環形水躍

環形水躍是由流體狀態突變形成的環形水牆現象，最早由達·文西在16世紀觀察並記錄。其表現為水流垂直撞擊平面後形成薄水膜，因流速降低及摩擦作用，水膜厚度驟增數百倍並形成環形突變邊界。

該現象源於重力波與流速的相互作用：水躍內部流體速度超過重力波傳播速度，波動被流體帶走；外部流速低於重力波速度，能量無法逆向傳遞形成突變界面。表面張力與粘性力的平衡對環形結構起關鍵作用，容器邊緣的反射會強化這種突變。

達·文西記錄後，貝朗日於1846年推導動量方程，瑞利在1914年建立水躍理論關聯。20世紀後，谷一郎提出粘性邊界層模型，托馬斯·玻爾完成內外流場統一建模。相關研究為流體動力學及超新星激波模擬提供了類比基礎。

基本介紹

• 中文名：環形水躍
• 外文名：hydraulic jump
• 關鍵字：未能得到解答
• 初步計算資料：流體力學

現象描述

水流抵達水槽底部並擴散開來，在碰撞點周圍形成一道薄薄的水膜。隨後由於這種徑向擴散，加上水與水槽表面之間的摩擦，水膜的擴散越來越慢。但出人意料的是，一種劇烈的轉變發生了：當水膜很薄而且速度很大的時候，它的厚度將驟然增加500倍，速度也下降至1/500。水流的這種狀態轉變體現為一道“水牆”，即由液體構成的環形。這就是環形水躍現象。

環形水躍的結構示意圖

形成原因

在水躍的內部區域（靠近水流處），重力波擴散的速度小於流體擴散的速度，因此被水流帶著向前傳播；而在外部區域，水的高度增加，流速減緩，重力波擴散的速度大於流體的速度。受到外部擾動或反射，例如水流遇到水槽邊沿的時候，重力波的影響變得可以忽略不計。因此，水躍被視為這樣一個區域：從邊緣地帶（水槽邊或水膜的終點）釋放的重力波，即抬高流體的力量，再也無法回到峰值，因為重力波“遇到”了一股流速過高的流體，無法繼續傳播下去。

研究歷史

16世紀，達·文西第一次進行描述。1846年，貝朗日發表了計算巨浪的形成的方程。1914年，瑞利男爵將貝朗日的方程與環形水躍結合起來。1933年，日本科學家家古一郎對液體粘稠的邊界層進行了建模。1993年，出身於諾貝爾獎世家的丹麥人托馬斯·玻爾對水躍外部進行了建模。