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水跃

流体力学的现象

水跃是流体力学的一个现象，也称为水力跃迁，常在像河或泄洪道的明渠中出现。当高流速的超临界流进入低流速的亚临界流中，流体的速度突然变慢，流体部分的动能被紊流消散，部分动能则转换为位能，造成液面明显变高，这样的现象即为水跃。

简介
明渠中由急流过渡为缓流时，水流高度发生局部突变现象称为水跃。从水闸或溢流坝下泄的急流在受到下游渠道缓流的顶托时，便会发生水跃。这一现象也可以在水龙头放水时，在水池中见到（图1）。
水跃现象可在定常流中出现，它的特点是：在很短的距离内，水深急剧增加，流速相应减小。
水跃区的水流可以分为两部分：上部不断翻腾旋滚，因掺入空气而呈白色。下部是主流，是流速急剧变化的区域。这两部分的交界面上流速梯度很大，紊动混掺强烈，液体质点不断地穿越交界面进行交换（图2）。
在非定常流的涌波中，也可以形成翻滚前进的水跃（见“涌波”词条）。由于水跃内部水体的强烈摩擦混掺而消耗大量机械能，因此通常把水跃作为消能的有效方式之一。
水跃方程
水跃始端和终端两个断面的水深分别称为跃前水深 和跃后水深 。这两个水深之间存在着共轭关系。对于水平底棱柱形渠道（即断面形状和尺寸沿流向不变的渠道），这个关系可以用动量原理导出，称水跃方程：
式中、为断面面积；、为断面形心处的水深；、为动量校正系数；Q为流量；g为重力加速度。A和均为水深h的函数。不计断面下标，上式两边的函数形式相同，均为。在给定Q的情况下，这是水深h的函数，称为水跃函数θ（h）。这样，式（1）可以简单地写作θ（ ）=θ（ ）。θ（h）与h的关系曲线如（图3）所示。
跃前、跃后水深虽不相等 ( > ），但它们的水跃函数值却相同，因此把它们称为共轭水深。当已知流量、渠道断面尺寸及一个水深时，利用式（1）可求得另一水深。对于宽为b的矩形断面，可直接由式（1）解得：
水跃长度
水跃前后两断面的距离称为水跃长度Lj。它是泄水建筑物消能设计的重要依据之一，其值多由经验公式估算。例如：
式中Fr1为跃前断面的弗劳德数（表示惯性力与重力量级比值）。　随着跃前断面水流湍急程度（用 Fr1表示）的不同，水跃有不同的形态。其中波状水跃无水面旋滚；摆动水跃有射流自底部间歇地向上窜升，旋滚较不稳定，跃后水面波动较大。就消能效果而言，Fr1越大效果越好。
水跃研究的内容还有水跃纵剖面形状、水跃位置的确定和控制、水跃能量损失等。工程中还常遇到非平底或非棱柱形渠道中的水跃，已有很多研究成果。
水跃的消能效率
水跃的消能效率用水跃消能系数 Kj表示， Es1是跃前断面比能 。
对平底矩形明渠
简记为.
从 关系曲线（图4）可见，随Fr1增大，消能效率越高。
水跃的分类
（1） ，水跃表面将形成一系列起伏不平的波浪，波峰沿流降低，最后消失，种形式的水跃称为波状水跃。由于波状水跃无旋滚存在，混掺作用差，消能效果不显著，波动能量要经过较长距离才衰减。
（2）时，水跃成为具有表面水滚的典型水跃，具有典型形态的水跃称为完全水跃。此外，根据跃前断面佛汝得数1Fr的大小，还可将完全水跃再作细分。但这种分类只是水跃紊动强弱表面现象上有所差别，看不出有什么本质上的区别。
（3），称为弱水跃。水面发生许多小旋滚，消能效果不大，消能效率小于20%，但跃后断面比较平稳。消能效率是指通过水跃消耗掉的能量占跃前断面总机械能的百分数。
（4） ，称为不稳定水跃或摆动水跃。底部射流间歇地往上窜，旋滚较不稳定，消能效率20%~45%，跃后断面水流波动大，需设辅助消能工。
（5） ，称为稳定水跃。跃后断面水面平稳，消能效果良好，消能效率达到45%～70%。
（6），称为强水跃。消能效率可达到85%，但高速主流挟带的间歇水团不断滚向下游，产生较大
的水面波动，需设辅助消能工。
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