能,其中有部分能量因为紊流而以热的方式耗散。在明渠流中,水跃的现象是快速流动的水流突然变慢,液面变高,类似激波行成的方式。
最早观察及纪录水跃的人是在1500年代的列奥纳多·达·芬奇[1]。最早用数学叙述的是都灵大学的Giorgio Bidone,他在1820年发表了名为Experiences sur le remou et sur la propagation des ondes(漩涡和波传播实验)的论文[2]。
此现象和流体的初速有关。若初速低于临界速度,不会出现水跃。若初速没有显著的高于超临界流速度,其过渡会以起伏的波来表现。当初速再变快,过渡会变的更突然,到速度够高时,过渡的前缘会破坏,并且卷回到自身。出现此现象时,水跃会伴随着剧烈的紊流、涡流、夹带空气、水面起伏或是水波一起出现。
水跃有两种表现方式,在历史上两种表现方式会使用不同的词语。不过,其中的机制是类似的,只是在不同参考座标下观测时,会有少许的变化。因此两者的物理学以及分析技术是相同的。
这二种表现方式是:
- 静止水跃:快速流动的水以静止水跃方式过渡到缓慢流动的水中,类似图1和图2。
- 涌潮:一个水墙或是水波往水流的上游移动。若考虑一个随着波前移动的参考坐标系,波前相对参考座标系是静止的,其本质上就和静止水跃相同。
一个有关的情形是级联(cascade):一个水墙或是水波往水流的下游移动,并且盖过较浅的下游水流。。若考虑一个随着波前移动的参考坐标系,可以适用和静止水跃相同的分析方式。
在许多文献中都有提到水跃现象,而且有从不同的技术观点来分析[3][4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15][16][17][18]。
有时用水跃现象来混合化学品[19]。
相关条目
[编辑]参考资料
[编辑]- ^ Household phenomenon observed by Leonardo da Vinci finally explained. [2018-08-08]. (原始内容存档于2018-08-07).
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延伸阅读
[编辑]- Chanson, Hubert. Current Knowledge In Hydraulic Jumps And Related Phenomena. A Survey of Experimental Results (PDF). European Journal of Mechanics B. 2009, 28 (2): 191–210 [2024-09-17]. Bibcode:2009EJMF...28..191C. doi:10.1016/j.euromechflu.2008.06.004. (原始内容存档 (PDF)于2016-03-04).