在平稳的水流中放入一块模拟大坝,随即大坝两边的水流发生了变化。
首先,大坝左侧的水流开始加速且泥沙也开始堆积。
而在大坝的右侧则呈现出水流逐渐反向回流的现象。
一段时间过后,大坝两侧的水流相互连接形成了一条直线。这其实就是“水跃”现象。
那究竟什么是“水跃”现象呢?观察水流过大坝的整个过程,是从缓流到急流再到缓流。而在急流向缓流过度时,流体的速度突然变慢,导致流体的部分动能被消散,部分动能则转换为了势能,于是就造成了水流液面明显升高的趋势。
至于为什么向下流的水又突然向上行走了,则是因为在水跃区的水流被分为了上下两部分。下部的水流相对较为平缓,而上部分的水流则在不断翻,在此过程中掺入了大量空气形成了气泡。这两部分水的交界面上的流速梯度较大,于是就出现了水流回流的现象。
小小的实验已经模拟出了强行建坝的后果,由此可知水跃是一种很可怕的现象。水坝下产生的水跃和上方的水流,会形成一个不断循环的旋涡区域,此时假如有人靠近被吸进去就很难出来了。因此也有人将这种现象称为“淹死水跃”。
那在水利工程中是如何消除水跃现象的呢?通常会有以下3种方法。一、水跃消能坎。即,在水流速度较快的河流或水渠中,设置一定高度的消能坎,使水流跃起后撞击消能坎,将水流的动能转化为声能和热能,从而减小水流的速度和冲击力。
二、跳石防冲。即,在水流速度较快的河段中放入一定数量且大小不一的石头,使水流在石头中间跳跃从而消耗水流的能量,这样就能减少水流的速度和冲击力了。
三、引流消能。即,在水电站的下游或者水渠中设置一定长度的消能坑或者消能沟,将水流引导进坑或沟中,利用坑沟内的阻力和摩擦力来消散水流的能量。
其实水跃现象不仅仅出现在泄洪道和明渠中,在我们的日常生活中,可以说每天都能看到水跃现象。
当你打开水龙头时会发现,水流在抵达水槽底部时会扩散开来,并在碰撞点周围形成一道薄薄的水膜。由于这种径向扩散,再加上水与水槽表面间的摩擦,导致水膜的扩散越来越慢。
而当水膜很薄且速度很快的时候,它的厚度会骤增500倍,速度则骤降到1/500,此时的水流状态会形成一道水墙,也就是我们看到的环形结构。这就是水跃现象中的环形水跃现象。
那么,你还在生活中见到过哪些水跃现象吗?