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水跃

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。

图1：位在威尔士Canolfan Tryweryn（英语：Canolfan Tryweryn）的筏遇到水跃

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（英语：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。

图2：常见水跃的例子，就是在水槽中心略呈圆形的静止水跃。图中也可以明显的看到紊流

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

参考资料

  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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  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）. 

延伸阅读

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