جلوگیری از خسارات ناشی از انرژی فوق العاده آب ، یکی از بحث های موردعلاقه دانش پژوهان و محققین است . از این رو شناخت عوامل ایجاد کننده این قبیل پدیده های هیدرولیکی که با تولید انرژی بالا همراه است و کنترل و مهار آن نیز بسیار حائز اهمیت است . پدیده جهش یا پرش هیدرولیکی ( Hydraulic Jump ) که در کانال های رو باز مشاهده می شود ، از نوع جریان های متغیر سریع است که در بسیاری از کارهای عملی با آن روبرو بوده و آن عبارت است از تغییر حالت جریان از فوق بحرانی به زیر بحرانی . چنان چه آب در قسمتی از مسیر دارای حالت فوق بحرانی بوده و بنا به مشخصات و وقعیت خاص کانال بخواهد تغییر حالت دهد ، عمق جریان در مسیر نسبتا کوتاهی به میزان قابل ملاحظه ای افزایش یافته و در نتیجه ضمن ایجاد افت انرژی محسوس ، از میزان سرعت به اندازه قابل توجهی کم می شود . این پدیده که یکی از پدیده های مهم جریان آب در کانال های باز بوده و از ابتدا تا انتهای آن یک تلاطم و پیچش سطحی آب وجود دارد ، به پرش هیدرولیکی یا پرش آبی مرسوم است . در چنین حالتی و به تناسب شدت پرش ، آشفتگی هایی در سطح آب دیده می شود که به تدریج که به سمت انتهای پرش نزدیک می شویم از شدت آن ها کاسته شده و متناسب آن ، انرژی آب نیز کم می شود ( جهت تبدیل انرژی به گرما ) علاوه بر این به جهت این تلاطم و آشفتگی و در اثر برخورد آب با هوا ، مقداری هوا با آب در قسمت های سطحی مخلوط شده که به سمت پایین دست منتقل و در نهایت به شکل حباب هایی رها می شود . برای تجسم بهتر و بیشتر این پدیده پیشنهاد می شود که کلیپ زیر را مشاهده نمایید . در کلیپ زیر علاوه بر نمایش آزمایشگاهی این پدیده با فرمول پرش هیدرولیکی و عدد بی بعد فرود آشنا می شوید .
به عبارت دیگر ، نوع پرش هیدرولیکی وابسته به سرعت اولیه سیال است. اگر سرعت اولیه سیال کمتر از سرعت بحرانی باشد، پرشی رخ نمی‌دهد. برای سرعت‌هایی نیز که خیلی بیشتر از سرعت بحرانی نیستند، انتقال انرژی به صورت امواج متلاطم پدیدار می‌شود. بعد از این مقدار هرچه سرعت اولیه سیال افزایش یابد، انتقال انرژی سریع‌تر می‌شود، تا جایی که در سرعت‌های بالا، ذرات سیال از آن جدا شده و به سوی بالا پرت شده و به سمت جریان بازمی‌گردند. وقتی این اتفاق می‌افتد، پرش همراه با اثرات شدید تلاطم ناشی از جریان باقی مانده و گردابی هوا و امواج سطحی می‌شود. پرش هیدرولیکی می تواند در دو حالت جریان آزاد یا سطح مقطعی از مایع یکنواخت و یا مایع پوشیده شده با وزن های مخصوص متفاوت تشکیل گردد که در هر دو حالت پرش با تلاطم جریان و از بین رفتن انرژی همراه است . از آنجایی که در واقع می توان هر تهدیدی را منجر به فرصت کرد ؛ جهش آبی در کانال های باز دارای کاربردها و خواص فراوانی است که می تواند به صورت زیر خلاصه گردد :
- کاهش انرژی در جریان سدها ، سرریزها و دیگر سازه های هیدرولیکی و در نهایت حفاظت از قسمت های پایین دست؛
- ترمیم و افزایش سطح آب در کانال ها به منظور پخش و گسترش آب؛
- افزایش میزان دبی خروجی از زیر دریچه ها با دور نگه داشتن سطح پایاب ( Tailwater ) و در نهایت افزایش ارتفاع موثر در عرض دریچه؛
- کاهش فشار بالابرنده ( Uplift Pressure ) در زیر سازه ها با افزایش عمق در دامنه سازه؛
- مخلوط نمودن مواد شیمیایی جهت تصفیه آب یا فاضلاب و همین طور جهت مصارف کشاورزی؛
- هوادهی جریان ها و کلرزدایی فاضلاب؛
- جدا نمودن هوای محبوس از جریان های موجود در کانال های باز دایروی؛
- مشخص نمودن شرایط جریان های خاص مثل جریان های فوق بحرانی یا وجود یک سطح مقطع کنترل به منظور ایچاد ایستگاه های اندازه گیری کم خرج.
کنترل پرش هیدرولیکی
لازم به توضیح است که در حالت کلی عموما دو روش برای از بین بردن انرژی مورد استفاده قرار می گیرد. در روش اول از تبدیل های موضعی و یا اجزای دیگری استفاده می شود که باعث آشفتگی جدی در جریان شده و می توان تعریض ناگهانی محل در حین پرش هیدرولیکی را از این قِسم خواند. روش دوم بر اساس پرتاب آب به یک نقطه دوردست استوار است که در حین آن آب به ذرات کوچکتر تقسیم شده و بعد از برخورد با هوا و برگشت به زمین، مقدار زیادی از انرژی خود را از دست می دهد. از طرفی بدیهی است که هر گونه حائلی که در مسیر پرش هیدرولیکی واقع شود و به گونه ای باعث اتلاف انرژی آن گردد، می تواند در تغییر طول پرش تاثیر داشته باشد. ایجاد برجستگی و فرورفتگی در مسیر کانال و در محل پرش و همچنین ایجاد حوضچه های پرش هیدرولیکی که در حقیقت این گونه سازه ها به عنوان عاملی برای کنترل پرش به کار می روند. گزینه های زیر می تواندد به عنوان عوامل کنترل پرش هیدرولیکی موثر باشند.
- سرریز لبه تیز
- سرریز لبه پهن
- بالا آمادگی ناگهانی – پله ( Sudden Rise )
- پایین افتادگی ناگهانی ( Sudden Drop )
- سرریز شیب شکن ( Drop Spillways )
- حوضچه های آرامش ( Stilling Basins ) : عبارت است از قسمت کوتاهی از یک کانال کف سازی شده که به صورت سازه ای خاص در انتهای سرریزها یا هر منبع دیگری که جریان فوق بحرانی ایجاد کند، ساخته می شود و هدف از ساختن آن به تشکیل پرش هیدرولیکی در داخل حوضچه خلاصه می گردد که در این صورت جریان فوق بحرانی ، قبل از رسیدن به قسمت های غیر کف سازه شده رودخانه به جریان زیر بحرانی تغییر حالت داده و از انرژی فوق العاده آن کاسته و از خرابی های احتمالی جلوگیری می گردد . هر حوضچه آرامش بر حسب شدت پرش ، احتیاج به اجزایی دارد تا ضمن شکل دادن پرش در یک موقعیت خاص تا حدالامکان از طول آن بکاهند . اجزایی که عبارتند از : بلوک های پای تندآب ( Chute Blocks ) ، آب پایه ( Sill ) که به صورت دندانه دار یا منفرد در انتهای حوضچه ساخته می شود ، بلوک های آرام کننده ( Baffle Piers ) که گاها بلوک کف هم نامیده می شوند که در قسمت میانی حوضچه کار گذاشته می شوند.
