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水躍

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圖1:位在威爾斯Canolfan Tryweryn英语Canolfan Tryweryn的筏遇到水躍

水躍(hydraulic jump)是在明渠流(像是河流溢洪道)中常見的水力学現象。當高速的液體流進低速的區域,液面高度會突然上昇。快速流動的液體會突然變慢,液面會突然變高,將部份液體的動能轉換為位能,其中有部份能量因為紊流而以熱的方式耗散。在明渠流中,水躍的現象是快速流動的水流突然變慢,液面變高,類似激波行成的方式。

最早觀察及紀錄水躍的人是在1500年代的列奥纳多·达·芬奇[1]。最早用數學敘述的是都灵大学Giorgio Bidone英语Giorgio Bidone,他在1820年發表了名為Experiences sur le remou et sur la propagation des ondes(漩渦和波傳播實驗)的論文[2]

此現象和流體的初速有關。若初速低於臨界速度,不會出現水躍。若初速沒有顯著的高於超臨界流速度,其過渡會以起伏的波來表現。當初速再變快,過渡會變的更突然,到速度夠高時,過渡的前緣會破壞,並且捲回到自身。出現此現象時,水躍會伴隨著劇烈的紊流、渦流、夾帶空氣、水面起伏或是水波一起出現。

水躍有兩種表現方式,在歷史上兩種表現方式會使用不同的詞語。不過,其中的機制是類似的,只是在不同參考座標下觀測時,會有少許的變化。因此兩者的物理學以及分析技術是相同的。

這二種表現方式是:

  • 靜止水躍:快速流動的水以靜止水躍方式過渡到緩慢流動的水中,類似圖1和圖2。
  • 涌潮:一個水牆或是水波往水流的上游移動。若考慮一個隨著波前移動的參考坐標系,波前相對參考座標系是靜止的,其本質上就和靜止水躍相同。

一個有關的情形是級聯(cascade):一個水牆或是水波往水流的下游移動,並且蓋過較淺的下游水流。。若考慮一個隨著波前移動的參考坐標系,可以適用和靜止水躍相同的分析方式。

圖2:常見水躍的例子,就是在水槽中心略呈圓形的靜止水躍。圖中也可以明顯的看到紊流

在許多文獻中都有提到水躍現象,而且有從不同的技術觀點來分析[3][4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15][16][17][18]

有時用水躍現象來混合化學品[19]

相關條目

參考資料

  1. ^ Household phenomenon observed by Leonardo da Vinci finally explained. [2018-08-08]. (原始内容存档于2018-08-07). 
  2. ^ Cabrera, Enrique. Water Engineering and Management through Time: Learning from History. CRC Press. 2010. ISBN 978-0415480024. 
  3. ^ Douglas, J.F.; Gasiorek, J.M.; Swaffield, J.A. Fluid Mechanics 4th. Essex: Prentice Hall. 2001. ISBN 978-0-582-41476-1. 
  4. ^ Faber, T.E. Fluid Dynamics for Physicists. Cambridge: Cambridge University Press. 1995. ISBN 978-0-521-42969-6. 
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  17. ^ Murzyn, F.; Chanson, H. Free-Surface Fluctuations in Hydraulic Jumps: Experimental Observations. Experimental Thermal and Fluid Science. 2009, 33 (7): 1055–1064 [2024-09-17]. Bibcode:2009ETFS...33.1055M. doi:10.1016/j.expthermflusci.2009.06.003. (原始内容存档于2019-03-19). 
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  19. ^ Hydraulic Jump -Types and Characteristics of Hydraulic Jump. The Constructor. 2016-06-17 [2019-12-26]. (原始内容存档于2019-12-26) (美国英语). 

延伸閱讀