水躍

水躍:是流體力學的一個現象，常在像河或泄洪道的明渠中出現。當高流速的超臨界流進入低流速的亞臨界流中，流體的速度突然變慢，流體部分的動能被紊流消散，部份動能則轉換為位能，造成液面明顯變高，這樣的現象即為水躍。

基本信息

• 中文名：水躍
• 英文名：hydraulic jump

• 學科：物理
• 範疇：流體力學

簡介

水躍類型

明渠中由急流過渡為緩流時，水流高度發生局部突變現象稱為水躍。從水閘或溢流壩下泄的急流在受到下游渠道緩流的頂托時，便會發生水躍。這一現象也可以在水龍頭放水時，在水池中見到。
水躍現象可在定常流中出現，它的特點是：在很短的距離內，水深急劇增加，流速相應減小。水躍區的水流可以分為兩部分：上部不斷翻騰鏇滾，因摻入空氣而呈白色。下部是主流，是流速急劇變化的區域。這兩部分的交界面上流速梯度很大，紊動混摻強烈，液體質點不斷地穿越交界面進行交換。在非定常流的涌波中，也可以形成翻滾前進的水躍（見“涌波”詞條）。由於水躍內部水體的強烈摩擦混摻而消耗大量機械能，因此通常把水躍作為消能的有效方式之一。

方程

水躍區的水流可以分為兩部分：上部不斷翻騰鏇滾，因摻入空氣而呈白色，下部是主流，是流速急劇變化的區域。這兩部分的交界面上流速梯度很大，紊動混摻強烈，液體質點不斷地穿越交界面進行交換。由於水躍內部水體的強烈摩擦混摻而消耗大量機械能，因此通常把水躍作為消能的有效方式之一（見水躍消能）。

水躍

水躍始端和終端兩個斷面的水深分別稱為躍前水深h1和躍後水深h2。這兩個水深之間存在著共軛關係。對於水平底稜柱形渠道（即斷面形狀和尺寸沿流向不變的渠道），這個關係可以用動量原理導出，稱水躍方程：

(1)

式中A1、A2為斷面面積;yc1、yc2為斷面形心處的水深；β1、β2為動量校正係數；Q為流量；g為重力加速度。A和yc均為水深h的函式。不計斷面下標,上式兩邊的函式形式相同，均為。在給定Q的情況下,這是水深h的函式，稱為水躍函式θ(h)。這樣, 式(1)可以簡單地寫作θ(h1)＝θ(h2)。θ(h)與h的關係曲線如(圖2)所示。躍前、躍後水深雖不相等 (h2h1),但它們的水躍函式值卻相同，因此把它們稱為共軛水深。當已知流量、渠道斷面尺寸及一個水深時,利用式(1)可求得另一水深。對於寬為b的矩形斷面，可直接由式(1)解得：

　(2)

式中q=Q/b為單寬流量。

長度

水躍

水躍前後兩斷面的距離稱為水躍長度Lj。它是泄水建築物消能設計的重要依據之一，其值多由經驗公式估算。例如：

　(3)

式中Fr1為躍前斷面的弗勞德數。
隨著躍前斷面水流湍急程度（用 Fr1表示）的不同，水躍有不同的形態。其中波狀水躍無水面鏇滾;擺動水躍有射流自底部間歇地向上竄升,鏇滾較不穩定，躍後水面波動較大。就消能效果而言,Fr1越大效果越好。

水躍

水躍研究的內容還有水躍縱剖面形狀、水躍位置的確定和控制、水躍能量損失等。工程中還常遇到非平底或非稜柱形渠道中的水躍，已有很多研究成果。

消能效率

躍的消能效率用水躍消能係數Kj表示，Es1是躍前斷面比能。

對平底矩形明渠