Hidraulički skok

Izvor: Wikipedija
Skoči na: orijentacija, traži
Gumeni čamac je naišao na hidraulički skok
Kad mlaz vode dotakne dno, stvori se krug u kojem voda teče brzo (tanak je i jednolik), a zatim dođe do hidrauličkog skoka, kojeg predstavlja stacionarni kružni val, te iza njega voda teče sporije
Prikaz ponašanja hidrauličkog skoka
Pojava hidrauličkog skoka u prirodi na vodopadima
Brana Burdekin na rijeci Burdekin (Queensland, Australija) pokazuje istaknuti hidraulički skok
Vodopad Saint Anthony na rijeci Mississippi pokazuje istaknut hidraulički skok
Nadkritično strujanje na preljevu Brane Cleveland, na rijeci Capilano, British Columbia, Kanada.
Rasipanje energije na preljevu brane, koristenjem hidrauličkog skoka

Hidraulički skok je pojava u dinamici fluida, koja se javlja pri prijelazu nadkritičnog u podkritično strujanje. Kritičnost strujanja opisuje se pomoću Froudeovog broja. Hidraulički skok nastaje kada je Fr ~ 1. U njemu dolazi do rasipanja energije i do pretvaranja kinetičke energije nadkritične struje (velika brzina strujanja) u potencijalnu energije podkritične struje (velika dubina fluida). Hidraulički je skok uglavnom turbulentan, posebno u dvije dimenzije, ali to nije nužno ispunjeno. Kod cirkularnih hidrauličkih skokova, sam skok može biti laminaran.

U hidraulici, hidraulički skok se često može opaziti kod protoka vode u otvorenim kanalima, kao što su rijeke ili na preljevima brane. On se pojavljuje kod prijelaza strujanja vode iz nadkritičnog u podkritično. U točki u kojoj je Froudov broj jednak 1 dogodi se hidraulički skok. Kod hidrauličkog skoka dolazi do gubitka energije (zbog turbulencije) i do naglog skoka u vodnom licu. Kako gubitak energije na skoku nije unaprijed poznat, jednadžbu očuvanja energije ne možemo primijeniti direktno.

Kod jake bure se isto dešava hidraulički skok, a nastaje u zavjetrini planina. Zrak koji struji niz padinu ubrzava i postiže velike brzine, no ne može neprestano ubrzavati već se mora prilagoditi okolnim uvjetima. Dolazi do hidrauličkog skoka pri čemu se oslobodi velika količina energije, te time zrak uspori. No, zbog tog ubrzavanja niz padinu dolazi do velikih brzina koje postiže bura.

Najbolji primjer hidrauličkog skoka je puštanje vode u sudoper. Kad mlaz vode dotakne dno, stvori se krug u kojem voda teče brzo (tanak je i jednolik), a zatim dođe do hidrauličkog skoka, kojeg predstavlja stacionarni kružni val, te iza njega voda teče sporije. [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17]

Visina hidrauličkog skoka[uredi VE | uredi]

Postoji nekoliko metoda za određivanje visine hidrauličkog skoka. Ali sve te metode dolaze do uobičajenih zaključaka, a to je:

  • odnos dubine vode prije i poslije hidrauličkog skoka ovisi isključivo o odnosu brzine vode iznad i ispod hidrauličkog skoka.
  • visina hidrauličkog skoka može biti nekoliko puta veća od početne dubine vode.

Primjena zakona o očuvanju energije[uredi VE | uredi]

Ako promatramo kretanje fluida u pravokutnom kanalu vrijedi:

 {\partial \rho \over \partial t} + \nabla \cdot (\rho \mathbf{v}) = 0

gdje je: ρgustoća fluida (vode), t - vrijeme, i vbrzina fluida. Protok prije i poslije hidrauličkog skoka treba biti jednak, tako da vrijedi:

 v_0 \ \times \ h_0 = v_1 \ \times \ h_1
ili  \ \  v_1  = v_0 \times {h_0 \over h_1}

Budući je gustoća fluida konstantna, i uvrštavanjem vrijednosti iz gornje jednadžbe, integriranjem dobivamo:

  {h_1 \over h_0}   =\frac{-1 \pm{\sqrt{1+{\frac{8v_0^2}{gh_0}}}}}{2}

Sačuvanje količine gibanja prije i poslije hidrauličkog skoka, uz pretpostavku da je gustoća fluida konstantna, može se izraziti kao:

 {d \over dt} \int_{z_0}^{z_1} \rho\langle\mathbf{v}\rangle A\,ds = \rho \langle\mathbf{v}v\rangle_0A_0 - \rho \langle\mathbf{v}v\rangle_1A_1 + p_0\mathbf{A}_0 - p_1\mathbf{A}_1 - \mathbf{F} + \rho\mathbf{g}\int_{z_0}^{z_1}A\,dz=0

Ako pretpostavimo jednoliko kretanje duž toka fluida, dobivamo:

 \rho v_0^2A_0 -\rho v_1^2A_1 + p_0 A_0 - p_1 A_1 = 0

Onda je statički tlak u protoku ustvari hidraulički tlak, p = pa + ρgh, gdje je pa atmosferski tlak. Sila koja djeluje na obujam fluida je:

 pA = \int_0^h \rho gh'\,dh' = {1 \over 2} \rho gh^2

Izraz za sačuvanje količine gibanja prije i poslije hidrauličkog skoka se može sada pisati:

 \rho v_0^2h_0 -\rho v_1^2h_1 +  {1 \over 2} \rho gh_0^2 - {1 \over 2} \rho gh_1^2 = 0

Ako podijelimo s konstantom ρ dobiva se:

 v_0^2 \left(h_0-{h_0^2 \over h_1}\right) + {g \over 2} (h_0^2 - h_1^2)=0

To se može i pojednostaviti:

 {1 \over 2} {h_1 \over h_0}\left({h_1 \over h_0} + 1\right) - Fr^2 = 0

gdje je:  Fr^2={v_0^2 \over gh_0} . Fr je bezdimenzionalni Froudeov broj i odnosi se na gravitacione sile u protoku vode. Rješenja kvadratne jednadžbe  {h_1 \over h_0} pokazuju da negativni rezultat nema fizikalnog smisla.

  {h_1 \over h_0} =\frac{-1 +{\sqrt{1+{\frac{8v_0^2}{gh_0}}}}}{2}

Imamo tri rješenja:

  • gdje   \frac{v_0^2}{gh_0} = 1, za  {h_1 \over h_0} = 1 (nema hidrauličkog skoka)
  • gdje   \frac{v_0^2}{gh_0} < 1, za  {h_1 \over h_0} < 1 (negativni hidraulički skok – uglavnom fizički nije moguće)
  • gdje   \frac{v_0^2}{gh_0} > 1 ili   \frac{v_0^2}{gh_0} > 1, za  {h_1 \over h_0} > 1 (pozitivni hidraulički skok)

Visina hidrauličkog skoka s obzirom na protok fluida[uredi VE | uredi]

Odnos visine protoka vode prije i poslije hidrauličkog skoka se može jednostavno izraziti s obzirom na Froudeov broj nadolazećeg protoka vode. Što je veće nadkritično strujanje, veći će biti hidraulički skok:

  {h_1 \over h_0}   =\frac{{\sqrt{1+{{8Fr^2}}} -1}}{2}

Praktično to znači da će voda, koja se ubrzava zbog velikog pada, stvarati veći stojni val u obliku hidrauličkog skoka, koji se usporava na dnu hidrauličkog skoka. Taj stojni val, kojeg vidimo nizvodno od pregrada, malih brana ili prirodnih kamenih stepenica, može biti vrlo opasan, budući da zadržava plutajuće objekte (debla drveća, kajak i slično) duže vrijeme.

Primjena hidrauličkog skoka[uredi VE | uredi]

Jedna od najvažnijih inženjerskih primjena hidrauličkog skoka je rasipanje energije u kanalima, preljevima brana i sličnim strukturama, da se spriječi da kinetička energija vodenog toka uništava građevinske strukture. Iznos energije koja se rasipa s hidrauličkim skokom ovisi najviše o Froudeovom broju vodenog toka koji dolazi na građevinu. Uglavnom što je veći Froudeov broj, to će biti i veće rasipanje energije. Analitički se djelomično rasipanje (gubitak) energije (engl. fractional energy loss – FEL) može izraziti:

FEL = \frac {\left(\sqrt{1+8Fr_0^2} - 3\right)^3} {8 {\left(\sqrt{1+8Fr_0^2} - 1\right)\left(\sqrt{Fr_0^2 + 2}\right)}}

Na taj način, s  Fr_0 = \sqrt{\frac{v_0^2}{gh_0}} možemo predvidjeti koliko će biti rasipanje energije, ako mjerimo brzinu i dubinu vodenog toka koji nadolazi na građevinu (preljev brane, vodena pregrada i slično).

Slapište[uredi VE | uredi]

Slapište služi za disipaciju (rasipanje ili uništenje) ili odbacivanje energije. Sva energija koja se akumulirala duž usporenog toka treba se potrošiti na malom prostoru nizvodno od brane. Disipacija energije kod evakuacijskih organa:

  • mali dio energije utroši se na trenje duž brzotoka (ΔE1)
  • ako se preljevni mlaz odbaci u zrak, gdje se dijelomično rasprši i odzrači, dio energije se utroši na stiskanje mjehurića uvučenog zraka pri udaru mlaza o vodenu površinu nizvodnog toka (ΔE2)
  • najveći dio akumulirane energije troši se u vrtlozima (turbulencija) koji nastaju prilikom prelaska mlaza iz silovitog u mirno tečenje (ΔE3)

U slapištu se ne disipira sva energija, već manji dio energije u obliku vrtloga odlazi nizvodno, pa treba zaštititi još jedan dio korita nizvodno (kamena obloga, gabioni itd.).

Hidraulički skok na slapištu će se pojaviti samo ako je zadovoljen uvjet:

  h_0 ={h_1\over 2} \left ( {-1 + \sqrt {1  + 8Fr^2h_1/g}} \right )

gdje je:

Fr - uzvodni Froudeov broj
g - ubrzanje zbog gravitacije ili gravitacijska konstanta (9,81 m/s2)
h - visina fluida (h0 = početna visina uzvodno, h1 = konačna visina nizvodno)

Izvori[uredi VE | uredi]

  1. JF Douglas, JM Gasiorek & JA Swaffield: "Fluid Mechanics", publisher=Prentice Hall, Essex, 2001.
  2. Faber T.E.: "Fluid Dynamics for Physicists", publisher=Cambridge University Press, Cambridge, 1995.
  3. Faulkner L.L.: "Practical Fluid Mechanics for Engineering Applications", publisher=Marcel Dekker AG, Basil, Switzerland, 2000.
  4. R.W. Fox & A.T. McDonald: "Introduction to Fluid Mechanics", publisher=John Wiley & Sons, 1985.
  5. Hager Willi H.: "Energy Dissipaters and Hydraulic Jump", publisher=Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1995.
  6. Khatsuria R.M.: "Hydraulics of Spillways and Energy Dissipaters", publisher=Marcel Dekker, New York, 2005.
  7. Lighthill James: "Waves in Fluids", publisher=Cambridge University Press, Cambridge, 1978.
  8. Roberson J.A. & Crowe C.T: "Engineering Fluid Mechanics", publisher= Houghton Mifflin Company, Boston, 1990.
  9. V.L. Streeter and E.B. Wylie: "Fluid Mechanics", publisher=McGraw-Hill Book Company, New York, 1979.
  10. Vennard John K.: "Elementary Fluid Mechanics", publisher= John Wiley & Sons, New York, 1963.
  11. Vischer D.L. & Hager W.H.: "Energy Dissipaters", publisher=A.A. Balkema, Rotterdam, 1995.
  12. White Frank M.: "Fluid Mechanics", publisher= McGraw Hill, Inc., 1986.
  13. Hubert Chanson: "The Hydraulic of Open Channel Flow: an Introduction", publisher=Butterworth-Heinemann, 2004.
  14. Hubert Chanson: [1] "Current Knowledge In Hydraulic Jumps And Related Phenomena. A Survey of Experimental Results", publisher=European Journal of Mechanics B/Fluids, 2009.
  15. Murzyn F. & Hubert Chanson: [2] "Free-Surface Fluctuations in Hydraulic Jumps: Experimental Observations", publisher=Experimental Thermal and Fluid Science, 2009.
  16. Gfos.hr: "Preljevi kod niskih brana", [3] 2011.
  17. Grad.hr: "Preljevi", [4] 2011.