流水的舞蹈 ——关于水跃及其应用,03 海洋科学 赵日 张岳敏 赵杰 刘玲 张荣,“杜曲则捣毁杜曲激则跃，跃则倚，倚则环，环则中，中则涵，涵则塞，塞则移，移则控，控则水妄行 -----《管子·度地》,,,概念： 水跃（hydraulic jump）：是明渠水流从急流状态过渡到缓流状态时水面突然跃起在水面形成旋滚或波浪的局部水力现象 那么何谓明渠水流呢,,例如：在溢洪道下、泄水闸下、平坡渠道中闸下出流时均可形成，如图：,,概念：具有暴露于大气中的自由表面的流动 特点:由于没有固体壁面的约束，流动可以根据流动状况而自由变动，即水跃的表面旋滚明渠流动中作用于水流的外力除壁面阻力外，主要是重力，表现为自由表面高程的变化，即水跃水面的跃起明渠流动,静水投石，分析干扰波在动水中的传播得明渠水流的三种流态： 1.干扰波能向上游传播 缓流 2.不能向上游传播 处于临界状态 临界流 3.不能向上游传播 急流,,,,h=A/B 为断面平均水深， A为断面面积，B为水面宽度,根据连续性方程式和能量方程式得矩形明渠静水中微波传播的相对波速公式,,如果明渠断面为任意形状时,,,用弗劳德数来判别明渠水流的流态： 缓流 临界流 急流 （其中A是值的断面面积，B时值的水面宽度） 弗劳德数是表示过水断面单位重量液体平均动能与平均势能之比的两倍开平方，这个比值大小的不同反映了水流流态的不同。
水跃分类(根据下游水深与跃后水深),临界水跃：水跃的跃首刚好发生在收缩断面上，跃后水深等于下游水深，称为临界水跃 远离式水跃：水跃发生在收缩断面之后，跃后水深大于下游水深，称为远离式水跃 淹没水跃：当下游水深大于临界水跃的跃后水深时，水跃淹没收缩断面，称为淹没水跃棱柱体水平明渠中水跃的基本方程式 水跃属于明渠急变流，其中有较大的能量损失,在推导水跃方程时，不能应用恒定总流的能量方程而必须采用恒定总流的动量方程因为应用动量方程可以不涉能量关系由此得棱柱体水平明渠中水跃的基本方程式为： J(h)称为水跃函数，水跃方程表明跃前断面的水跃函数值等于跃后断面的水跃函数值即: J（h1）=J（h2）,,,以水深h为纵轴，以水跃函数J(h)为横轴，绘出水跃函数曲线,如图明渠的流量 断面的形状和尺寸一定， 跃前水深越小 跃后水深越大； 跃前水深越大 跃后水深越小 水跃方程对研究闸、坝等泄水建筑物下游的消能段有重要意义，下面来关注水跃消能的问题,水跃消能的机制 通过水跃﹐将泄水建筑物泄出的急流转变为缓流﹐以消除动能的消能方式水跃消能主要靠水跃产生的表面旋滚及旋滚与底流间的强烈紊动﹑剪切和掺混作用水跃消能,急流 缓流 流量守恒 能量损耗 在跃前和跃后的一段空间中要将多余的水能予以消除，达到衔接的要求。
水跃的消能效果和来流的弗劳德数 有关，来流越急，消能效率越高 =9时，消能率可达70%； 〉9时，消能率更大，不过这时下游波浪较大比较理想的范围是 =4.5~9水跃能量损失,若已知来流的流速和水深，利用水跃共轭水深关系可确定跃后水深，再用总流能量方程便可计算出水跃段的水流损失其中对于矩形断面平坡渠道的水跃段能量损失可以推导出计算公式以渠底为基准，令，总水头为：,,,,,水跃段水头的损失为：,,,将 和水跃共轭水深关系式 代入，得 相对效能率为：,,,,,,,,水跃的消能效果和来流的弗劳德数 有关，来流越急，消能效率越高 =9时，消能率可达70%； 〉9时，消能率更大，不过这时下游波浪较大比较理想的范围是 =4.5~9水跃消能的优缺点,优点：流态稳定、消能效果较好、对地质条件和尾水变幅适应性强、尾水波动小、维修费用省 缺点：护坦较长、土石方开挖量和混凝土方量较大、工程造价较高 适用范围：高﹑中﹑低水头﹐大﹑中﹑小流量各类泄水建筑物,底流消能 工作原理：在坝趾下游设消力池、消力坎等，促使水流在限定范围内产生水跃，通过水流的内部摩擦、掺气和撞击消耗能量。
工程设计的三种方式,a. 降低护坦高程形成消力池 b. 在护坦末端设置消力坎﹐使坎前形成消力池 c. 既降低护坦高程﹐又建造消力坎形成综合消力池,,葛 洲 坝,,,,谢谢大家!,棱柱体水平明渠中水跃的能量损失 水跃能量损失机理简述,,水跃的运动要素变化得很剧烈上图绘出了水跃段中和跃后一些断面上的流速分布图从图中可以看出，水流运动要素的急剧变化，特别是很大的紊流附加切应力使跃前断面水流的大部分动能在水跃段中转化为热能而损失掉跃后断面 2－2处，流速的分布还是很不均匀的同时，该处的紊流强度也远较正常的、即一般渐变紊流的为大虽然在断面2－2下游不远的断面c－c处，流速分布已与渐变紊流的相近,但紊流强度仍大直到断面3－3处紊流强度才基本恢复正常断面2－2与断面3－3之间的流段称跃后段其长度Ljj约为（2.5-3.0）在跃后段中,紊流的附加切应力仍较大棱柱体水平明渠中水跃跃长的确定 在完全水跃的水跃段中，水流紊动强烈，底部流速很大因此，除非河、渠的底部为十分坚固的岩石外,一般均需设置护坦加以保护此外，跃后段的一部分范围内也需要铺设海漫以免底部冲刷破坏由于护坦和海漫的长度都与完全水跃的跃长有关，故跃长的确定问题具有重要的实际意义。
最后指出： 1、由于水跃段中水流的强烈紊动，因此水跃长度也是脉动的以上各跃长公式所给出的完全都是水跃的跃长时均值 2、跃长随着渠壁粗糙程度的增加而缩短以上公式可以用来确定一般混凝土护坦的跃长 3、当棱柱体明渠的底坡较小时，以上诸公式也可以近似应用。