انواع پرش هیدرولیکی

آشنایی با انواع پرش هیدرولیکی

پرش هیدرولیکی، جهش هیدرولیکی یا پرش آبی ازجمله پدیده‌هایی است که در جریان‌های آزاد مانند کانال‌های آزاد و به‌ویژه در رودخانه‌ها مشاهده و بررسی می‌گردد. این پدیده از نوع جریان متغیر سریع به شمار رفته و از تغییر حالت جریان فوق بحرانی به زیربحرانی ایجاد می‌شود. برای درک پرش هیدرولیکی به زبان ساده فرض کنید جریان در رودخانه و با سرعت بالا در حال عبور است و در این حالت ممکن است به علتی جریان ناپایدار شود. بروز کوچک‌ترین اعوجاج یا حضور مانع در مسیر و در این حین سبب بالا رفتن ارتفاع جریان به‌طور ناگهانی می‌شود و ایجاد پرش هیدرولیکی می‌کند.

بنابراین به‌طورکلی در جریان‌های آزاد، وقتی سطح آب با سرعت اولیه بالا به سطحی با سرعت پایین می‌رسد، سرعت جریان به‌طور ناگهانی کند شده و انرژی جنبشی اولیه به انرژی پتانسیل در آب تبدیل می‌شود و درنتیجه ارتفاع آب افزایش پیدا می‌کند، به این پدیده که در اثر کاهش ناگهانی سرعت جریان رخ می‌دهد پرش هیدرولیکی گفته می‌شود.

انواع پرش‌های هیدرولیکی

بر اساس جریان آب بالادست و پایین‌دست، پرش‌های هیدرولیکی به‌صورت زیر تقسیم‌بندی می‌شود:

بر اساس جریان آب بالادست:

در تقسیم‌بندی بر اساس جریان بالادست عدد فرود به‌عنوان معیار اصلی در نظر گرفته می‌شود. سرعت اولیه جریان، شتاب گرانش و متوسط عمق جریان پارامترهای تأثیرگذار در عدد فرود است و فرمول آن به‌صورت زیر است:

Fr=u_۱/√gD

بر اساس مقدار عدد فرود به‌دست‌آمده برای هر جریان، تقسیم‌بندی پرش هیدرولیکی به‌صورت زیر است:

-پرش هیدرولیکی موجی:

در این حالت تفاوت عمق بالادست و پایین‌دست جریان کم است و پرش‌ها به‌صورت امواجی جزئی دیده می‌شود. در این نوع پرش مقدار عدد فرود در محدوده ۱/۷-۱ است.

-پرش هیدرولیکی ضعیف یا weak jump:

در این نوع پرش افت انرژی کم، سرعت جریان آب تقریباً یکنواخت است و نسبت عمق نهایی به عمق اولیه بین ۲-۱/۳ است. در این حالت نوسان‌های سطحی (جریان‌های Eddy) بر جریان دیده می‌شود و مقدار عدد فرود در محدوده۲/۵-۱/۷ است.

-پرش هیدرولیکی نوسانی یا Oscillating Jump:

در این حالت جریان آب از بالادست نفوذ کرده و سبب ایجاد امواجی نامنظم و نوسانی می‌گردد که این امواج به سمت پایین‌دست حرکت می‌کند. نسبت عمق نهایی به عمق اولیه این پرش ۵-۱/۳ بوده و عدد فرود بین ۴/۵-۲/۵ است.

-پرش پایدار یا Steady Jump:

پرش‌های پایدار، پرش‌هایی قوی هستند و در آن‌ها سطح آب پایین‌دست به میزان زیادی بالا می‌رود اما محل وقوع پرش ثابت است و تحت تأثیر پایین‌دست قرار نمی‌گیرد. نسبت عمق نهایی به عمق اولیه در این حالت بین ۱۲-۹/۵ بوده و مقدار عدد فرود در محدوده ۹-۴/۵ است.

-پرش قوی یا Strong Jump:

در این حالت و همان‌طور که از نام آن مشخص است، ارتفاع پرش بسیار زیاد است و قدرت انرژی در بیشترین میزان خود قرار دارد و افت انرژی بیش از ۷۰ درصد است. در این نوع، نسبت عمق نهایی به عمق اولیه بیشتر از ۱۲ بوده و میزان عدد فرود بالاتر از ۹ است.

طبقه‌بندی دیگر پرش هیدرولیکی بر اساس جریان آب در پایین‌دست است و بر طبق این طبقه‌بندی پرش هیدرولیکی به سه نوع تقسیم می‌شود:

-پرش هیدرولیکی آزاد یا Free Hydraulic Jump:

پرش هیدرولیکی آزاد هنگامی رخ می‌دهد که جریان پایین‌دست تأثیری بر بالادست نداشته باشد.

-پرش هیدرولیکی اجباری یا Forced Hydraulic Jump:

در نقاطی که وجود آبشار یا آب پایه سبب کاهش عمق پایین‌دست شده این نوع پرش هیدرولیکی رخ می‌دهد.

-پرش هیدرولیکی مستغرق یا Submerged Hydraulic Jump:

در حالتی که در بالادست امکان تشکیل عمق مزدوج وجود نداشته باشد و پرش به سمت بالادست پیشروی کند، اگر مانعی مانند یک دریچه وجود داشته باشد پرش مستغرق ایجاد می‌گردد.

این مسئله که پرش هیدرولیکی می‌تواند عاملی مخرب باشد صحیح است اما این پدیده می‌تواند دارای مزایا و کاربردهایی نیز باشد که موارد زیر ازجمله خواص پرش هیدرولیکی به شمار می‌رود:

-دور نگه‌داشتن سطح پایاب و درنتیجه افزایش دبی خروجی از زیر دریچه‌ها و همچنین افزایش ارتفاع مؤثر در عرض دریچه

-حفاظت از پایین‌دست با کاهش انرژی در سدها و سرریزها و…

-هوادهی جریان‌ها و کلرزدایی

-افزایش عمق در دامنه سازه و درنتیجه کاهش فشار بالارونده

-افزودن مواد شیمیایی به آب جهت تصفیه و همچنین جهت مصارف کشاورزی

چگونه پرش هیدرولیکی کنترل می‌شود؟

روش‌هایی برای کنترل انرژی پرش هیدرولیکی به کار گرفته می‌شود. به‌عنوان‌مثال دریکی از روش‌ها با استفاده از تبدیل‌های موضعی مانند عریض کردن ناگهانی محل در حین پرش می‌توان باعث آشفتگی در جریان شد. درروشی دیگر با پرتاب جریان به یک نقطه دوردست، ذرات آب ریزتر شده و بعد از برخورد با هوا، به زمین بازگشته و در این حین مقدار زیادی از انرژی خود را از دست خواهد داد.

همچنین در روش‌های دیگر نیز با قرار دادن مانع در مسیر پرش انرژی آن را کاهش می‌دهند و با اتلاف انرژی ارتفاع و طول پرش نیز کم می‌شود. ازجمله سازه‌ها برای کنترل پرش هیدرولیکی، سرریزهای لبه تیز و لبه پهن، بالاآمدگی و پایین‌افتادگی ناگهانی، سرریز شیب شکن و مهم‌تر از همه حوضچه‌های آرامش است.

همان‌طور که گفته شد در یک روش کلی برای اینکه انرژی جنبشی مخرب از آب گرفته شود از سازه‌های مستهلک کننده انرژی استفاده می‌شود. حوضچه‌های آرامش به‌عنوان یک سازه هیدرولیکی مؤثر برای کاهش انرژی جنبشی جریان فوق بحرانی در پایین‌دست سرریز قرار می‌گیرند و در بعضی موارد برای کنترل و تثبیت موقعیت پرش هیدرولیکی و دستیابی به یک طرح اقتصادی از اجزایی مانند بلوک‌های کف، آستانه انتهایی، آب پایه (Sill) که به‌صورت دندانه‌دار یا منفرد و… در حوضچه آرامش استفاده می‌شود. ابعاد حوضچه‌های آرامش مستقیماً به مشخصات پرش هیدرولیکی بستگی دارد.

نکته قابل‌توجه در طراحی تمام حوضچه‌های آرامش USBR این است که کف حوضچه بایستی به‌اندازه کافی پایین برده شود تا عمق پایاب از عمق ثانویه پرش هیدرولیکی کمتر نباشد اما با در نظر گرفتن نکات دیگر می‌توان حوضچه‌هایی احداث کرد که نیاز به عمق پایاب کمتری داشته باشد. در ساختمان‌های مستهلک کننده انرژی آب یا همان حوضچه‌های آرامش، معمولاً از بلوک‌ها و آب پایه‌ها به‌عنوان لوازم جانبی برای کنترل پرش در حوضچه‌ها استفاده می‌شود که می‌توان به کاربرد آن‌ها در تثبیت، کنترل، کاهش عمق ثانویه و طول پرش اشاره نمود. به همین جهت تحقیقات بسیاری در جهت به‌کارگیری اجزا زبر در کف حوضچه‌های آرامش و بررسی تأثیر زبری‌ها بر ویژگی‌های پرش هیدرولیکی انجام‌گرفته است. محققان به‌منظور به‌صرفه شدن اقتصادی ساخت حوضچه‌های آرامش همواره در تلاش بوده‌اند تا با در نظر گرفتن تمهیداتی عمق ثانویه و طول پرش را کاهش دهند.

تحلیل جریان در پرش هیدرولیکی:

به‌منظور تحلیل جریان در پرش‌ها با در نظر گرفتن مرزهای بالادست و پایین‌دست و در نظر گرفتن عمق و سرعت در این دو مقطع و با نوشتن معادلات مومنتوم خطی و پایستگی جرم و همچنین عدد فرود و ساده‌سازی معادلات بر اساس پارامترها، معادلات جریان برای هرکدام از پرش‌های هیدرولیکی به دست می‌آید.